CN110185616B - 涡旋机及其电磁机构和电磁机构的电磁气隙寻优方法 - Google Patents

涡旋机及其电磁机构和电磁机构的电磁气隙寻优方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种涡旋机及其电磁机构和电磁机构的电磁气隙寻优方法，该电磁气隙寻优方法包括：步骤(A)预设电磁气隙值σ0，结合目标压力P0，生成“转角‑电流”关系曲线；步骤(B)检测转角值a(t)，根据“转角‑电流”关系曲线，确定励磁部件的电流值，对轴向电磁力进行调节；步骤(C)检测当前排气压力P(t)，并将其与目标压力P0比较，根据比较结果对电磁气隙值σ0进行重新赋值；步骤(D)根据电磁气隙值σ0，重新确定“转角‑电流”关系曲线，结合当前动涡盘转角值α(t)，确定励磁部件的电流值，对轴向电磁力进行调节。该方法用于修正装配误差和使用过程中因磨损引起的电磁气隙误差引起的电磁轴向力误差。

Description

涡旋机及其电磁机构和电磁机构的电磁气隙寻优方法
技术领域
本发明涉及涡旋机轴向气体力控制技术，提供一种涡旋机及其电磁机构和电磁机构的电磁气隙寻优方法，用于修正装配误差和使用过程中因磨损引起的电磁气隙误差引起的电磁力误差。
背景技术
涡旋机是一种借助于容积的变化来实现气体压缩的流体机械，其内部结构主要包括静涡盘、动涡盘、支架、偏心轴及防自转机构，其中，动涡盘与静涡盘偏心设置，随着动涡盘在偏心轴的驱动下转动，动涡盘与静涡盘之间的气体向中部汇聚或外围扩散，从而实现压缩机或膨胀机的功能。
相对于其他压缩机/膨胀机，涡旋机具有气体泄漏量少、体积小、重量轻，可持续工作时间长，且整机噪声低等优点，但由于涡旋机的动涡盘与静涡盘之间成上下扣合结构配合，两者之间的接触松紧度由装配决定，过松会导致气体泄漏，过紧会导致在工作前期磨损、发热严重，工作效率低，较长时间之后接触面仍然会逐渐变松，会引起泄露等引起不良后果，因此，现有的涡旋机结构中，将动涡盘设置为浮动状态，即动涡盘在旋转过程中在静涡盘和支架之间沿轴向浮动。当动涡盘高速转动时，其承受很大的轴向气体力作用，且该轴向气体力随主轴转角和气体压力变化，为此，一般情况下，通过在涡旋机中加设轴向气体力控制机构来平衡该轴向气体力。目前，常用的轴向气体力控制机构如下：
1)弹簧背压方案：即在涡盘(一般为动涡盘)背面安装弹簧，这种结构实施相对方便，但是压力不可调，且弹簧和涡盘也在大压力下摩擦对材料寿命具有较大挑战，也会带来弹簧工作面上摩擦损耗等问题；
2)推力轴承方案：即在涡旋盘背面安装推力轴承，实现机械定位；采用该结构对涡盘进行轴向位置固定，不能实现轴向间隙的自动补偿，难以在密封和小压力之间取得平衡，且很多场合(如高压机领域)难以找到合适的推力轴承；
3)气体背压腔方案：在涡盘背面施加一定的气体压力，背压腔中的压力以类似腔内气体变化的规律随着角度变动，这一结构虽然可以抵消较大幅度的腔内气体往外的轴向压力，但是两者的合力仍然有较大比重的残余，且合力与角度相关，仍旧有较大摩擦或者泄露的问题存在，不利于涡旋盘的稳定转动；
4)双涡旋体涡盘方案：在动涡盘的圆形板两侧设置涡旋型线几何参数相同的上、下两个涡旋体，相应地有两个静涡盘与之配合，如一个静涡盘与单涡旋体的动涡盘相配的相同，另一个静涡盘的涡旋体则直接在支架上产生，即支架体同时起到了静涡盘的作用。在这种结构的涡旋压缩机中，动涡盘的上、下涡旋体所受的轴向气体力大小相等、方向相反，故而动涡盘所受轴向气体力自动地得到完全平衡，但这种结构从理论角度来看，双涡旋体的两个动涡盘受到的轴向气体力可以巧妙的互相抵消；在抵消之后，实际实施过程中，静涡盘和动涡盘之的接触面的装配精度比较难控制，接触紧磨损和散热就多，接触松容易泄漏。若为固定安装，长时间工作后接触面的状态因磨损改变难以调整；若为轴向浮动安装，显然只能由静涡盘轴向浮动来实现，同样需要背压控制，且两个涡盘背压增加复杂度，实现困难。
