CN1773112A - 动磁式直线压缩机 - Google Patents

Abstract

一种动磁式直线压缩机，包括一直线电机组件，其主要有同心组合结构的内外磁轭、动磁线圈、永磁体和电机动子托架，永磁体位于电机动子托架上并处于由内外磁轭构成的磁场中；一压缩机组件，其主要有相联结的机座、气缸、位于机座上的排气阀和吸气阀、以及与电机动子相联结的活塞，气缸与活塞之间有一间隔，机座还分别与内外磁轭连接；以及一机壳，其与机座密封联结，特点是：a.还有一悬挂组件，其主要有与机座连接的弹簧支架、安装于弹簧支架与电机动子托架上的柔性弹簧、内外垫圈、以及装设在电机动子托架与内磁轭之间防止活塞与气缸相撞的防撞缸机架构；b.永磁体采用减少偏心磁力的多片形结构；c.该励磁线圈固定在外磁轭所形成的凹槽内。

Description

动磁式直线压缩机

技术领域：

本发明涉及一种直线压缩机，属于机械工程中压缩机领域。

背景技术：

压缩式制冷循环是制冷的主要方式之一，在冰箱、冷冻冷藏及空调及低温工程领域中都有着广泛的应用，因此压缩机被比作制冷空调系统的心脏。制冷与空调压缩机工作时要消耗大量的电能，其用电量大约占居民全部用电量的一半以上。因此，节能永远是制冷空调行业永恒的课题。在2003年，中国的冰箱市场全面执行新的能效标准，更说明节能研究的紧迫性。传统的冰箱压缩机大多是由旋转电机驱动的往复活塞式压缩机(RMC)，它在近几年得到了较快发展，性能指标得到了很大的提高。由于其结构所限，这种压缩机性能的提高将十分困难，因此有必要研究开发一种新型的压缩机取而代之。而目前的低温制冷机广泛地采用了直线压缩机作为压力波发生器，如直线压缩机驱动的脉冲管制冷机、斯特林制冷机等。直线压缩机由于不存在将电动机的旋转运动转变为活塞直线往复运动的转换机构，由直线电机直接驱动活塞运动，其行程及止点由程序或电磁力来控制，从而可使压缩机的结构紧凑，效率高、寿命长。

直线压缩机根据结构的不同分为动磁、动圈和动铁式三种结构形式。动铁式直线电机压缩机由于动子的的质量大，较少用于中高频直线振荡电机中。目前，斯特林制冷机多采用动圈式直线振荡电机，它产生的平均推力小，而且由于电机的动子在工质中往复运动、动子线圈的导线易短路和断路，并且电流产生的焦耳热也很难散出，由上述结构特点动圈式直线电机不宜用于中大冷量的斯特林制冷机中；动磁式直线振荡电机不仅结构简单、损耗小、寿命长，控制电路也不复杂，容易对振荡的频率和振幅实现控制，而且随着NdFeB等具有高磁通量新型永磁材料的出现，动磁式电动机在少量磁铁下就能产生足够的动力，因此相对于其它电动机来说，其运动部件的质量要轻的多。较小的运动部件质量就意味着容易设计满足线性压缩机的谐振弹簧。因此，应用动磁式直线振荡电动机是高性能电动机的主要方向。

经文献检索发现，中国发明专利申请公开号：1330223A，名称为：直线压缩机，该发明自述为：直线压缩机包括一个具有法兰和圆筒形部的汽缸由一个承机构支承在气密容器内，一个沿着轴向可移动地支承在圆筒形部内的活塞，一个将轴向力施加给活塞的弹簧件，和一个直线电动机，其定子固定在气缸的法兰上并设置在圆筒部外周的周围，其移动件则与活塞连接，其特征在于定子和圆筒形部之间形成一个空间。该发明虽然利用动磁式直线电机与活塞相连形成了直线压缩机，但是由于电机采用了将励磁线圈置于电机内磁轭上，由于动磁式电机一般采用大励磁电流，从而电流的发热量也非常大，采用这种布置，由于封闭壳体内的对流很弱，电机热只能通过面积有限的机座散出，从而使得整个压缩机面临温升过快的危险。其次，其结构中活塞与弹簧采用了类似于悬臂的结构，这种结构很难克服由于电机侧向力及重力对活塞的影响，从而引起活塞与气缸的侧向磨损。

