CN1388630A - 线性电动机的改进型结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种线性电动机的改进型结构。它包括一转子;以及一包括一环形轭的定子,该轭由若干块体组成,各块体构成轭的一部分圆周,各块体包括一中心部分和设置在中心部分的两侧上的第一和第二外部,中心部分由若干叠片组成,若干叠片由一种具有高导磁率的材料制成,第一和第二外部各由一种其导磁率小于中心部分的导磁率、其电阻大于中心部分的电阻的材料制成。

Description

线性电动机的改进型结构
本申请是申请号为98122329.X的、题为“线性压缩机的改进型结构”的分案申请。
技术领域
本发明总的涉及一种线性电动机的改进型结构。
背景技术
日本专利第一公开号8-247025揭示了一种使用在一致冷机中的线性压缩机，该压缩机被设计成当处于顶端死点中心时，介于缸盖与柱塞头部之间的顶端间隙是恒定的，以防止柱塞过度冲撞。然而，该线性压缩机的缺点在于：环境温度或者致冷机的热负载的降低会引起过量的致冷机工作容量(capacity)，这是由于顶端间隙恒定的缘故。
传统的线性压缩机还具有另外一个缺点，即，由于绕组的铜耗增加了，因此线性移动柱塞的线性电动机的效率低下。
发明内容
因此，本发明的一主要目的在于避免已有技术中的不足。
本发明的另一目的在于提供一种具有高效率的压缩机的改进型结构。
根据本发明的一个方面，提供了一种线性压缩机，包括：(a)一密封外壳；(b)一在其中形成有一缸体的块体，一柱塞在该缸体中振荡以改变一压缩腔的体积；(c)一将柱塞在缸体内沿着第一方向移动的线性电动机；(d)一弹性单元，该弹性单元在第一部分处与块体相连，在第二部分处与柱塞相连，以便根据柱塞通过所述线性电动机的移动来沿着与第一方向相反的第二方向推动柱塞，从而使得柱塞在缸体内振荡；(e)一柱塞位置传感器，该传感器检测柱塞的位置，以便提供一表示该位置的位置信号；(f)一顶端死点中心位置确定电路，该电路根据由柱塞位置传感器所提供的位置信号确定柱塞的实际顶端死点中心位置；(g)一振荡控制电路，该电路控制柱塞的振荡，以便减小柱塞的实际顶端死点中心位置与一基准顶端死点中心位置之间的差异；以及(h)一基准顶端死点中心位置改变电路，该电路改变基准顶端死点中心位置。
在本发明的较佳模式中，还提供一测量环境温度的环境温度传感器。基准顶端死点中心位置改变电路根据由该环境温度传感器所测量到的环境温度改变基准顶端死点中心位置。
还提供一确定压缩机输出需求量的运行状态确定电路。基准顶端死点中心位置改变电路根据由该运行状态确定电路所确定的压缩机输出需求量改变基准顶端死点中心位置。
根据本发明的第二个方面，提供了一种线性压缩机，包括：(a)一密封外壳；(b)一在其中形成有一缸体的块体，一柱塞在该缸体中振荡以改变一压缩腔的体积；(c)一包括一定子和一转子的线性电动机，该转子与柱塞相连，以便将柱塞在缸体内沿着第一方向移动；(d)一弹性单元，该弹性单元在第一部分处与块体相连，在第二部分处与柱塞相连，以便根据柱塞通过线性电动机的移动来沿着与第一方向相反的第二方向推动柱塞，从而使柱塞在缸体内振荡；(e)一形成在块体中的压力腔；(f)一在其上设置有线性电动机的定子的定子移动件，该定子移动件安装在压力腔内、并可在第一和第二方向上滑动；(g)形成在压力腔内、位于定子移动件的两侧上的第一和第二后压腔；以及(h)一压力控制机构，该机构控制所述第一和第二后压腔之间的压力差，以便移动定子移动件，从而将定子移动至一想要的位置。