此外，“无油涡旋压缩机关键技术研究”(沈阳工业大学窦汝桐等，2017.06.02)一文中，提出了一种采用平面电磁驱动的无油压缩机，该结构较有新意的提出了电磁力控制的方案，并在轴向气体力控制上采用电磁力控制，该方案采用分布式三点位置的电磁力结构，可有效解决上述接触摩擦问题，但其并没有提供具体的控制方法，且该方案大幅度增加了动涡盘机平面上的面积，从而明显增加了转动惯量，降低了涡旋系统的动态性能；该结构需要通过力反馈信号来进行电磁力的控制，但对此类间隙不到10丝的高精度机构，安装力反馈装置的方法增加了结构复杂度、安装难度及成本，同时也降低了系统可靠性及寿命；在用作膨胀机时仅用气体来推动涡卷旋转时尤其难以提升速度提升工作效率。
综上，利用轴向电磁力对涡旋机的轴向气体力进行抵消是本领域的一个发展方向，目前，已有用于抵消涡旋机轴向气体力的电磁机构及其控制方法的相关研究，但由于一般的控制方法在应用过程中，需将实际电磁机构的电磁气隙等同于设计气隙，难免会引入控制误差。实际电磁机构的电磁气隙受两个主要因素的影响：1)因为内部设计多个零部件，而设计气隙一般设定在0.05毫米至0.1毫米之间，在装配中误差难以避免，且小误差在如此小尺度中将会占取较大比例，严重影响控制效果；2)在涡卷工作中，动、静涡盘长期接触运动，磨损也难以避免，这些磨损量也需要定期优化修正。
基于上述原因，在涡旋机轴向气体力的电磁控制系统中，由电磁气隙引起的控制误差严重影响控制精度，因此，有必要提供一种电磁气隙寻优方法，以减少实际电磁气隙对控制精度的影响。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的第一目的在于：提供一种涡旋机的电磁机构的电磁气隙寻优方法，该方法适用于无力传感器反馈的轴向气体力电磁控制系统中，用于修正装配误差和使用过程中因磨损引起的电磁气隙误差引起的轴向电磁力误差；
本发明的第二目的在于：提供一种涡旋机的电磁机构，该电磁机构应用上述方法进行电磁气隙寻优。
本发明的第三目的在于：提供一种旋涡机，该涡旋机包括上述电磁机构。
为了实现上述目的，本发明的一个方面，提供一种涡旋机的电磁机构的电磁气隙寻优方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤(A)预设电磁气隙值σ0，结合目标压力P0，生成“转角-电流”关系曲线；
步骤(B)检测当前动涡盘转角值a(t)，根据“转角-电流”关系曲线，确定励磁部件的电流值，对轴向电磁力进行调节；
步骤(C)检测当前排气压力P(t)，并将其与目标压力P0比较，根据比较结果对电磁气隙值σ0进行重新赋值；
若P(t)∈δ，则σ0＝σ0-σ1；
若
Figure GDA0002358210070000031
且P(t)﹥P0，则σ0＝σ0-σ1；
若
Figure GDA0002358210070000032
且P(t)﹤P0，则σ0＝σ0+σ1；
步骤(D)根据电磁气隙值σ0，重新确定“转角-电流”关系曲线，结合当前动涡盘转角值α(t)，确定励磁部件的电流值，对轴向电磁力进行调节；
重复上述步骤(C)-(D)，直至在满足P(t)∈δ的条件下，电磁气隙为σ0取得最小值；
其中，σ1取值为常数，σ1∈[0.01σ0，0.2σ0]，δ为排气压力精度区间。
作为优选，步骤(A)中，生成“转角-电流”关系曲线的具体方法为：
步骤(A1)根据“轴向气体力-转角-排气口压力”关系曲线和目标压力P0，确定“轴向气体力-转角”关系曲线；
步骤(A2)预设电磁气隙值σ0，根据“电磁气隙-电流-轴向电磁力”关系曲线，确定“电流-轴向电磁力”关系曲线；
步骤(A3)将轴向气体力等同为轴向电磁力，根据“轴向气体力-转角”关系曲线和“电流-轴向电磁力”关系曲线，确定“转角-电流”关系曲线。
作为优选，步骤(A)中，电磁气隙值σ0的取值为：σ0∈[0.05mm，0.1mm]。
作为优选，步骤(C)中，排气压力精度区间δ的取值范围为：δ∈[P0-10％P0，P0+10％P0]。
