CN117646712A - 直驱式磁悬浮活塞式压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直驱式磁悬浮活塞压缩机，其活塞杆一端固定连接有直线驱动电机，该直线驱动电机包括有与活塞杆相互固定连接的动子芯轴，动子芯轴上固定套装有动子铁磁管，在动子铁磁管上固定套装有动子永磁管，固定套装有动子永磁管和动子铁磁管的动子芯轴可轴向移动地设置于定子铁心的轴孔中，在定子铁心的槽孔中嵌装有定子线圈；活塞体的内壁面固定嵌装有活塞永磁铁，在活塞永磁铁的内壁面固定嵌装有活塞铁磁环；在所述缸套上至少固定安装有两铁磁板，在两相邻的铁磁板之间安装有缸体铁芯，在缸体铁芯上绕有缸体线圈。该压缩机只对活塞杆和活塞产生轴向作用力，并且活塞与缸体能处于相互悬浮状态，有效降低或消除两者间的接触磨损和偏磨现象。

Description

直驱式磁悬浮活塞式压缩机

技术领域

本发明涉及一种活塞式气体压缩机，尤其涉及一种具有直线电机驱动且活塞、缸体具有电磁悬浮结构的往复活塞式气体压缩机。

背景技术

往复活塞压缩机是通过活塞在气缸体内作往复运动压缩和输送气体的往复压缩机。活塞压缩机在工业制造业、化工行业、石油和天然气行业均得到广泛应用。

活塞式压缩机是通过原动机驱动的曲柄连杆机构将驱动机械的旋转运动转化为活塞的往复运动，从而进行压缩和排出气体。具有结构简单、易于控制和压力范围广的特点。但这种驱动方式和结构在实际运行使用中也存在一些不足：首先驱动机械是通过曲柄连杆机构驱动活塞杆及其上的活塞体作轴向往复运动的；随着曲柄的转动，连杆与活塞杆之间的驱动夹角是不断改变的，因而连杆在对活塞杆产生往复推、拉力的同时，还会对活塞杆产生交变的径向作用力，而这个交变的径向作用力不可避免地会对活塞体产生交变的扭弯作用，这种交变的扭弯作用使得活塞体与气缸缸壁间产生不均匀接触的偏磨现象，不仅导致活塞与缸体间的非正常磨损，直接影响压缩机的使用寿命和气体压缩输送效率，而且活塞和缸体偏磨产生的磨粒进入到压缩气体中又会影响压缩气体的纯净度。

采用曲柄连杆机构驱动活塞的结构，还存在运动部件多机构复杂，不仅增加压缩机的运行故障，还会产生冲击震动，影响压缩机的平稳运行，这也是活塞式压缩机运行噪声和振动较高的原因之一。

同时在现有结构中活塞体上的活塞环与缸体的内腔壁是直接滑动接触，不可避免会产生两者之间的接触磨损，而这种接触磨损在活塞体和缸腔内表现为不均匀的磨损，从而导致活塞体和缸壁的失圆，使得压缩气体的泄漏量不断增加，不仅影响气体的压缩效率，而且还会影响排出气体的气压稳压性。因此这种有接触的活塞、缸体结构摩擦磨损大且不均匀，加大了振动噪声的产生，降低了活塞缸体的平稳运行和使用寿命，不适宜于活塞式压缩机向大容量、高压、低噪，高效率和高可靠性的方向发展。

发明内容

针对现有技术所存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种直驱式磁悬浮活塞式压缩机，该活塞式压缩机只对活塞杆和活塞产生轴向作用力，并且活塞与缸体能处于相互悬浮状态，有效降低或消除两者间的接触磨损和偏磨现象。

为了解决上述技术问题，本发明的直驱式磁悬浮活塞压缩机，包括活塞杆，以及固定安装于活塞杆一端的活塞体，该活塞体滑动支承于缸套中；

所述活塞杆的另一端固定连接有直线驱动电机，该直线驱动电机包括有与活塞杆相互固定连接的动子芯轴，该动子芯轴上固定套装有动子铁磁管，在动子铁磁管上固定套装有动子永磁管，固定套装有动子永磁管和动子铁磁管的动子芯轴可轴向移动地设置于定子铁心的轴孔中，在定子铁心的槽孔中嵌装有定子线圈；