在本发明的较佳模式中，在块体中还形成有与压缩腔相通的一输入口和一输出口。该压力控制机构可有选择地建立和堵塞输入口与第一后压腔之间、以及输出口与第二后压腔之间的连通。
还提供一推动机构，该机构以离开压缩腔的方向推动线性电动机的定子。
根据本发明的第三个方面，提供了一种线性电动机，包括：(a)一转子；以及(b)一定子，该定子包括一绕组和其中保持着该绕组的一环形轭(yoke)，该轭由若干弧形块体组成，在各块体中形成有一沟槽，绕组的周边部分固定在该沟槽内。
根据本发明的第四个方面，提供了一种线性电动机，包括：(a)一转子；以及(b)一包括一环形轭的定子，该轭由若干块体组成，各块体构成轭的一部分圆周，各块体包括一中心部分和设置在该中心部分的两侧上的第一和第二外部，中心部分由若干叠片组成，该叠片由一种具有高导磁率的材料制成，第一和第二外部各由一种其导磁率小于中心部分的导磁率、其电阻大于中心部分的电阻的材料制成。
在本发明的较佳模式中，构成轭的各块体的中心部分的诸叠片沿着轭的圆周方向相互叠置。
轭的各块体的中心部分呈四边形棱柱状，并且各第一和第二外部呈三角形棱柱状。
中心部分和第一和第二外部用树脂相互接合在一起。
轭的各块体的第一外部具有一形成在朝向轭的圆周方向的一表面上的凸起，第二外部在一面向轭的圆周方向的表面内形成有一沟槽，该凸起固定在沟槽内，以便将块体相互接合在一起以构成轭。
根据本发明的第五个方面，提供了一种线性电动机，包括：(a)一转子；(b)一包括一环形轭的定子，该轭由若干块体组成，各块体构成轭的一部分圆周，各块体由若干叠片组成，该叠片由一种具有高导磁率的材料制成；以及(c)一环形保持架，该保持架将块体沿着保持架的圆周方向等间距地保持在其一内表面上，该保持架包括一长条件和若干支座，该长条件由一种其导磁率小于轭的导磁率、其电阻大于轭的电阻的材料制成，各支座将其中一块体夹持在其中，并且各支座胶合在所述长条件上。
在本发明的较佳模式中，各支座由一C形件构成，其中一块体设置在其中。
附图说明
通过下文所给出的详细描述以及本发明较佳实施例的附图将更全面地理解本发明，然而，本发明并不受特定实施例的限制，这些实施例只是作说明与理解之用。
在图中：
图1所示为本发明第一实施例的一种线性压缩机；
图2所示为线性压缩机的效率和基准顶端死点中心位置对致冷工作容量的图线；
图3所示为本发明第二实施例的一种线性压缩机的剖视图；
图4所示为本发明第三实施例的一种线性压缩机的剖视图；
图5所示为可使用在第一至第三实施例的线性压缩机中的一种线性电动机的局部剖视图；
图6所示为图5所示线性电动机的一外轭的俯视图；
图7所示为沿着图6中的线VII-VII剖切的纵剖视图；
图8所示为安装在图6和图7所示外轭中的一绕组的制造的立体图；
图9所示为组成图6和图7所示外轭的其中一分离块的立体图；
图10所示为图5所示外轭的一种变化型式的俯视图；
图11是图10的侧视图；
图12所示为图10和图11所示一分离块的立体图；
图13所示为图5所示外轭的第二种变化型式的俯视图；
图14所示为图13所示的其中一分离块的立体图；
图15所示为图13中的一种块体保持架的立体图。
具体实施方式
现在请参阅附图，尤其请参阅图1，图中所示为本发明的一种线性压缩机(也称为振动压缩机)。下面的论述将涉及将该线性压缩机使用在一诸如致冷机之类的致冷系统中的情况，但本发明并不受此限制。
线性压缩机通常包括一密封外壳1和一压缩机机构2。
该压缩机机构2包括一线性电动机3、一缸体4、一柱塞5、一空心块6、一缸盖7和一弹性组件8，并通过悬簧(图中未示出)被支撑在外壳1之中。在外壳1的底部盛有润滑油11。