作为优选，步骤(D)中，判断电磁气隙值σ0是否取到最小值的具体方法为：
当涡旋机作为压缩机应用时，执行上述步骤过程中，若P(t)达到峰值后开始减小，则σ0＝σ0+σ1；此时的σ0取到最小值；
当涡旋机作为膨胀机应用时，执行上述步骤过程中，若P(t)达到谷值后开始增大，则σ0＝σ0-σ1，此时的σ0取到最小值。
作为优选，上述方法还包括如下步骤：步骤(D)中，如果寻优时间超过预定时间段，排气压力P(t)一直未落入排气压力精度区间内，则控制部件向总控制系统提供报警信息。
作为优选，判断涡旋机进入稳定运行状态后，且寻优完毕后，由定时器控制进入间隔寻优状态。
本发明的另一个方面，提供一种涡旋机的电磁机构，该电磁机构应用如上所述的涡旋机的电磁机构的电磁气隙寻优方法进行电磁气隙寻优。
本发明的再一个方面，提供一种涡旋机，不仅包括动涡盘和静涡盘，还包括如上所述的电磁机构。
作为优选，所述电磁机构包括控制部件、控制执行部件及检测部件；其中：
检测部件，包括压力检测件及转角检测件，所述压力检测件设置于涡旋机的排气口处，用于检测涡旋机排气口的排气压力值，所述转角检测件设置于涡旋机的驱动轴处，用于检测动涡盘的转角信息；
控制执行部件，包括固定于动涡盘上的第一磁路铁芯和固定于静涡盘上的第二磁路铁芯，所述第一磁路铁芯上固定有多个第一铁芯吸力足，所述第二磁路铁芯上固定有多个第二铁芯吸力足；所述第一铁芯吸力足与第二铁芯吸力足数量相同，且两者位置上下对应；所述第二磁路铁芯上还设置有多个励磁部件，各励磁部件与各个第二铁芯吸力足间隔分布；
所述控制部件，分别与所述检测部件及励磁部件连接，控制部件根据检测部件的检测结果对励磁部件中的电流进行相应地调节，从而使得第一铁芯吸力足和第二铁芯吸力足之间的轴向电磁力与涡旋机中的轴向气体力相互抵消。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明适用于无力传感器反馈的轴向气体力电磁控制系统中，用于修正装配误差和使用过程中因磨损引起的电磁气隙误差引起的轴向电磁力误差；在涡旋机启动初始稳定阶段及长期运行中通过自动寻优电流曲线，产生优选的轴向电磁力，用以平衡轴向气体力，确保动、静涡盘面之间低接触力、高密封性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1是本发明实施例提供的一种涡旋机的电磁机构的结构示意图；
图2是图1中电磁机构工作过程中的动涡盘工位变化示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种涡旋机的电磁机构的结构示意图；
图4是图3中电磁机构工作过程中的动涡盘工位变化示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种涡旋机的电磁机构的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种涡旋机的电磁机构的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种涡旋机的电磁机构的装配结构的局部剖视图；
图8(a)是本发明实施例提供的一种涡旋机的电磁机构的电流调节电路的示例；
图8(b)是本发明实施例提供的一种涡旋机的电磁机构的电流调节电路的电流调节原理图；
图9是本发明实施例提供的一种涡旋机的电磁机构的控制方法流程图；
图10是图9中“排气压力变化过程轴向气体力控制”部分的一种实施流程；
图11是图9中“排气压力变化过程轴向气体力控制”部分的另一种实施流程；
图12是图9中“涡旋机稳定工作状态下的轴向气体力控制”部分的流程图；
图13是本发明实施例提供的一种“轴向气体力-转角-排气压力”关系曲线；
图14是本发明实施例提供的一种“电磁气隙-电流-轴向电磁力”关系曲线；
图15是本发明实施例提供的一种涡旋机的电磁机构的具有电磁气隙寻优过程的轴向气体力控制流程图；