所述活塞体的内壁面固定嵌装有活塞永磁铁，在活塞永磁铁的内壁面固定嵌装有活塞铁磁环；在所述缸套上至少固定安装有两铁磁板，在两相邻的铁磁板之间安装有缸体铁芯，在缸体铁芯上绕有缸体线圈。

优选地，所述动子芯轴的两端对称地固定连接有活塞杆，每根活塞杆上均固定安装有所述活塞体，该活塞体滑动支承于缸套中；所述活塞杆和动子芯轴的轴心线处于同一直线上。

优选地，所述活塞杆上套装有储能弹簧。

优选地，所述动子芯轴上套装有动子铁磁管，在动子铁磁管上套装有动子永磁管。

优选地，所述动子芯轴的长度L4大于定子铁心的宽度L3。

优选地，所述动子芯轴由非铁磁材料制成，该非铁磁材料包括铝、铝合金、奥氏体不锈钢或塑料；所述定子铁心由硅钢片叠置而成，所述动子永磁管为管状的永磁铁；所述动子铁磁管由软磁材料制成，该软磁材料为铁氧体材料、铝镍钴磁性材料或铁镍合金材料。

优选地，所述活塞体通过活塞辐板固定安装于对应的活塞杆上；所述缸套的一端嵌装有缸体端盖，缸套的另一端固定安装有缸体连接筒，在缸体连接筒上安装有活塞杆密封组件，所述活塞杆滑动穿装于该活塞杆密封组件中。

优选地，所述缸套上安装有2—10片铁磁板；两端所述铁磁板的间隔距离L1大于活塞体的宽度L2。

优选地，所述缸套固定安装于缸体座上，在电机座壳的两端分别通过对应的缸体连接筒固定连接有缸体座；在所述缸体座上设置有进气腔室和排气腔室，该进气腔室和排气腔室可与压缩缸腔相连通。

优选地，所述缸体铁芯由硅钢片叠置而成，所述铁磁板和活塞铁磁环由软磁材料制成，该软磁材料为铁氧体材料、铝镍钴磁性材料或铁镍合金材料；所述活塞体和缸套由非铁磁材料制成，该非铁磁材料为铝、铝合金、奥氏体不锈钢或塑料。

在上述技术方案中，由于直线电动机的动子芯轴与活塞杆同轴固定连接，直线电机只对活塞杆和活塞产生轴向推拉作用力，不会导致活塞体在缸体腔中产生扭弯作用，从而避免活塞体与缸体缸腔壁间的扭弯接触和偏磨现象，不仅有效地延长了压缩机的使用寿命，而且大大降低压缩气体的泄漏，气体压缩效率高，排出气压更加稳定。采用动子芯轴与活塞杆直接连接的方式，还完全去除了动力传动部件，既有效地提高了驱动效率，又使得结构更加紧凑、运行故障率大为降低。又由于在动子芯轴上固定套装有动子铁磁管和动子永磁管，并且其可轴向移动地设置于嵌装有定子线圈的定子铁心中，这有利于产生和保持稳定的驱动磁通，这种稳定的驱动磁通既包括有由动子永磁管的永磁铁激励的恒定持久分量，又包括有定子铁心和定心线圈组成的电磁部件产生的驱动磁通，永久磁铁激励磁通产生恒定持久的静止磁通，电磁驱动磁通产生轴向驱动力的驱动磁通。还由于在活塞体内壁固定嵌装有活塞永磁铁和活塞铁磁环，以及铁磁板间的缸体铁芯和缸体线圈，一方面活塞永磁铁激励产生恒定持久的静止磁通，从而使活塞在缸体内产生持久的悬浮作用力，另一方面缸体线圈在电流作用下产生磁通感应，并且感应磁通从缸体线圈一侧的铁磁板经对应的缸体铁芯进入到缸体线圈另一侧的铁磁板，该电感应磁通对活塞又产生悬浮作用力；