在块体6中形成有缸体4，柱塞5在该缸体中作往复运动，以便将例如致冷剂从输入口7a吸入到压缩腔9内，并将其从输出口7b输送到一致冷系统内。
电动机3由一环形定子3a和一安装在柱塞5上的转子3b组成。该定子3a安装在块体6的圆周壁内。除电动机3之外，还可采用任何其它已知的、能使柱塞5往复运动的运动机构。
弹性组件8由相互叠置的四个弹性圆盘8a组成，外部和内部的环形分隔件8b和8c设置在相邻的两个弹性圆盘8a之间。在各弹性圆盘8a中形成有例如弧形槽，以便构成弹性臂，并在弹性圆盘的中心处与柱塞5的周边相连，而在一外部边缘处则与空心块6的一内壁相连。
该线性压缩机还包括一柱塞位置传感器14、一A/D转换器15、一顶端死点中心确定电路16、一基准顶端死点中心位置确定电路23、一振荡控制器18和一交流电源17。该振荡控制器18包括一往复运动控制器21和一基本驱动器22。该往复运动控制器21包括一基准顶端死点中心位置存储器19、一放大器20、一比较器25。
柱塞位置传感器14是由一差接变压器来实现的，并由一圆筒形绕组14a和一由永久磁铁制成的铁芯14b组成。圆筒形绕组14a与空心块6的一内端壁相连。铁芯14b与柱塞5的底部相连。铁芯14b(即，柱塞5)的运动使得绕组14a向A/D转换器15输出一以模拟的形式来表示柱塞5的位置的电信号。A/D转换器15将该输入信号转换成为一数字信号，并向顶端死点中心确定电路16输出该数字信号。该顶端死点中心确定电路16监视以来自于A/D转换器15的信号为基础的柱塞5的位置，以便当柱塞5到达顶端死点中心时，向往复运动控制器21输出一顶端死点中心信号。该往复运动控制器21通过比较器25将由顶端死点中心信号所表示的柱塞5的一实际顶端死点中心位置与储存在基准顶端死点中心位置存储器19中的一基准顶端死点中心位置作比较，以便根据该实际顶端死点中心位置与基准顶端死点中心位置之间的差异来改变通过放大器20输出给基本驱动器22的电压信号幅度。该基本驱动器22控制来自于电源17、提供给以输入信号为基础的电动机3的电力供给(即，输出电压)以调节柱塞5的运动，以便将实际顶端死点中心位置与基准顶端死点中心位置之间的差异降至零。
基准顶端死点中心位置确定电路23与一温度传感器70和一运行状态传感器75。该温度传感器70测量环境温度。该运行状态传感器75监视所给的运行状态，比如作为致冷系统(例如，一致冷机)的一致冷腔中的温度的函数的致冷系统所需的热负载(即，致冷需要量)。
基准顶端死点中心位置确定电路23根据由温度传感器70所测量到的环境温度以及由运行状态传感器75所监视到的致冷系统的运行状态修改储存在存储器19中的基准顶端死点中心位置。
在运行中，当接通电源17时，电动机3的转子3b被激励，并且如图所示，在一水平方向内与柱塞5一起被吸引，挤压弹性组件8。该弹性组件8产生一反作用力，以便将柱塞5往反方向移动，由此引起柱塞5振荡，交替地增加和减小压缩腔9的体积。
如上所述，振荡控制器18调节从电源17输出至电动机的输出电压，以便可将由柱塞位置传感器14所监视的实际顶端死点中心位置与储存在存储器19内的基准顶端死点中心位置之间的差异降为零。由此，柱塞5的顶端间隙(即，介于位于顶端死点中心处的柱塞5的头部与缸盖7的一内壁之间的空隙)保持不变。