图16是本发明实施提供的一种涡旋机的电磁机构的电磁气隙寻优方法的流程图。
1、动涡盘；2、静涡盘；
31、第一磁路铁芯；32、第二磁路铁芯；
311、第一铁芯吸力足；321、第二铁芯吸力足；322、励磁部件。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
此外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以下提供一种涡旋机的电磁机构，该电磁机构包括控制部件、控制执行部件及检测部件；其中：
检测部件，包括压力检测件及转角检测件，所述压力检测件设置于涡旋机的排气口处，用于检测涡旋机排气口的排气压力值，所述转角检测件设置于涡旋机的驱动轴处，用于检测动涡盘1的转角值；
控制执行部件，包括固定于动涡盘1上的第一磁路铁芯31和固定于静涡盘2上的第二磁路铁芯32，第一磁路铁芯31上固定有多个第一铁芯吸力足311，第二磁路铁芯32上均匀有多个第二铁芯吸力足321；第一铁芯吸力足311与第二铁芯吸力足321数量相同，且两者位置上下对应；第二磁路铁芯32上还设置有多个励磁部件322，各励磁部件322与各个第二铁芯吸力足321间隔分布；
控制部件，分别与检测部件及励磁部件322连接，控制部件根据检测部件的检测结果对励磁部件322中的电流进行相应地调节，从而使得第一铁芯吸力足311和第二铁芯吸力足321之间的轴向电磁力与涡旋机中的轴向气体力相互抵消。
需要说明：多个第一铁芯吸力足311在第一磁路铁芯31上的位置设置原则为：避免第一铁芯吸力足311的分布不均造成第一磁路铁芯31受力不均，因此上述结构可以为各个第一铁芯吸力足311沿第一磁路铁芯31的边缘等间隔分布，还可以为多个第一铁芯吸力足311沿第一磁路铁芯31的某一径向对称分布等。
这一电磁机构在静涡盘2侧对可轴向浮动的动涡盘1侧产生轴向电磁力，通过该轴向电磁力抵消工作腔内的轴向气体力，确保动涡盘1与静涡盘2之间无力接触，且可保证两者间的密封，从而防止压力过高导致的材料磨损、接触面发热等问题，在保证涡旋机正常工作的前提下，有效延长涡旋机的使用寿命。此外，该电磁机构的主体大部分在动涡盘1和静涡盘2外壁的沿竖直方向互相配合工作，较少占用涡旋机内的空间，结构紧凑。
其一种优选的实施方式中，第一铁芯吸力足311的底面与第二铁芯吸力足321的顶面均为平面，且第一铁芯吸力足311的底部面积小于第二铁芯吸力足321的顶部面积，当第一磁路铁芯31跟随动涡盘1转动时，第一铁芯吸力足311的底面始终完全落在第二铁芯吸力足321正上方的范围内，从而当第一铁芯吸力足311发生位置变动时，其横截面上通过的磁阻不变。这一结构的设置原理在于：在整个运动周期产生轴向电磁吸力用于抵消气体的轴向气体力的同时，电磁机构产生的水平方向的两个分量力小，可减低对水平方向的负荷的影响，减少对涡盘侧面工作面的工作干扰，因此该结构特别适用于部分水平方向具有浮动自动度的涡盘结构，可有效避免水平方向产生额外的推力，降低水平波动对磁阻的影响。
其一种优选的实施方式中，如图1所示，第一铁芯吸力足311和第二铁芯吸力足321均为柱状结构。第一铁芯吸力足311和第二铁芯吸力足321均为椭圆柱状结构，两者上下相对，当第一铁芯吸力足311跟随动涡盘1转动时，其位置变化如图2所示，第一铁芯吸力足311始终位于第二铁芯吸力足321的正上方的范围内；如图3所示，第一铁芯吸力足311和第二铁芯吸力足321均为圆柱状结构，两者上下相对，当第一铁芯吸力足311跟随动涡盘1转动时，其位置变化如图4所示，第一铁芯吸力足311始终位于第二铁芯吸力足321的正上方的范围内。当然，在其他较佳的实施例中，静涡盘2还可以为棱柱状、圆台状等，同样地，第一铁芯吸力足311也可以为棱柱状或圆台状等，只要保证当第一铁芯吸力足311跟随动涡盘1转动时，第一铁芯吸力足311始终全部落在第二铁芯吸力足321的正上方的范围内即可。
