CN1805253A - 线性电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供线性电机的改进的设计以及改进的控制策略。该设计允许缩短的定子，其中将电枢磁铁控制成往复运动到比等效传统线性电机大的最大位移。控制策略使得需要最少的外部传感器。线性电机是在保证可选地高效操作的共振频率上驱动的。根据与共振频率及进入压缩机的蒸气的蒸发温度/压力的关系确定最大电流。然后限制电流来控制最大位移以避免损坏。

Description

线性电机

本申请是申请日为2000年6月21日，申请号为00809278.8，发明名称为“线性电机及其驱动和控制方法”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及包含用于蒸气压缩系统的自由活塞压缩机(也称作摆动与线性压缩机)的紧凑线性电机，并具体地涉及防止由于环境温度或操作条件的改变而导致的压缩水平的有害改变所引起的故障或破坏的控制系统。

背景技术

诸如冰箱压缩机等压缩机传统上是用旋转式电机驱动的。然而，即使在它们的最高效形式中，也存在着与将转动转换成直线往复运动的曲柄系统关联的重大损失。作为替代可采用无需曲柄的旋转式压缩机，但又存在着高向心负荷而导致重大的摩擦损失。用线性电机驱动的线性压缩机不会有这些损失，并能设计成带有充分低的轴承负载而允许采用美国专利5,525,845中所公开的空气静力学气体轴承。

线性往复电机避免了使用具有由旋转式电机驱动的压缩器机的特征并产生需要用油润滑的高侧向力的曲柄机构。这种电机在美国4,602,174中描述，美国专利4,602,174公开了在往复质量与电效率两方面都极为高效的线性电机设计。这一设计在电机与利用斯特林循环的振荡器中使用得非常成功。然而，在为家用冰箱设计的压缩机的情况中，US 4,602,174中的设计有些太大并比这一市场中所希望的昂贵。

自由活塞压缩机的活塞与作为共振系统的弹簧一起振动并且除了与通常作为气缸头组件的部件的静止部件的碰撞之外的对振动幅度没有固有的限制。活塞将占据依赖于气体力与输入电功率的一平均位置与幅度。因此对于任何给定的输入电功率，随着蒸发或凝固压力降低，振动的幅度增加直到出现碰撞。因此必须限制作为这些压力的函数的功率。

希望在机械系统的固有频率上用最大效率来操作自由活塞制冷压缩机。这一频率是机械系统的弹簧常数与质量并且也由气体的弹性系数决定的。在制冷的情况中，气体的弹性系数随蒸发与凝固压力两者的增加而增加。结果固有频率也增加。因此对于最佳操作，需要改变驱动压缩机的电力系统的频率来与随操作条件改变的机械系统的频率匹配。

将作用在压缩电机绕组上的电压与机械系统频率同步的方法是众所周知的。对于用在自由活塞压缩机中的永磁铁电机，在电机绕组中感生与活塞速度成正比的反电动势(反EMF)，如图8a中所示。图8b中示出该电机的等效电路，为了驱动压缩机，与交变EMF(αγ)同步作用交变电压(V)。US 4,320,488(Okada等人)公开了用来通过检测电机反EMF的零交叉来确定施加电压的定时的方法。控制对电机绕组的电压施加以使得EMF与零电平交叉时的电流为零来允许反EMF零交叉检测。

已利用各种方法来限制振动幅度，其中包含次级气体弹簧、活塞位置检测、根据电流与施加电压的活塞位置计算(US 5,496,153)测定环境与/或蒸发温度(US 4,179,899、US 4,283,920)。这些方法的每一种需要额外传感器的费用或具有一定的性能限制。