当由温度传感器70及运行状态传感器75所监视的环境温度和/或所需的热负载降低时，将使得所需的线性压缩机的致冷工作容量变小。基准顶端死点中心位置确定电路23通过利用一以所监视的环境温度与致冷系统的热负载为基础的图所进行的查找来选择一个基准顶端死点中心位置，并修改此时储存在往复运动控制器21的存储器19中的基准顶端死点中心位置，以便增加柱塞5的顶端间隙。增加柱塞5的顶端间隙使得线性压缩机的致冷工作容量变小，从而避免了线性压缩机的过量的压缩工作容量(即，致冷系统的工作容量)。
该线性压缩机还可包括一安装在致冷机的操纵面板内的快速致冷手动开关(图中未示出)。当一操纵者闭合该快速致冷手动开关时，基准顶端死点中心位置确定电路23修改储存在存储器19内的基准顶端死点中心位置，以便减小柱塞5的顶端间隙，从而不管来自于温度传感器70和运行状态传感器75的输出而提高致冷工作容量。
图2所示为由本申请的发明者所作的实验的结果，示出了为增加柱塞5的顶端间隙而在基准顶端死点中心位置中所作的变化使得线性压缩机的致冷工作容量变小，但是在柱塞5的顶端间隙的体积与缸体4的体积之比达到10％之前，线性压缩机的效率几乎不变。尤其，当柱塞5的顶端间隙的体积与缸体4的体积之比在10％的范围之中时，致冷工作容量根据环境和致冷条件可大约减小一半，而线性压缩机以及整个致冷系统的效率却没有下降。
图3所示为本发明第二实施例的一种线性压缩机。与图1中相同的标号表示相同的部分，这里就不再对这些相同部分作详细说明了。
该线性压缩机包括一环形定子移动基座27、一压力控制系统25和一控制器100。
该定子移动基座27将电动机3的定子3a刚性地固定在该基座的一内壁上，并且该基座被设置在一形成在空心块6的圆周壁内的环形腔50之中。该环形腔50具有分别形成在环形腔50的末端与定子移动基座27的末端之间的第一和第二后压腔28a和28b。
压力控制系统25包括压力控制阀25a、25b、25c和25d、连接管25e、25f、25g和25h以及压力管25i和25j。连接管25e和25f将一引到压缩机机构2的输入口7a的吸入管24分别与一压力控制阀25a和25b相连。连接管25g和25h将一引到压缩机机构2的输出口7b的输出管10分别与一压力控制阀25c和25d相连。压力管25i通过一延伸穿过外壳1的后压管26b将压力控制阀25a和25c与后压腔28b相连。压力管25j通过一延伸穿过外壳1的后压管26a将压力控制阀25b和25d与后压腔28a相连。例如，各压力控制阀25a至25d可为由控制器100操纵的电磁阀。
该实施例的线性压缩机还包括测量环境温度的温度传感器70和测量输出管10之中的致冷剂的压力的压力传感器77，这两个传感器都与控制器100相连。
当环境温度和/或从压缩机机构2的输出口7b所输出的致冷剂的压力减小时，如图所示，会使柱塞5向左移过顶端死点中心，以便该柱塞可与缸盖7的内壁相撞。因此，当来自于温度传感器70或者压力传感器77的输出、或者来自于以上两者的输出超过所给的下限值时，控制器100打开压力控制阀25a和25d，同时闭合压力控制阀25b和25c，以便后压腔28a与输出口7b之间、以及后压腔28b与压缩机机构2的输入口7a之间相通。于是，后压腔28a的内部压力增加，同时后压腔28b的压力减小，从而将定子移动基座27向右推移，如图所示，以便以离开缸盖7的方向移动柱塞5的振荡中心。这样避免了将会引起不想要的机械噪音、并造成柱塞5损坏的柱塞5与缸盖7的内壁间的冲撞。
图4所示为本发明第三实施例的一种线性压缩机，它与图3所示的线性压缩机的不同之处仅仅在于，在一安装在空心块6的一内壁上的支座45与线性电动机3的定子3a之间设置着一螺旋弹簧29，它将形成一弹簧压力以保持定子3a，阻止其左移，请参阅附图。其它的设置是相同的，这里就不再对这些部分作详细介绍了。