其一种优选的实施方式中，励磁部件322为励磁线圈，控制部件根据压力检测件的检测结果对励磁线圈中的电流进行相应地调节，从而使得第一铁芯吸力足311和第二铁芯吸力足321之间的轴向电磁力与涡旋机中的轴向气体力相互抵消；
或者，在一些实施方式中，励磁部件322的结构还可以衍变为：采用永磁体替换部分励磁线圈，采用永磁体实现增磁和偏置。这种结构适用于恒定磁力占比较大的情况，以减少线圈铜丝上的电阻损耗，减小电磁机构3的整体体积。实际应用时，根据恒定力部分的比例选择各自占比，多用永磁体可以降低使用中的导线铜上的热损耗，多用线圈电流励磁，可以增加变动的范围。
其一种优选的实施方式中，如图7所示，第一磁路铁芯31及第二磁路铁芯32均为环状，第一磁路铁芯31固定于动涡盘1顶部，第一铁芯吸力足311嵌入在动涡盘1的外壁内，且其底部裸露在外，第二磁路铁芯32固定于动涡盘1与静涡盘2之间，第二铁芯吸力足321顶部与第一铁芯吸力足311底部正对。
当涡卷机工作腔外对热源敏感时，可通过改变静涡盘2磁力部件的磁路形状，将发热较大的铜线圈部分隔离在压缩机或者膨胀机外部，即有利于降低工作空间热负荷，也有利于电磁线圈的散热提高电流的负荷密度。为实现上述目的，提供一种优选的实施结构，将第二磁路铁芯32的结构进行衍变，具体的，如图5或图6所示，第一磁路铁芯31为环状；第二磁路铁芯32的中部为包裹在所述静涡盘2外部两侧的扇环状，且第二磁路铁芯32的两端向外伸出至静涡盘2外；第二铁芯吸力足321设置于第二磁路铁芯32的扇环状部分上，励磁部件322设置于第二磁路铁芯32伸出于静涡盘2外的部分上，这种结构较适用于安装环境对线圈隔热要求较高的应用场景中。当然，励磁部件322可以为图示的两个，还可以为四个、六个等，其数量根据穿过第二铁芯吸力足321与磁场垂直的截面上的磁密度确定，优选为偶数。
其一种优选的实施方式中，第一铁芯吸力足311嵌入于动涡盘1的侧壁内，且第一铁芯吸力足311的下端面与动涡盘1侧壁的下端面相齐平，第二磁路铁芯32设置于第一铁芯吸力足311的下方，且第二铁芯吸力足321设置于第一铁芯吸力足311的正下方。
其一种优选的实施方式中，第二铁芯吸力足321的数量不少于励磁部件322的数量，且一般情况下，为了便于调整动涡盘1的转角姿态，第一铁芯吸力足311、第二铁芯吸力足321和励磁部件322的数量优选为偶数。
其一种优选的实施方式中，压力检测件包括设置于涡旋机排气口的压力传感器，该压力传感器与控制部件连接，将检测到的排气口的压力值实时传输给控制部件；转角检测件包括设置于动涡盘1驱动轴处的转角传感器，该转角传感器与控制部件连接，将检测到的动涡盘1的转角信息实时传输给控制部件。
其一种优选的实施方式中，控制部件包括控制器及与其连接的控制电路，其中，控制器优选为STM32F407ZGT6，控制电路主要包括压力信号采集电路、转角信号采集电路以及电流调节电路，具体的，压力信号采集电路分别连接压力检测件及控制器，用于将压力检测件检测到的排气压力值传输至控制器；转角信号采集电路分别连接转角检测件及控制器，用于将转角检测件检测到的动涡盘1的转角值传输至控制器；电流调节电路分别与控制器及励磁部件322连接，用于根据控制器的输出命令对励磁部件322内的电流大小进行调控，电流调节电路优选采用H桥电路，下面结合附图简要说明该电路的电流调节原理：
如图8(a)所示，该电路中采用阻感负载，io相位滞后于uo，波形也不同。当开关V1、V4闭合，V2、V3断开时，负载电压uo为正；当开关V1、V4断开，V2、V3断开时，uo为零；两组开关元器件开关频率不变，如图8(b)所示，改变输出频率的占空比，即实现对输出电流的调节；上述仅为原理性解释，本领域技术人员可依据上述原理对控制电路进行相应的设计或调整，该部分描述并非对控制电路部分的限定。
下述提供一种涡旋机的电磁机构的控制方法，该方法包括如下步骤：
步骤(a)根据当前的排气压力P(t)和预设电磁气隙值σ0，获取“转角-电流”关系曲线；具体的：