恒定持久的静止磁通和电磁感应的感应磁通共同作用而形成的悬浮力托起活塞体，由此维持活塞体在缸体中形成径向的悬浮位置，使得活塞体在缸体腔中处于非接触的悬浮状态，不仅形成稳定的悬浮定中心，以避免活塞体与缸体腔壁间的接触磨损及偏磨，而且降低了活塞体的往复运动阻力，降低驱动功耗和运行故障，提高气体压缩效率。同时这种悬浮结构更利于活塞体的往复速度变化和快速反应，减少动态驱动阻力，有利于活塞体在缸体腔中实现吸气和排气的快速转换，具有往复推拉作用阻力小，驱动功率需求降低，振动噪声变低的优势。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明直驱式磁悬浮活塞式压缩机作进一步详细说明。

图1是本发明直驱式磁悬浮活塞式压缩机一种具体实施方式的剖面结构示意图；

图2是图1中包括活塞体、缸体的磁悬浮压缩单元的剖面结构示意图；

图3是图2中活塞体的剖面结构示意图；

图4是图3的A—A剖面图；

图5是图2中缸体线圈和缸体铁芯的组装结构示意图；

图6是图5的左视图；

图7是图5中铁磁板和缸体铁芯的组装图；

图8是图7的左视图；

图9是图1中包括动子芯轴和定子铁心的直线电机单元的剖面结构示意图；

图10是图9中直线电机单元的放大结构图；

图11是图10中B—B的剖面图。

图中，1—电机座壳，2—电机壳支座，3—缸体连接筒，4—密封压盖，5—活塞杆密封组件，6—缸体座，7—缸体支座，8—缸体端盖，9—缸体腔盖，10—缸套，11—活塞辐板，12—活塞体，13—活塞铁磁环，14—活塞永磁铁，15—缸体线圈，16—缸体铁芯，17—铁磁板，18—定子支撑套，19—活塞杆，20—储能弹簧，21—连接法兰，22—动子芯轴，23—动子永磁管，24—动子铁磁管，25—定子铁心，26—定子线圈，27—活塞环。

具体实施方式

如图1所示的直驱式磁悬浮活塞压缩机，该活塞压缩机采用对称结构，作为驱动单元的直线驱动电机位于中间，在直线驱动电机的两侧对称地设置有包括活塞体、缸体的气体压缩单元。当直线驱动电机沿轴向往复运动时，一侧的气体压缩单元处于气体压缩状态，另一侧的气体压缩单元处于吸气状态，这种结构有利于提高活塞压缩机的运转效率。在实际设计和应用中，压缩机还可以是由多个直线驱动电机及其气体压缩单元并列设置而构成，构成对气体的多级串联压缩增压，以提高压缩气体的排出气压。

位于中间位置的直线驱动电机的电机座壳1固定安装于电机壳支座2上，位于直线驱动电机两侧的气体压缩单元的缸体座6分别固定安装于对应侧的缸体支座7上。气体压缩单元的缸体支座6通过缸体连接筒3固定连接于电机座壳1的对应端，直线驱动电机与其两侧的气体压缩单元处于同一直线上；具体地说，直线驱动电机的动子芯轴22和两侧气体压缩单元中的活塞杆19的轴心线处于同一直线上。直线驱动电机的动子芯轴22通过两端的连接法兰21与对应侧的活塞杆19固定连接，在活塞杆19上套装有储能弹簧20，该储能弹簧20为圆柱螺旋压缩弹簧。

如图2所示，缸体座6上固定安装有缸套10，在缸套10套内可滑动地设置有活塞体12。在缸套10的套外沿径向并列平行地固定安装有四片铁磁板17，位于两侧的铁磁板17还通过定子支撑套18固定支撑于缸体座6上。

位于两外端的铁磁板17间的距离L1大于活塞体12的宽度L2，具体地距离L1至少为活塞体12的行程与其宽度L2的和，以保证活塞体12始终位于电磁悬浮磁场中。套装于活塞杆19上的储能弹簧20位于连接法兰21和密封压盖4之间。当活塞杆19及其上的活塞体12向左移动压缩气体时，储能弹簧20受到压缩而储备弹性势能，并减缓压缩冲击；当活塞杆19及其上的活塞体12向右移动而吸入气体时，储能弹簧20释放弹性势能，直线电动机和该弹性势能共同推动活塞杆19右移，以助力活塞体12反向复位运动，因此储能弹簧20在该结构中具有重要作用。为保证悬浮磁通磁路的连续贯通，至少活塞体12和缸套10必须由非铁磁材料制成，本实施例中，活塞体12、活塞辐板11、缸套10和缸体座6均由非铁磁材料铝合金铸造而成，当然这些非铁磁材料还可以是铝、奥氏体不锈钢和工业塑料等制成。