发明内容

本发明的目的为提供以一定方式克服上缺点或至少向公众提供有用的选择的一种紧凑线性电机。

从而第一方面，可将本发明说成在于一种用于驱动往复负载的线性电机，其特征在于，该线性电机包括：定子，其具有带至少一个空气间隙的磁导核心及用于在所述定子与所述至少一个空气间隙中产生非恒定磁通量的装置；具有支承至少一个永磁铁的结构的电枢，该永磁铁的至少一部分位于所述至少一个空气间隙的至少一个中，使得所述至少一个永磁铁的磁场与所述至少一个空气间隙中的所述非恒定的磁通量的交互作用在所述电枢上产生一个力，使用中的所述电枢连接在所述负载上并从而相对于所述定子往复运动；以及激励装置，用于控制产生交变磁通量的所述装置，使得在所述电枢的往复运动期间所述至少一个永磁铁的至少一端越出存在于所述至少一个空气间隙的至少一个内的基本上均匀的磁通量密度区。

第二方面，可将本发明说成在于采用其特征为压缩机与压缩机为线性器件的压缩机的冰箱，所述电机包括：具有带至少一个空气间隙的透磁核心的定子及用于在所述定子与所述至少一个空气间隙中产生非恒定的磁通量的装置；具有支承至少一个永磁铁的结构的电枢，该永磁铁的至少实质部分位于所述至少一个空气间隙的至少一个中，使得所述至少一个永磁铁的磁场与所述至少一个空气间隙中所述非恒定磁通量的交互作用在所述电柜上产生一个力，所述电枢在使用中是连接在所述负载上的并从而相对于所述定子往复运动；以及用于控制产生交变磁通量的所述装置的激励装置，使得在所述电柜的往复运动的一部分期间所述至少一个永磁铁的至少一端越出存在于所述至少一个空气间隙的所述至少一个中的基本上均匀的磁通量密度的区的外部。

第三方面，可将本发明说成在于一种蒸气压缩机，包括：活塞；气缸；其特征在于，所述活塞在所述气缸内往复运动，活塞、弹簧与所述蒸气的压力组成的振动系统具有随蒸气压力变化的固有频率；可驱动地耦合在所述活塞上的，具有至少一个绕组的线性无刷DC电机；DC电源；换向装置，用于从所述DC电源上电子换向所述至少一个绕组以便提供电流供应给所述至少一个绕组来往复运动所述活塞；共振驱动装置，起动所述至少一个绕组的换向以便借此在所述振动系统的共振频率上驱动所述活塞，电流控制装置，确定所述换向装置所供应的所述电流供给的量，所述确定的电流量是与所述共振频率相关的，以及起动所述至少一个绕组的换向以便借此限制所述活塞的往复运动的幅度。

“进入压缩机的蒸气的蒸发温度”在本说明书中也称作“蒸发器温度”。同时“共振频率”也称作“固有频率”。

对于熟悉与本发明相关的技术的人员，结构上的许多改变及本发明的广泛的不同实施例与应用是不言自明的，而不脱离所附权利要求中所定义的发明范围。这里的公开与描述纯粹是示例性的并无任何限定的意义。