当关掉图3所示第二实施例的线性压缩机时，如图所示，线性电动机3可被停止运动，其中定子3a向左移离想要的柱塞5的振荡中心。当将线性压缩机从此状态启动时，可使得柱塞5越过顶端死点中心，并与缸块7的内壁相撞。如上所述，当关掉线性压缩机之后，后压腔28a和28b中的压力平衡时，该实施例的螺旋弹簧29将定子3a固定在一想要的位置内(例如，想要的柱塞5的振荡中心)，从而避免了在立即启动该线性压缩机之后，柱塞5与缸块7的内壁相撞。
除螺旋弹簧29之外，还可采用诸如橡胶之类的弹性件。
图5所示为一种可使用在上述实施例中的线性电动机3。
该线性电动机3基本上由一定子3a和一转子3b组成。该定子3a包括一环形内轭101、一环形外轭104和一绕组106。内轭101和外轭104安装在空心块6上，如图1所示。外轭104具有两个磁极102和103。转子3b包括一圆筒形永久磁铁107，柱塞5穿过该磁铁的底部。
如图6所示，外轭104包括若干分离块104a、104b、104c和104d，它们的端面114a、114b、114c和114d相互胶合或者焊接在一起。如图7和图9所示，在各块体104a至104d的内壁中形成有一沟槽113，绕组106安装在该沟槽中。
外轭104可由至少两个分离块形成。
在绕组106和外轭104的制造中，如图8所示，首先，围绕一线轴150沿径向方向向外拉紧和高密度卷绕金属丝来制造绕组106。然后，将线轴150从绕组106中抽出，并将该绕组安装到外轭104的块体104a至104d的沟槽113内。最后，将块体104a至104d相互胶合或者焊接在一起，以便形成外轭104。
绕组106可被浸渍一种用于防止其变形并给予保护的树脂液。
在传统的线性电动机中，定子通常是通过在单件式环形外轭的内壁中的一沟槽内沿径向向内地卷绕金属线来进行制造的。因此，很难以高张力卷绕金属丝。与此相反，如上所述，该实施例的定子3a是通过将绕组106安装在块体104a至104d的沟槽113中并连接块体104a至104d以构成外轭104来进行制造的，其中绕组106沿径向向外地在高张力之下卷绕金属丝来形成的。因此，该实施例的绕组106与传统的线性电动机相比具有更高的空间系数和单位体积有更多的圈数。这样减小了与流经绕组的电流的平方成正比的铜耗，从而大大提高了线性电动机3的效率。
图10、11和12所示为使用在线性电动机3内的外轭104的第一种变化型式。
该实施例的外轭104包括十二个形状大小相同的扇形分离块104a。各分离块104a由一中心部分80和第一及第二外部90和101构成。该中心部分80是由四边形棱柱状诸叠片70构成的，这些叠片由一种具有高导磁率的材料所制成。第一和第二外部90和101各由一三角形棱柱状件构成，该棱柱状件是由例如其导磁率小于中心部分80的导磁率、并且其电阻大于中心部分80的电阻的树脂制成的。各块体104是通过将中心部分80夹在第一和第二部分90和101之间、并向它们浸渍树脂来进行制造的。
如图10和图12所示，在各第一外部90中形成有一圆形凹槽或者沟槽210。在图12中可以清楚地看到，在各第二外部101中形成有一圆柱形凸起220。外轭104的组装是通过将各第二外部101的圆柱形凸起沿一轴向方向插入到其中一第一外部90的圆形沟槽210之中以连接所有的块体104a来实现的。
在组装外轭104之前，可先加工各块体104的表面。或者在组装之后加工外轭104的表面。
一线性电动机的涡流损耗通常与一轭的厚度的平方成正比，但是通过如本实施例中所示的，外轭104的中心部分80由具有高导磁率的叠片70组成，这将大大地提高线性电动机3的效率，因此在该实施例中可以大大地减小涡流损耗。