本实施例中，缸套10和缸体座6被铸为一体式结构，这种结构具有较高的整体刚度和结构稳定性。在缸套10的外端通过螺栓固定安装有缸体端盖8，缸套10的另一端则固定安装有缸体连接筒3，缸体连接筒3的凸端嵌入到缸套10内，在缸体连接筒3的凸端内孔内安装有活塞杆密封组件5，活塞杆19穿过该活塞杆密封组件5，活塞杆19可以在其中沿轴向往复运动，活塞杆密封组件5采用常用的填料密封结构，故在活塞杆密封组件5的外侧安装有密封压盖4，该密封压盖4通过螺栓安装于缸体连接筒3上。活塞杆19的轴向滑动支承可安装于缸体连接筒3嵌入凸部，或安装于活塞杆密封组件5中，滑动支承可以采用常见的滑动轴承。

缸套10及两端的缸体盖8和缸体连接筒3的嵌入凸部围成压缩缸腔。在缸体座6上还设置有用于吸气和排气的吸气腔室和排气腔室，该吸气腔和排气腔通过对应的吸气阀和排气阀与压缩缸腔的对应端相连通。

如图3、图4所示，活塞体12通过其两端的活塞辐板11固定安装于活塞杆19上，在活塞体12的内壁面上通过粘胶剂固定嵌装有呈圆筒状的活塞永磁铁14，在活塞永磁铁14的内壁面上通过胶粘剂固定嵌装有活塞磁环13，活塞铁磁环13也呈筒管状结构。活塞永磁铁14由永久磁铁制成，活塞铁磁环13由软磁材料制成，该软磁材料为铁氧体材料、铝镍钴磁性材料或铁镍合金材料。

如图5、图6、图7及图8所示，缸套10的套外沿径向并列平行地固定安装有四片铁磁板17，该铁磁板17的数量优先选择为2—10片。铁磁板17中心位置设有套装孔，铁磁板17的外周边设置有四个外伸的翼片，相邻两铁磁板17的外伸翼片间固定连接有缸体铁芯16，在缸体铁芯16上包绕有缸体线圈15，该缸体线圈15超出铁磁板17外端；铁磁板17由铁氧体材料制成，还可以由铝镍钴磁性材料、铁镍合金材料等软磁材料。缸体铁芯16由硅钢片叠置而成。

如图9、图10及图11所示，电机座壳1固定安装于电机壳支座2上，在电机座壳1上固定安装有六组定子铁心25，在定子铁心25的槽孔中嵌装有定子线圈，定子铁心25由硅钢片叠置而成，电机座壳1采用对称的分体结构，并排设置的六组定子铁心25被卡装于两半座壳之间。电机座壳1固定安装于电机壳支座2上。

在定子铁心25的中心孔中可轴向移动地穿装有动子芯轴22，动子芯轴22的两端通过连接法兰21固定连接有活塞杆19，两端的活塞杆19与其中间的动子芯轴22的轴心线位于同一直线上，两根活塞杆19向外延伸而伸出电机座壳1，在活塞杆19上均套装有储能弹簧20，储能弹簧20为圆柱螺旋压缩弹簧。

在动子轴22通过胶粘剂固定粘接有动子铁磁管24，在动子铁磁管24上粘接固定有动子永磁管23，动子铁磁管24和动子永磁管23均呈圆筒状结构。固定粘有动子铁磁管24和动子永磁管23的动子芯轴22能够轴向移动地设置于定子铁心25的中心孔中。动子永磁管23为管状的永久磁铁管，动子铁磁管24由铁氧体材料、铝镍钴磁性材料或铁镍合金材料等软磁材料制成。为了保证直线电动机足够的动程，动子芯轴22的长度L4大于定子铁心25的宽度L3，具体地动子芯轴22的长度至少等于定子铁心25的宽度L3与动子芯轴22的动程之和。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种直驱式磁悬浮活塞压缩机，包括活塞杆(19)，以及固定安装于活塞杆(19)一端的活塞体(12)，该活塞体(12)滑动支承于缸套(10)中，其特征在于：