附图说明

图1为按照本发明的线性压缩机的剖面图；

图2为隔离的本发明的双线圈线性电机的剖面图；

图3为单线圈线性电机的剖面图；

图4为单窗口先有技术线性电机与按照本发明的短定子线性电机的之间的比较；

图5为由本发明的单线圈线性电机中的线圈电流发生的磁通量的示意图；

图6为本发明的较佳实施例的电机常数对磁铁位置的曲线；

图7为带有部分地成角度的磁极面的单线圈线性电机的剖面图；

图8a示出自由活塞压缩机电机的电机活塞位移及反EMF波形；

图8b示出这一电机的等效电路；

图9示出用于电子换向单相自由活塞电机的电流换向器(inverter)；

图10示出本发明的电机的作为频率与蒸发温度的函数的最大电机电流的曲线；

图11为电机控制电路的框图；

图12为RMS电机电流对电机绕组电流衰减时间的曲线；

图13为电机控制定时程序的流程图；

图14为使用蒸发器温度与冲程时间数据的换向时间确定的流程图；以及

图15示出电机活塞位移及电机电流波形。

具体实施方式

本发明提供带有对先有技术的若干改进的控制线性电机的方法。首先，它与US 4602174k中所描述的类型的传统线性电机相比具有减小的尺寸并从而降低了成本。这一改变以高功率输出上的略为降低的效率为代价保持在低到中等功率输出上的高效率。这是在大多数时间上在低到中等功率输出上工作而在小于20％时间上在高功率输出上工作(这发生在频繁地装入与取出冰箱内容物的时段中或非常热的日子中)的家用冰箱中的压缩机是可接受的折衷方案。第二，它采用允许最优地高效工作的控制策略，同时不存在对外部传感器的需求，这也降低了尺寸与成本。

虽然在下面的描述中，本发明是对园柱形线性电机描述的，应理解本方法同样适用于一般线性电机并具体地也适用于扁平型线性电机，熟悉本技术的人员无须特殊努力便能将这里所描述的控制策略应用在任何形式的线性电机上。也应理解本发明可用于任何形式的压缩机。虽然它是对自由活塞压缩机描述的，它同样能用于薄膜式压缩机。

图1中所示的本发明的实际实施例包含连接在往复自由活塞压缩机上的永磁铁线性电机。气缸9由压缩机外壳30内的气缸弹簧14支承。活塞11通过弹簧座25由气缸筒加上其弹簧13构成的支承座径向支承。

活塞11在气缸9内的往复运动通过吸筒12、通过进气孔26、通过吸气消音器20及通过吸气阀板21中的吸气阀端口24将气体抽入压缩空间28中。然后压缩的气体通过排气阀端口23离开，在排气消音器19中消音，并通过排气管18排出。

压缩机电机包括一两部分定子5、6及电枢22。产生活塞11的往复运动的力来自电枢22中两块环形径向激励的永磁铁3、4(用凸缘7连接在活塞11上)与空气间隙33中的磁场(由定子6与线圈1、2感生的)的交互作用。

在图1中示出并在图2中隔离的本发明的双线圈实施例具有在线圈1中流动的电流，该电流产生沿定子6的内侧轴向流动，通过端定子齿32径向向外，跨越空气间隙33，然后进入护铁5的磁通量。然后在它径向向内跨越空气间隙33流动并返回到定子6的中央齿34之前轴向流动一段短距离27，第二线圈2产生径向向内通过中央齿34流动轴向跨越空气间隙一段短距离29并向外通过空气间隙33进入端齿35中的磁通量。假定磁铁3的激励具有与另一磁铁4相反的极性，从齿32跨越空气间隙33的磁通量在径向激励的磁铁3、4上感生轴向力。将会理解替代护铁5，在磁铁的相对侧上同样可能具有另一组线圈。

没有必要是正弦形的线圈1与2中的振动电流在磁铁3、4上产生振动力，假定振动频率接近该机械系统的固有频率，该力将给予磁铁与定子实质上相对运动。这一固有频率是由弹簧13、14的刚度及气缸9与定子6的质量确定的。磁铁3、4上的振动力在定子部件上产生反作用力。从而必须用粘合、热压或夹具等将定子6刚性连接在气缸9上。将护铁夹或粘在定子座17上。将定子座17刚性连接在气缸9上。

在图3中所示的本发明的单线圈实施例中，线圈109中的电流产生沿内侧定子110的内侧轴向流动，通过一个齿111径向向外，跨越磁铁间隙112，然后进入护铁115的磁通量。然后在径向向内流动跨越磁铁间隙112及返回到外部齿116中之前，它轴向流动一段短距离。在这一电机中，整个磁铁122在其径向激励中具有相同的极性。