假定轴向气体力与轴向电磁力相等，结合当前排气压力P(t)及预设电磁气隙值σ0，将“轴向气体力-转角-排气口压力”关系曲线(如图13所示)与“电磁气隙-电流-轴向电磁力”关系曲线(如图14所示)结合，得出“转角-电流”曲线；
其中，电磁气隙值σ0的取值优选的范围为：σ0∈[0.05mm，0.1mm]；
其中，电磁气隙为第一铁芯吸力足与第二铁芯吸力足之间沿竖直方向(假定垂直于第一铁芯吸力足的底面的方向为竖直方向)的物理间距，由于第一磁路铁芯与动涡盘相固定、第二磁路铁芯与静涡盘相固定，因此，对该电磁气隙的调整，即为对动、静竖直轴向间距的调整。
步骤(b)根据上述“转角-电流”关系曲线，调整励磁部件内的电流I，从而使电磁机构内的轴向电磁力抵消所述轴向气体力；具体的：
根据“转角-电流”关系曲线，结合当前动涡盘转角值α(t)，确定所需电流I(t)，控制部件向励磁部件内输入电流I＝I(t)。
或者，上述方法还可以为：预设轴向气体力安全系数γ，根据“转角-电流”关系曲线，结合当前动涡盘转角值α(t)，确定所需电流I(t)，控制部件向励磁部件内输入电流I＝I(t)*γ后，其中，γ∈[0.9，1.1]。
步骤(c)判断涡旋机是否处于稳定工作状态，若是，执行步骤(d)，否则，执行步骤(a)-(c)；
实时检测涡旋机排气口的排气压力P(t)，当涡旋机排气口的排气压力值P(t)处于压力精度区间δ内时，判定涡旋机处于稳定工作状态。
其中，压力精度区间δ的确认方法为：预设目标压力为P0，则δ的取值范围为：δ∈[P0-10％P0，P0+10％P0]。
步骤(d)根据“转角-电流”关系曲线，结合当前动涡盘转角α(t)，调整励磁部件内的电流I(t)，再返回至步骤(c)。
上述控制方法可同时作为涡旋机启动变压、制动变压及稳压过程中的轴向气体力电磁伺服策略，如图9所示，当涡旋机启动过程中，执行“排气压力变化过程轴向气体力控制”，即控制系统重复执行步骤(a)-步骤(b)的过程，上述过程体现在程序上则如图10或图11所示。
当涡旋机进入稳定运行状态时，则控制系统重复执行“涡旋机稳定工作状态下的轴向气体力控制”过程，即步骤(d)，直接根据已知最新的“转角-电流”关系曲线，进行轴向电磁力的调整，这一过程体现在程序上则如图12所示。
当涡旋机进行停机/制动时，其排气压力逐渐变化，恢复至大气压力值，这一过程中，同样执执行“排气压力变化过程的轴向气体力控制”，重复步骤(a)-步骤(b)的过程，这一过程体现在程序上则如图10或图11所示。
上述控制过程中，使得涡旋机仅在变压过程中，进行“转角-电流”关系曲线的确定，在处于稳定运行状态时，不必重新确定“转角-电流”曲线，从而使该阶段计算量较小；一般情况下，在涡旋机稳定运行的时间远大于其启动或制动的时间，因而，该控制系统总体计算量小。
需要说明：当电磁机构的整体结构装配完毕时，其“轴向气体力-转角-排气压力”关系曲线和“电磁气隙-电流-轴向电磁力”关系曲线已经确定，并体现于产品说明书中，同时，产品控制程序内也有载入，因此在本方法中默认上述曲线为已知，当然，上述曲线也可由相关工作人员自行测定，测定方法具体如下：
“轴向气体力-转角-排气压力”关系曲线的测定方法：在目标排气压力附近，测定“轴向气体力-转角”关系曲线，逐步改善目标排气压力大小，尽可能在目标排气压力附近测定轴向气体力-转角的关系；
“电磁气隙-电流-轴向电磁力”关系曲线的测定方法：在第一铁芯吸力足和第二铁芯吸力足之间的理论电磁气隙附近，测定“电流-轴向电磁力”关系曲线，逐步改变电磁气隙大小，尽可能的在可能电磁气隙范围内测定电流-轴向电磁力关系。
上述控制方法可同时作为涡旋机启动变压及稳压过程中的轴向气体力电磁伺服策略，可使涡旋机在启动、停机、压力调整或稳压过程中动涡盘与静涡盘之间保持低接触力、高密封性能，同时，在稳定运行过程中简化计算过程，在满足控制要求的前提下，减少控制部件的计算量，实现全工作过程轴向电磁力的高性能控制。
上述控制方法在应用过程中，将实际电磁机构的电磁气隙等同于设计气隙，难免会引入控制误差。实际电磁机构的电磁气隙受两个主要因素的影响：