公开号为1585857A，名称为“直线压缩机”的专利申请，自述为：本发明涉及的直线压缩机，由缸体、活塞、缸体端面、构成直线电动机部分的可动部分及固定部分、螺旋弹簧、端盖部分、支承机构部分、密闭容器等构成。缸体内形成有进行气体压缩的压缩室。弹簧机构构件的弹簧构件由具有一定弹簧刚性的螺旋弹簧构成。在螺旋弹簧被最大压缩时，通过确保活塞的端面和上述缸体端面之间存在间隙，可以限制直线压缩机的活塞的振幅。该发明采用了动磁式直线电机驱动压缩机，但是由于螺旋弹簧的径向刚度几乎为零，侧向力必然会引起气缸与活塞的侧向磨损，从而缩短压缩机的使用寿命；利用螺旋弹簧被最大压缩时的位置来防止活塞与缸体之间的碰撞这一方案在实际运行中存在问题，首先弹簧处于最大压缩位置时，螺旋弹簧钢丝会发生接触，从而会在运行时产生噪音和引起损坏。其次，弹簧处于最大压缩状态时刚度最大，在最大形变区间内刚度的非线性强，而这种非线性性对电机稳定运行是不利的。

发明内容：

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出了一种新型结构的直线压缩机，通过采用多片形结构永磁体、长臂悬挂柔性弹簧结构和采用新型型线的柔性弹簧，减弱了活塞与气缸壁的摩擦。通过将励磁线圈安装在外层磁轭中，从而有利于电机散热，减小了永磁体由于温度过高引起的退磁风险。采用新型的结构形式，通过装配关系来保证压缩过程中活塞与气缸不发生碰撞。整个压缩机零件少，装配简单。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一种动磁式直线压缩机，包括一直线电机组件，其主要具有同心组合结构的内、外磁轭、励磁线圈、永磁体和电机动子托架，永磁体位于电机动子托架上并处于由内外磁轭构成的磁场中；一压缩机组件，其主要有相联结的机座、气缸、安装在机座上的排气阀程度气阀、以及与电机动子托架相联结的活塞，其中，气缸与活塞之间形成一定间隔，机座还分别与内、外磁轭联结；以及一机壳，其通过螺栓固定于机座上，并具密封联结，特点是：a.还有一悬挂组件，其主要有与机座相联结的弹簧支架、安装于弹簧支架与电机动子托架上的柔性弹簧、内、外垫圈、以及装置在电机动子托架与内磁轭之间防止活塞与气缸相撞的防撞缸机构；b.该永磁体采用减少偏心磁力的多片形结构；c.该励磁线圈呈环状，固定在外磁轭所形成的凹槽内。

进一步，所述的永磁体为多块平行取向的扇形永磁体拼接成的准辐射永磁路结构，永磁体由铷铁硼磁体制成，所说的铷铁硼磁体为拼块的准辐射取向的永磁体环，所说的铷铁硼磁体接块镶嵌在电机动子托架上；

所述的压缩机组件中的机座和气缸为一体结构，以提高气缸的刚度；

所述的悬挂组件中采用单边弹簧布置结构，并将多片柔性弹簧分成分层布置，以前排弹簧作为支点，由后排弹簧提供力矩保持活塞位于中心位置；

更具体地，所述柔性弹簧为圆渐开式涡旋线型柔性弹簧；

所述的防撞缸机构系为设置在电机动子托架与内磁轭可能接触的平面上的粘贴橡胶防撞片。

如上所述，本发明的动磁式直线压缩机的运行过程是当励磁线圈通入交流电时，在内外磁轭及气隙间形成交变磁场，动子永磁体受交变的电磁力的作用，带动活塞与柔性弹簧一起形成往复的压缩与膨胀过程，对气缸内的气体形成交替的压缩与膨胀过程。

本发明的优点是：1、关于永磁体，其采用多片形结构，从而减少了偏心磁力；采用铷铁硼作为制造材料，并且用多块平行取向的扇形永磁体拼接成准辐射取向的永磁路结构，因此，能较好地发挥铷铁硼材料高矫顽力的特点，既可节省材料，也能避免由于退磁循环进入或低于M-H曲线膝点时所产生的不可逆磁损失；2、由于采用柔性弹簧悬挂结构，能提供大力矩而减少了偏心力的影响，也更由于将多片弹簧分为多层布置，从而，可以利用前排弹簧作为支点和利用后排弹簧片的径向力的作用，使活塞保持在中心位置；3、由于使用柔性弹簧，易于提供高的弹簧刚度；4、由于设置压缩机防撞缸装置，保证在满压缩行程时，活塞头不与气缸发生磁撞。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的一个实施例示意图。