在本发明的较佳实施例中，电枢(齿)面的长度只延伸到磁铁的最大冲程的例如67％(在那里磁铁的边延伸到最大功率输出)。在图4中可见，其中传统的先有技术线性电机可见地与等效功率输出的本发明可变常数设计对比，两者都在最大冲程上。可看出定子齿的外边沿200并不延伸到磁铁201的外端那样远。类似地，另一定子齿的内边沿203并不延伸到磁铁204的内端。与先技术设计对比，磁铁205的边沿并不在最大冲程上与定子齿206、207的边沿对齐。

在本发明中小于例如60％的冲程上，磁铁70将在图5中用区“a”至“b”指示的均匀磁通量密度的区中，它粗略地对应于定子齿71延伸到的地方。当冲程增加超过60％时，随着磁铁进入空气间隙磁场的凸沿部分(非均匀磁通量密度)，图5中“b”以外的区，而磁铁边沿70遇到的磁通量密度降低。

在图7中所示的另一实施例中，示出了带有成角度的磁极面503的线性电机的定子。在其中央，磁极面503具有平坦部分500，这导致面对该部分的空气间隙中具有基本上均匀的磁通量密度。磁极面503的端部是成角度的，这给予从中央500的均匀磁通量密度到磁极面503的端部上的边缘部分502(非均匀磁通量密度)更步进的过渡。类似于前面的实施例，电枢磁铁504会被驱动到均匀磁通量密度区500外面并进入非均匀磁通量密度的边缘部分502中。

“电机常数”定义为电机绕组中一安培在磁铁上所产生的力(用牛顿表示)。图6中所示的电机常数曲线示出本发明的电机常数300如何随磁铁位置改变。同样可将“电机常数”定义为当磁铁以1米/秒移动时产生的反EMF(用伏表示)。当磁铁在边缘场中时(图5中“b”外侧)，由于降低的磁耦合，与均匀的磁通量区(图5中从“a”到“b”)中相比，需要更大的电流来产生给定的力。这得出图6中所示与本发明的短定子线性电机相关联的“可变”电机常数曲线300。这与传统的先有技术线性电机中所固有的也在图6中所见的“恒定”电机常数曲线301形成对照。

在低与中等冲程上(对应于-3mm至+3mm的冲程)以图6中所示的电机常数曲线300，很明显本发明具有相对于等效传统电机301(带较少的匝数及较大的芯材料体积)更高的电机常数。较高的电机常数对应于更高效的操作(由于低电流换向器损失)，因此在较低的功率输出上，本发明比等效的传统先有技术线性电机更高效。并且它还减小了磁芯所需的截面面积。

在高冲程上当电流增加最快时电机常数是低的。与等效的传统先有技术线性电机相比，有可能输入更多电流到电机中并从而在最大冲程上从电机抽取更多功率。同时这一带有在最大冲程上最低的可变常数的设计趋向使由方波电压驱动的电机更高效。

控制策略

实验证实当在压缩机活塞一弹簧系统的固有频率上驱动时自由活塞压缩机最高效。然而除外任何精密地设置的金属弹簧之外，还存在着固有的气体弹簧，在冰箱压缩机的情况中，其有效弹簧常数随蒸发器或冷凝器两者之一的压力改变而改变。已描述的电子换向永磁铁电机是用从诸如US 4857814与WO 98/35428中所公开的申请人在电子换向的永磁铁电机中的经验导出的技术控制的，通过引用将其内容结合在此。这些对比文件公开了三相旋转电机的控制，但相同的控制原理也适用于线性电机。适当的线性电机只须是单向设备而用于驱动电机的适当电流换向器桥路能具有图9中所示的简单形式。

通过监视电机绕组电流中的反EMF零交叉，可将换向确定为跟随活塞的固有频率。由于只有单个绕组，必须中断流经上方或下方电流换向器开关器件411或412之一的以便能测定反EMF。按照检测到的反EMF控制通过电机绕组的电流保证为了最大的系统效率而保持电流与反EMF同相。