所述活塞杆(19)的另一端固定连接有直线驱动电机，该直线驱动电机包括有与活塞杆(19)相互固定连接的动子芯轴(22)，该动子芯轴(22)上固定套装有动子铁磁管(24)，在动子铁磁管(24)上固定套装有动子永磁管(23)，固定套装有动子永磁管(23)和动子铁磁管(24)的动子芯轴(22)可轴向移动地设置于定子铁心(25)的轴孔中，在定子铁心(25)的槽孔中嵌装有定子线圈(26)；

所述活塞体(12)的内壁面固定嵌装有活塞永磁铁(14)，在活塞永磁铁(14)的内壁面固定嵌装有活塞铁磁环(13)；在所述缸套(10)上至少固定安装有两铁磁板(17)，在两相邻的铁磁板(17)之间安装有缸体铁芯(16)，在缸体铁芯(16)上绕有缸体线圈(15)。

2.根据权利要求1所述的直驱式磁悬浮活塞压缩机，其特征在于：所述动子芯轴(22)的两端对称地固定连接有活塞杆(19)，每根活塞杆(19)上均固定安装有所述活塞体(12)，该活塞体(12)滑动支承于缸套(10)中；所述活塞杆(19)和动子芯轴(22)的轴心线处于同一直线上。

3.根据权利要求1所述的直驱式磁悬浮活塞压缩机，其特征在于：所述活塞杆(19)上套装有储能弹簧(20)。

4.根据权利要求1、2或3所述的直驱式磁悬浮活塞压缩机，其特征在于：所述动子芯轴(22)上套装有动子铁磁管(24)，在动子铁磁管(24)上套装有动子永磁管(23)。

5.根据权利要求4所述的直驱式磁悬浮活塞压缩机，其特征在于：所述动子芯轴(22)的长度L4大于定子铁心(25)的宽度L3。

6.根据权利要求1所述的直驱式磁悬浮活塞压缩机，其特征在于：所述动子芯轴(22)由非铁磁材料制成，该非铁磁材料包括铝、铝合金、奥氏体不锈钢或塑料；所述定子铁心(25)由硅钢片叠置而成，所述动子永磁管(23)为管状的永磁铁；所述动子铁磁管(24)由软磁材料制成，该软磁材料为铁氧体材料、铝镍钴磁性材料或铁镍合金材料。

7.根据权利要求1所述的直驱式磁悬浮活塞压缩机，其特征在于：所述活塞体(12)通过活塞辐板(11)固定安装于对应的活塞杆(19)上；所述缸套(10)的一端嵌装有缸体端盖(8)，缸套(10)的另一端固定安装有缸体连接筒(3)，在缸体连接筒(3)上安装有活塞杆密封组件(5)，所述活塞杆(19)滑动穿装于该活塞杆密封组件(5)中。

8.根据权利要求1或7所述的直驱式磁悬浮活塞压缩机，其特征在于：所述缸套(10)上安装有2—10片铁磁板(17)；两端所述铁磁板(17)的间隔距离L1大于活塞体(12)的宽度L2。

9.根据权利要求1所述的直驱式磁悬浮活塞压缩机，其特征在于：所述缸套(10)固定安装于缸体座(6)上，在电机座壳(1)的两端分别通过对应的缸体连接筒(3)固定连接有缸体座(6)；在所述缸体座(6)上设置有进气腔室和排气腔室，该进气腔室和排气腔室可与压缩缸腔相连通。

10.根据权利要求1所述的直驱式磁悬浮活塞压缩机，其特征在于：所述缸体铁芯(16)由硅钢片叠置而成，所述铁磁板(17)和活塞铁磁环(13)由软磁材料制成，该软磁材料为铁氧体材料、铝镍钴磁性材料或铁镍合金材料；所述活塞体(12)和缸套(10)由非铁磁材料制成，该非铁磁材料为铝、铝合金、奥氏体不锈钢或塑料。