图3是本发明中的永磁体磁片布图。

图4是本发明中的弹簧悬挂组件图。

图5是本发明中的柔性弹簧剖面示意图。

图6是本发明中的压缩机防撞缸机构示意图。

具体实施方式：

下面根据图1～图6给出本发明一个较好实施例，并予以详细描述，以使能更好地说明本发明的结构特征和功能特点，而不是用限定本发明的保护范围。

参阅图1和图2，本发明动磁式直线压缩机包括：直线电机组件1、压缩机组件2、悬挂组件3和机壳4。

直线电机组件1包括：外磁轭10、内磁轭11、励磁线圈12、永磁体13、电机动子托架14。外磁轭10、内磁轭11均通过螺钉固定在机座20上，励磁线圈12绕制成环状固定于外磁轭10形成的凹槽中，永磁体13采用径向充磁，空间采用六片或八片分块粘接在电机动子托架14上，处于外磁轭10、内磁轭11构成的磁场中。如图3所示，电机动子托架14由铝合金加工成筒状，一端通过螺栓与悬挂组件3联接。根据磁路计算得到的磁片厚度和宽度，在该托架14上加工出若干凹槽，用于固定永磁体13。片状的永磁体13通过径向充磁后，分别粘贴在电机动子托架14上，安装时，永磁体13分别与外磁轭10一一对应，共同与内磁轭11形成完整的磁路。电机动子托架14、外磁轭10、内磁轭11、励磁线圈12、永磁体13保持同心。压缩机组件2包括机座20、气缸21、排气阀22、吸气阀23、活塞24。机座20与气缸21加工成一体，保证气缸21有足够的刚度。排气阀22、吸气阀23安装于机座20上。活塞24与电机动子托架14通过螺钉相连，同时，加工时需保证与气缸21之间形成一定的间隙。悬挂组件3主要由弹簧支架30、柔性弹簧31、外垫圈32、内垫圈33、防撞片34组成。弹簧支架30通过螺钉与机座20相连，多片柔性弹簧31相迭、柔性弹簧31之间垫入外垫圈32、内垫圈33使形成一定的间距。柔性弹簧31利用圆的渐开线形成如图5所示。首先根据设计需要的刚度决定所需要的渐开线型线的几何参数，包括渐开角、基圆半径、渐开线起始角，柔性弹簧片厚度等。然后由得到的型线，利用电火花切割或化学蚀刻的方法在不锈钢或是其它金属平板上加工出涡旋槽，最后根据与电机动子托架14和弹簧支架30接口的尺寸加工出通孔用于螺栓固定。多片柔性弹簧31、外垫圈32、内垫圈22通过螺钉固定到弹簧支架30上。弹簧支架30的长度根据所需要的柔性弹簧31的片数放一定的余量，将加工得到的柔性弹簧31中间加上外垫圈32、内垫圈33通过长螺栓固定于弹簧支架30上，柔性弹簧31与电机动子托架14也用同样的方法固定，所用的内、外垫圈的数量与厚度都应该一一对应，从而保证柔性弹簧31不发生形变引起活塞24平衡位置的改变。通过合理的设计各个零件的几何尺寸，可以保证形成如图6所示的防撞缸机构，防止活塞24与气缸21相撞。具体的是要保证电机动子托架14与内磁轭11之间形成的间隙的距离在平衡位置时等于活塞24的压缩行程。在电机动子托架14与内磁轭11可能发生接触的部位，粘贴橡胶防撞片，以减弱当撞缸发生时，电机动子托架14对内磁轭11的冲击，避免由于冲击引起的零件的变形。机壳4通过螺栓固定于机座20上，两者之间必须保证密封，而且机壳4必须能承受一定的压力。