由于频率是反EMF零交叉之间的时间的倒数的两倍而有效地连续监视电机的操作频率。此外按照WO 98/35428，换向停止后通过单向传动(free wheeling)二极管413与414的电流衰减时间与电机电流成正比并从而可得出电机电流的测定值。

在活塞与压缩机的气缸头碰撞之前能采用的最大电机电流随蒸发器温度及振动系统的固有频率而改变。

图10示出最大容许电机电流对自然机械系统频率与不同蒸发温度的冷凝器温度的曲线。这些曲线示出最大电机电流在这两个变量上的相关性。它们还展示冷凝器温度是与机械系统频率成正比的，并从而能达到最大电流控制而无需测定第三变量，冷凝器温度。

图11中示出按照本发明的电机控制电路。它利用机械系统频率与冷凝器温度相关的观察结果。在本发明中用电路402感测与数字化电机绕组1中感生的反EMF信号并将其作用在微型计算机403的输入上，后者计算对电机绕组的电流的换向的适当定时来保证电流是与反EMF同相的。这些换向定时信号转换发送电流到电机绕组401的电流换向器404(如图11中所示)。微型计算机403还测定反EMF零交叉之间的时间并借此测定EMF波形的周期。机械系统的自然振动频率是EMF波形的周期的倒数。因此微型计算机403在所有时间上具有这一频率的测定值。

利用传统的温度传感器405为除霜目的测定蒸发器温度，并将其输出数字化及作为另一输入提供给微型计算机403。

按照本发明的限制最大电机电流并从而活塞的最大位移的一种方法为用微型计算机403计算活塞摆动的各半周期的最大电流幅值并将实际电流幅值限制成小于该最大值。WO 98/35428公开了通过利用在未通电的绕组中的数字化反EMF信号来测定电机绕组中的电流衰减到零所占的时间来测定电子换向的永磁铁电机中的电机电流的方法。在本发明中利用这一技术使微型计算机403能限制最大功率而无须专用的电流感测或限制电路。RMS电机电流是与相关电流换向器开关器件切断之后通过“活轮”二极管413或414的电流衰减持续时间成正比的。电流衰减当然是由作为感应器的电机绕组导致的，后者在换向期间储存能量并必须在换向停止时消除它。图12中示出RMS电机电流对电流衰减持续时间的曲线(它是WO 98/35428中的图6的简化)。

另一较佳方法为限制换向电流的时间而非限制最大电流值。图15示出在这一控制下的电流波形。这实际上是每一换向间隔只有一个调制的电流脉冲的脉冲宽度调制(PWM)。用这一方法计算来自反EMF零交叉的衰减时间来为最大效率减小电机电流与反EMF之间的相位角。在电机半周期中的一时间上切断提供电流的电流换向器开关以便在电流衰减周期之后能有时间监视反EFF的零交叉以便为下一个半周期确定开始换向。还将换向时间与对电机频率及蒸发器温度合适的最大换向时间比较来保证不超过活塞冲程的最大幅度。

图13与14中示出实现这一方法的微型计算机控制策略的流程图。参见图13，当第一次通电(421)或在充分的时间延迟之后通电压缩机来保证冰箱系统中的压力相等时，压缩机在最大频率上运行。将这一最小频率的冲程时段作为Run-Stroke(运行冲程)测定并在微型计算机中示出为Low-Stroke(低冲程)及为这一值设定最小换向时间(428)。对于以后的第一冲程测定其冲程时段并将其定义为参数Run-stroke(424)。计算Run-Stroke与Low-Stroke之间的差(图14、431)。将该差称作Period-Index(周期索引)。在这一子例程中将Period-Index用作Max-Commutation-Time(最大换向时间)的查找表中的不同冲程时间(频率)的索引指针。这一表称作Pulse-Limit-Value(脉冲极限值)表。在本例中存在对应于7种蒸发温度范围(440至465)的7个查找表(433至439)。