如上所述，各块体104在中心部分80的两侧上设置有各具有低导磁率和高电阻的第一和第二外部90和101，从而减小了从各块体104的中心部分70泄露至相邻部分的磁通，由此减少了铜耗。
该实施例的外轭104没有绕组106，但需要时也可具有。
图5所示的内轭101可由上述的方式进行制造。
图13、14和15所示为使用在线性电动机3中的外轭104的第二种变化型式。
该实施例的外轭104包括十二个分离块215和一环形块体保持架216。在图14中可以清楚地看到，各块体215由四边形棱柱状叠片217构成，这些叠片由一种具有高导磁率的材料所制成。在图15中可以清楚地看到，块体保持架216由一长条件219和十二个C形支座218组成。该长条件219是柔性的，并例如由其导磁率小于块体215的导磁率、并且其电阻大于块体215的电阻的树脂制成。这样避免了磁通通过长条件219在相邻的两个块体215之间流动，从而减小铜耗。
C形支架218等间距地胶合在长条件219的内表面上，如图13所示，沿着圆周方向在其中夹持块体215，块体间具有相等的间隙220。在相邻的两个块体215之间形成间隙220增加了外轭104的表面积，从而便于冷却该线性电动机3。
该实施例的外轭104没有绕组106，但需要时也可具有。
图5所示的内轭101可由上述的方式进行制造。
为了便于更好地理解本发明而根据较佳实施例揭示了本发明，应当理解的是，在不脱离本发明原理的情况下，本发明可用多种途径来实现。因此，本发明应当被认为包含着所有可能的实施例以及所示实施例的变化型式，这些变化型式是在不脱离下列所附权项中所罗列出的本发明原理的情况下来体现的。

Claims (7)

1.一种线性电动机，包括：
一转子；以及
一包括一环形轭的定子，所述轭由若干块体组成，各块体构成所述轭的一部分圆周，各所述块体包括一中心部分和设置在所述中心部分的两侧上的第一和第二外部，所述中心部分由若干叠片组成，所述若干叠片由一种具有高导磁率的材料制成，所述第一和第二外部各由一种其导磁率小于中心部分的导磁率、其电阻大于中心部分的电阻的材料制成。
2.如权利要求1所述的线性电动机，其特征在于，构成所述轭的各块体的中心部分的所述诸叠片沿着所述轭的圆周方向相互叠置。
3.如权利要求2所述的线性电动机，其特征在于，所述轭的各块体的中心部分呈四边形棱柱状，并且所述各第一和第二外部呈三角形棱柱状。
4.如权利要求1所述的线性电动机，其特征在于，所述中心部分和所述第一和第二外部用树脂相互接合在一起。
5.如权利要求1所述的线性电动机，其特征在于，所述轭的各块体的第一外部具有一形成在一朝向所述轭的圆周方向的表面上的凸起，所述第二外部在一面向所述轭的圆周方向的表面内形成有一沟槽，所述凸起固定在所述构沟槽内，以便将所述块体相互接合在一起以构成轭。
6.一种线性电动机，包括：
一转子；
一包括一环形轭的定子，所述轭由若干块体组成，各块体构成所述轭的一部分圆周，各块体由若干叠片组成，所述叠片由一种具有高导磁率的材料制成；以及
一环形保持架，所述保持架将所述块体沿着保持架的圆周方向等间距地保持在其一内表面上，所述保持架包括一长条件和若干支座，所述长条件由一种其导磁率小于所述轭的导磁率、其电阻大于所述轭的电阻的材料制成，各支座将其中一块体夹持在其中，并且所述各支座胶合在所述长条件上。
7.如权利要求6所述的线性电动机，其特征在于，所述各支座由一C形件构成，其中一块体设置在其中。
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