本实施例的优点是：1.永磁体13采用多片形结构，减少偏心磁力。由于动磁式直线电机使用的永磁体存在于循环退磁的动态情况下，因此应选择具有直线性退磁曲线的高矫顽力材料，以避免由于退磁循环进入或低于(M-H)曲线膝点时所产生的不可逆磁损失。显然具有高矫顽力的铷铁硼是较为理想的材料。与动圈式直线电机的整体式磁钢不同，本实施例中的铷铁硼磁体是拼块的准辐射取向的永磁体环，因此它是一种用多块平行取向的扇形永磁体拼接成的准辐射取向的永磁磁路结构。这种结构能较好地发挥铷铁硼材料高矫顽力的特点，可节省材料。由于永磁体加工工艺的原因，整体式的圆环型结构制造困难，成本高，与电机动子的联接困难。使用这种拼块结构的铷铁硼磁体片可以被镶嵌在高强度的电机动子机架14上，随电机动子托架14一起往复运动。当采用整体式磁钢时，一旦发生充磁不均，电机通电后产生侧向力，而采用了分布结构后，当各个磁钢的充磁不均时，各片磁钢产生的侧向力在空间合成，相互抵消，从而减轻了由于磁体充磁不均产生的侧向力的影响；2.采用了柔性弹簧悬挂技术，提供大的力矩，从而减小偏心力的影响。本实施例采用如图4所示的单边弹簧布置结构，使得压缩机的结构变得更加紧凑，但为了避免这种结构引起的活塞体支撑问题，便将多片弹簧分为多层布置，这样，就可以利用前排弹簧做为支点，后排的弹簧片径向力则会提供一个力矩，从而克服因为活塞24偏离中心而产生的力矩，将活塞24保持在中心位置。但是前排弹簧的厚度必需足够大，也就是前排弹簧必需采用厚度大的柔性弹簧。这种结构方式通过实验发现对同样的三片厚度为0.29mm的弹簧，在离第一片弹簧7mm处施加平行于弹簧的力，当弹簧之间无间隙安装时，其刚度约为0.5N/mm，当弹簧间距为2mm时，其刚度约为2.5N/mm，当间距3mm时，其刚度约为3N/mm。可见采用这种结构，可以提供较大的力矩来克服侧向力产生的力矩；3.本实施例使用了柔性弹簧31。柔性弹簧31的型线对其性能的影响至关重要，为了提高弹簧的刚度，采用了如图5所示涡旋线柔性弹簧。由图5中可知，弹簧臂的宽度与其径向刚度有直接关系，在满足轴向刚度和运动行程的要求下，设计的弹簧的径向刚度应该尽量大；4.本实施例使用了压缩机防撞缸装置(如图6所示)。通过合理地设计活塞31、电机动子托架14及气缸21的长度，在电机动子托架14与气缸21间形成与活塞31压缩行程相同的间隙，从而保证在满压缩行程时，活塞31的头部不与气缸21发生碰撞。在电机动子托架14与内磁轭11可能接触的平面上，粘贴橡胶防撞片，对冲击起到减弱和缓冲作用。

Claims (9)

1、一种动磁式直线压缩机，包括：

直线电机组件(1)，其主要具有同心组合结构的外磁轭(10)、内磁轭(11)、励磁线圈(12)、永磁体(13)和电机动子托架(14)，永磁体(13)位于电机动子托架(14)上并处于由内、外磁轭(11，10)构成的磁场中；

压缩机组件(2)，其主要有相联结的机座(20)、气缸(21)、安装在机座(20)上的排气阀(22)和吸气阀(23)、以及与电机动子托架(14)相连接的活塞(24)，气缸(21)与活塞(24)之间形成一间隔，机座(20)还分别与内、外磁轭(11，10)联结；以及

机壳(4)，其通过螺栓固定于机座(20)，特征在于：

c.还有悬挂组件(3)，其主要有与机座(20)联结的弹簧支架(30)和安装于弹簧支架(30)与电机动子托架(14)上的柔性弹簧(31)，外垫圈(32)和内垫圈(33)，以及装设在电机动子托架(14)与内磁轭(11)之间防止活塞(24)与气缸(21)相撞的防撞缸机构(34)；

b.该永磁体(13)采用减少偏心磁力的多片形结构；

c.该励磁线圈呈环状固定在外磁轭(10)所形成的凹槽内。

2、根据权利要求1所述的动磁式直线压缩机，其特征在于，永久磁体(13)为多块平行取向的扇形永磁体拼接成的准辐射永磁路结构。

3、根据权利要求1或2所述的动磁式直线压缩机，其特征在于，该永磁体(13)由铷铁硼磁体制成。

4、根据权利要求3所述的动磁式直线压缩机，其特征在于，所述的铷铁硼磁体是拼块的准辐射取向的永磁体环。

5、根据权利要求4所述的动磁式直线压缩机，其特征在于，所述的铷铁硼磁体拼块镶嵌在电机动子托架(14)上。

6、根据权利要求1所述的动磁式直线压缩机，其特征在于，压缩机组件(2)中的机座(20)和气缸(21)为一体结构。

7、根据权利要求1所述的动磁式直线压缩机，其特征在于，悬挂组件(3)中采用单边弹簧布置结构，并将多片柔性弹簧(31)分为分层布置，以前排弹簧作为支点，后排弹簧提供力矩保持活塞(21)位于中心位置。

8、根据权利要求1或7所述的动磁式直线压缩机，其特征在于，所述柔性弹簧为圆渐开式涡旋线型柔性弹簧。

9、根据权利要求1所述的动磁式直线压缩机，其特征在于，所述的防撞缸机构(34)系为装设在电机动子托架(14)与内磁轭(11)可能接触的平面上的粘贴橡胶防撞片。

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