电机控制电路通常包含在传统方式的温度控制环路中，以便保持制冷系统的封闭的制冷空间的温度。这一控制环路为要根据制冷系统的工作条件而作用在电机绕组上的功率设定要求的值。这些要求的功率的值对应于换向时间的值。在逐个冲程的基础上将这些Commutation-Time(换向时间值)与Pulse-Limit-Value比较(440，图14)。如果要求的Commutation-Time大于Pulse-Limit-value，则将Commutation-Time限制在Pulse-Limit-Value上。这一值设定控制相关电流换向器开关器件的接通时段的换向定时器(425)。如上所述，也能从类似的方式利用电机电流将作用在电机上的功率限制在安全水平上，但即使在换向时间受到控制的情况中，也希望以上述方式测定电机电流并将其与在存储的绝对最大值进行比较(426)，如果超过该最大值将导致微型计算机程序复位(427)。

当然确定最大换向时间/或最大电流值的其它方法也是可行的，例如如果微型计算机的功能充分地大，例如DSP芯片技术中的最近进展，可直接计算这些值而无需查找表。

如果作用在图9的电流换向器电桥上的DC电源电压明显地改变，这将导致允许的任何给定换向时间的电机电流的改变。希望微型处理器以最大精度来感测它并相应地补偿。

应理解与传统的设计相比，在冰箱中使用本发明减小了电机的外形、尺寸与重量。同时由于运动部件的质量小于传统冰箱压缩机的运动部件的质量：

·降低了振动程度

·降低了噪声水平

·降低了运动部件上的工作应力。

Claims (5)

1、一种用于驱动往复负载的线性电机，其特征在于，该线性电机包括：

定子，其具有带至少一个空气间隙的磁导核心及用于在所述定子与所述至少一个空气间隙中产生非恒定磁通量的装置；

具有支承至少一个永磁铁的结构的电枢，该永磁铁的至少一部分位于所述至少一个空气间隙的至少一个中，使得所述至少一个永磁铁的磁场与所述至少一个空气间隙中的所述非恒定的磁通量的交互作用在所述电枢上产生一个力，使用中的所述电枢连接在所述负载上并从而相对于所述定子往复运动；以及

激励装置，用于控制产生交变磁通量的所述装置，使得在所述电枢的往复运动期间所述至少一个永磁铁的至少一端越出存在于所述至少一个空气间隙的至少一个内的基本上均匀的磁通量密度区。

2、如权利要求1中所要求的线性电机，其特征在于，用于产生交变磁通量的所述装置包括至少一个绕在所述定子的一部分周围并用非恒定电压激励的线圈。

3、如权利要求2中所要求的线性电机，其特征在于，所述激励装置包括具有直流电源、连接在所述电源上向所述至少一个线圈供电的开关器件及具有存储器与输入一输出端口的编程的数字处理器的换向电路，至少一个所述端口连接在所述换向电路上向其提供开关控制信号。

4、如权利要求1中所要求的线性电机，其特征在于，所述至少一个永磁铁的位移，即所述至少一个磁铁的所述至少一端[在其上]越出所述基本上均匀的磁通量密度的区域，是最大位移的67％。

5、一种采用压缩机的冰箱，其特征在于，该压缩机与压缩机电机为线性设备及所述电机包括：

定子，具有带至少一个空气间隙的磁导核心及用于在所述定子与所述至少一个空气间隙中产生非恒定磁通量的装置；

具有支承至少一个永磁铁的结构的电枢，该永磁铁的至少一实质性部分位于所述至少一个空气间隙的至少一个中，使得所述至少一个永磁铁的磁场与所述至少一个空气间隙中的所述非恒定磁通量的交互作用在所述电枢上产生一个力，使用中的所述电枢连接在所述负载上并从而相对于所述定子往复运动；以及

激励装置，用于控制所述装置产生交变磁通量使得在所述电枢的往复运动的一部分期间所述至少一个永磁铁的至少一端越出存在于所述至少一个空气间隙的所述至少一个内的基本上均匀的磁通量密度的区。

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