1)因为内部设计多个零部件，而设计气隙一般设定在0.05毫米至0.1毫米之间，在装配中误差难以避免，且小误差在如此小尺度中将会占取较大比例，严重影响控制效果；
2)在涡卷工作中，动、静涡盘长期接触运动，磨损也难以避免，这些磨损量也需要定期优化修正。
基于上述原因，本实施例还提供一种涡旋机的电磁机构的电磁气隙寻优方法，该方法适用于无力传感器反馈的轴向气体力电磁控制系统中，用于修正装配误差和使用过程中因磨损引起的电磁气隙误差引起的电磁力误差。如图15所示，在涡旋机启动初始稳定阶段及长期运行中通过自动寻优电流曲线，产生优选的轴向电磁力，用以平衡轴向气体力，确保动、静涡盘面之间低接触力、高密封性。如图16所示，该电磁气隙寻优方法包括：
步骤(A)预设电磁气隙值σ0，结合目标压力P0，生成“转角-电流”关系曲线；具体的：
步骤(A1)根据“轴向气体力-转角-排气口压力”关系曲线和目标压力P0，确定“轴向气体力-转角”关系曲线；
步骤(A2)预设电磁气隙值σ0，根据“电磁气隙-电流-轴向电磁力”关系曲线，确定“电流-轴向电磁力”关系曲线；
步骤(A3)将轴向气体力等同为轴向电磁力，根据“轴向气体力-转角”关系曲线和“电流-轴向电磁力”关系曲线，确定“转角-电流”关系曲线；
其中，电磁气隙值σ0的取值为：σ0∈[0.05mm，0.1mm]。
步骤(B)检测当前动涡盘转角值a(t)，根据“转角-电流”关系曲线，确定励磁部件的电流值，对轴向电磁力进行调节；
步骤(C)检测当前排气压力P(t)，并将其与目标压力P0比较，根据比较结果对电磁气隙值σ0进行重新赋值；
若P(t)∈δ，则σ0＝σ0-σ1；
若
Figure GDA0002358210070000121
且P(t)﹥P0，则σ0＝σ0-σ1；
若
Figure GDA0002358210070000122
且P(t)﹤P0，则σ0＝σ0+σ1；
其中，排气压力精度区间δ的取值范围为：δ为排气压力精度区间，δ∈[P0-10％P0，P0+10％P0]，其中，σ1取值为常数，σ1∈[0.01σ0，0.2σ0]。
步骤(D)根据电磁气隙值σ0，重新确定“转角-电流”关系曲线，结合当前动涡盘转角值α(t)，确定励磁部件的电流值，对轴向电磁力进行调节；
重复上述步骤(C)-(D)，直至在满足P(t)∈δ的条件下，电磁气隙为σ0取得最小值；具体的：
当涡旋机作为压缩机应用时，执行上述步骤过程中，若P(t)达到峰值后开始减小，则σ0＝σ0+σ1；此时的σ0取到最小值；
当涡旋机作为膨胀机应用时，执行上述步骤过程中，若P(t)达到谷值后开始增大，则σ0＝σ0-σ1，此时的σ0取到最小值。
此外，步骤(D)中，如果寻优时间超过预定时间段后，排气压力P(t)一直未落入排气压力精度区间内，则控制部件向总控制系统提供报警信息。
根据图16所示，判断涡旋机进入稳定运行状态后，且寻优完毕后，由定时器控制进入间隔寻优状态。
由上述可知，本优化方法的主要优化运行思路为：
i)若气体压力达到目标压力，则逐次减小电磁气隙，直至气体压力开始减小，在实施过程中，当气体压力开始减小时，则优选将电磁气隙调回1-2个档位，直到排气压力恢复到目标设计值。
ii)若气隙压力没有达到目标压力，则逐次增加电磁气隙，直至压力达到目标值。
此外，需要说明的是：
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种涡旋机的电磁机构的电磁气隙寻优方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤(A)预设电磁气隙值σ0，结合目标压力P0，生成“转角-电流”关系曲线；
步骤(B)检测当前动涡盘转角值a(t)，根据“转角-电流”关系曲线，确定励磁部件的电流值，对轴向电磁力进行调节；
步骤(C)检测当前排气压力P(t)，并将其与目标压力P0比较，根据比较结果对电磁气隙值σ0进行重新赋值；
若P(t)∈δ，则σ0＝σ0-σ1；
若
Figure FDA0002358210060000011
且P(t)﹥P0，则σ0＝σ0-σ1；
若
Figure FDA0002358210060000012
且P(t)﹤P0，则σ0＝σ0+σ1；
步骤(D)根据电磁气隙值σ0，重新确定“转角-电流”关系曲线，结合当前动涡盘转角值α(t)，确定励磁部件的电流值，对轴向电磁力进行调节；
重复上述步骤(C)-(D)，直至在满足P(t)∈δ的条件下，电磁气隙为σ0取得最小值；
其中，σ1取值为常数，σ1∈[0.01σ0，0.2σ0]，δ为排气压力精度区间。
2.根据权利要求1所述的一种涡旋机的电磁机构的电磁气隙寻优方法，其特征在于，步骤(A)中，生成“转角-电流”关系曲线的具体方法为：
步骤(A1)根据“轴向气体力-转角-排气口压力”关系曲线和目标压力P0，确定“轴向气体力-转角”关系曲线；
步骤(A2)预设电磁气隙值σ0，根据“电磁气隙-电流-轴向电磁力”关系曲线，确定“电流-轴向电磁力”关系曲线；
步骤(A3)将轴向气体力等同为轴向电磁力，根据“轴向气体力-转角”关系曲线和“电流-轴向电磁力”关系曲线，确定“转角-电流”关系曲线。
3.根据权利要求1所述的一种涡旋机的电磁机构的电磁气隙寻优方法，其特征在于，步骤(A)中，电磁气隙值σ0的取值为：σ0∈[0.05mm，0.1mm]。
4.根据权利要求1所述的一种涡旋机的电磁机构的电磁气隙寻优方法，其特征在于，步骤(C)中，排气压力精度区间δ的取值范围为：δ∈[P0-10％P0，P0+10％P0]。
5.根据权利要求1所述的一种涡旋机的电磁机构的电磁气隙寻优方法，其特征在于，步骤(D)中，判断电磁气隙值σ0是否取到最小值的具体方法为：
当涡旋机作为压缩机应用时，执行上述步骤过程中，若P(t)达到峰值后开始减小，则σ0＝σ0+σ1；此时的σ0取到最小值；
当涡旋机作为膨胀机应用时，执行上述步骤过程中，若P(t)达到谷值后开始增大，则σ0＝σ0-σ1，此时的σ0取到最小值。
6.根据权利要求1所述的一种涡旋机的电磁机构的电磁气隙寻优方法，其特征在于，上述方法还包括如下步骤：步骤(D)中，如果寻优时间超过预定时间段，排气压力P(t)一直未落入排气压力精度区间内，则控制部件向总控制系统提供报警信息。
7.根据权利要求1所述的一种涡旋机的电磁机构的电磁气隙寻优方法，其特征在于，判断涡旋机进入稳定运行状态后，且寻优完毕后，由定时器控制进入间隔寻优状态。
8.一种涡旋机的电磁机构，其特征在于，应用如权利要求1-7中任一项所述的涡旋机的电磁机构的电磁气隙寻优方法进行电磁气隙寻优。
9.一种涡旋机，包括动涡盘和静涡盘，其特征在于，还包括如权利要求8所述的电磁机构。
10.根据权利要求9所述的一种涡旋机，其特征在于，所述电磁机构包括控制部件、控制执行部件及检测部件；其中：
检测部件，包括压力检测件及转角检测件，所述压力检测件设置于涡旋机的排气口处，用于检测涡旋机排气口的排气压力值，所述转角检测件设置于涡旋机的驱动轴处，用于检测动涡盘(1)的转角信息；
控制执行部件，包括固定于动涡盘(1)上的第一磁路铁芯(31)和固定于静涡盘(2)上的第二磁路铁芯(32)，所述第一磁路铁芯(31)上固定有多个第一铁芯吸力足(311)，所述第二磁路铁芯(32)上固定有多个第二铁芯吸力足(321)；所述第一铁芯吸力足(311)与第二铁芯吸力足(321)数量相同，且两者位置上下对应；所述第二磁路铁芯(32)上还设置有多个励磁部件(322)，各励磁部件(322)与各个第二铁芯吸力足(321)间隔分布；
所述控制部件，分别与所述检测部件及励磁部件(322)连接，控制部件根据检测部件的检测结果对励磁部件(322)中的电流进行相应地调节，从而使得第一铁芯吸力足(311)和第二铁芯吸力足(321)之间的轴向电磁力与涡旋机中的轴向气体力相互抵消。
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