CN212028006U - 一种动圈式直线压缩机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动圈式直线压缩机,包括底座；所述底座上设置有与底座一体成型的气缸和通过紧固件与底座凸台固定连接的直线电机；所述气缸的一端设置有进排气室，气缸的两侧分别设置有进气口和排气口，进气口和排气口分别通过通气管道与进排气室连接；所述的气缸，与进排气室相对端设置有活塞，活塞固定连接有活塞杆；活塞杆的另一端通过紧固件与直线电机的动子固定连接；所述的直线电机采用动圈式直线电机，其直接驱动活塞在气缸内进行往复运动，且运动方向保持恒定。本实用新型去掉了直线电机中的弹簧机构，通过驱动电路来控制直线压缩机活塞在气缸内进行往复运动，减少了活塞对气缸壁的冲击，提高了压缩机的使用寿命。

Description

一种动圈式直线压缩机

技术领域

本实用新型涉及线性压缩机技术领域，具体涉及一种动圈式直线压缩机。

背景技术

目前，我国民用压缩机大部分采用的是传统往复活塞式压缩机，将电机输出的旋转运动转化为活塞的直线运动。因此需要一套机构来实现旋转运动向直线运动的转换（一般采用曲柄连杆机构），这使得压缩机的机械转化效率大大降低，对于家用封闭式冰箱来说，其输入功率只有30%左右得以利用。从目前直线压缩机研究来看，主要有电磁振荡压缩机、直线电动压缩机、直线步进电机驱动压缩机等三种形式，而运用较多的是电磁振荡压缩机。电磁振荡压缩机中需要弹簧结构，这难以保证弹簧结构在使用过程中的弹性不发生改变，一般情况下弹簧结构的寿命比较短，这使得压缩机的使用寿命降低。

发明内容

针对上述的技术问题，本技术方案提供了一种动圈式直线压缩机,能有效的解决上述问题。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种动圈式直线压缩机,包括底座；所述底座上设置有与底座一体成型的气缸和通过紧固件与底座凸台固定连接的直线电机；所述气缸的一端设置有进排气室，气缸的两侧分别设置有进气口和排气口，进气口和排气口分别通过通气管道与进排气室连接；所述的气缸，与进排气室相对端设置有活塞，活塞固定连接有活塞杆；活塞杆的另一端通过紧固件与直线电机的动子固定连接；所述的直线电机采用动圈式直线电机，其直接驱动活塞在气缸内进行往复运动，且运动方向保持恒定。

进一步的，所述的动圈式直线电机包括定子组和动子；所述的定子组包括设置在最外侧的外磁轭，以及固定设置在外磁轭内侧的内磁轭；外磁轭的内壁面固定设置有阵列的永磁体，永磁体与内磁轭的外壁之间留有间隙；所述的动子套在间隙中并做往复直线运动，动子外露的一端通过连接件与气缸的活塞杆连接。

进一步的，所述外磁轭的一端通过永磁铁的磁力固定连接有端板；位于外磁轭的中间处，设置有一端与端板固定连接的内磁轭。

进一步的，所述的动子包括线圈骨架和绕制在线圈骨架齿槽内的线圈组；线圈骨架套在间隙中与内磁轭的外表面和与永磁体的内表面之间留有径向气隙。

进一步的，所述线圈骨架上相邻线圈组的绕制方向相反，各个线圈组所受安培力方向相同；线圈组串联连接有电机驱动电路。

进一步的，所述的电机驱动电路设置有4个MOS管Q1-Q4，4个MOS管Q1-Q4与直线电机形成H桥控制电路；MOS管的导通方式为对角线导通；对角线导通为Q1和Q4同时导通或Q2和Q3同时导通。

进一步的，所述的MOS管Q1和Q4导通时，电流由电源正极输入端连接Q1流经直流电机，由Z到Y穿过电机，经过Q4回到电源负极接地，则直线电机正向运动；所述的MOS管Q2和Q3导通时，电流由Q3流经Y、Z穿过电机，回到电源负极GND，则直线电机反向运动。

通过调整MOS管电流导通与截止的时刻，便可控制直线电机的运动方向，通过调整流经直线电机电流的大小，便可控制其运动的快慢。图中二极管对控制电路起到保护作用。

进一步的，所述的电机驱动电路设置有控制芯片，所述的控制芯片有高电位和低电位两个输入信号。

直线电机的控制是基于功率驱动芯片HIP4081A以实现对电路的整体控制。PWM1和PWM2为两个输入信号，一个为高电位，另一个为低电位，根据输入信号的频率，从而确定流入直线电机电流的大小和MOS管的通断，进而控制直线电机的运动方向和运动频率。

进一步的，所述的直线电机串联连接有电流传感器。

直线电机电流传感器采用ACS712芯片，与直线电机串联连接，通过检测通入直线电机电流的大小及时反馈给控制器实现闭环控制，控制器是各类制冷设备中的控制单元，可以是数字信号处理器DSP或是ARM或是单片机。通过软件实现自适应控制算法，从控制器输出PWM波到直线电机的驱动控制电路，通过功率驱动芯片HIP4081A对进而调整通入的电流大小和方向，实现对直线电机的控制。而对直线电机行程的控制，即压缩机活塞行程的控制，通过检测直线电机中线圈的反电动势信号变化，就能估算出动子所在的位置，进而实现无位置传感器就能对动子位置的准确控制。

进一步的，所述的气缸与进排气室之间设置有气缸盖，气缸盖将气缸与进排气室之间分隔成两个独立的空间；位于气缸盖上设置有排气阀和进气阀。

有益效果

本实用新型提出的一种动圈式直线压缩机,与现有技术相比较，其具有以下有益效果：

（1）本技术方案去掉了直线电机中的弹簧机构，通过驱动电路来控制直线压缩机活塞在气缸内进行往复运动，其运动方向保持恒定；减少了活塞对气缸壁的冲击，降低了活塞与气缸壁之间的摩擦力，提高了压缩机的使用寿命。还能够更加精确地控制直线电机的运动行程与频率，以控制直线压缩机的运动过程。并且可以根据压缩机的工作环境调整其工作状态，使之与工作环境相匹配，进一步提高能源的利用率，节约成本。

（2）本技术方案将电机的旋转运动转化为活塞直线运动，减少了将电机旋转运动转化为活塞直线运动的机构；节约了成本，以及将气缸和底座设为一个整体，简化了结构，让结构之间更加简单紧凑，缩小了体积；在小型制冷设备上，更好的节省空间；增加了制冷箱的容量。在维修与维护方面也更加方便，同时减少了能量的损耗，提高了能量的利用率。

（3）直线电机直接推动活塞在气缸中进行往复运动，运动方向保持不变，降低了噪音，活塞对气缸壁没有径向力，减小了摩擦力对能量的损耗。

（4）省去了直线电机中弹簧机构的安装空间，将活塞的工作空间增大；而且可以根据工作环境的需要，通过控制电子控制系统适时地调整活塞的工作状态及行程大小，并且控制直线电机的运动频率，以实现活塞行程的柔性化。

附图说明

图1是本实用新型整体结构的俯视图。

图2是本实用新型中直线电机的整体结构示意图。

图3是本实用新型中驱动电路的电路连接示意图。

图4是本实用新型为膨胀阶段示意图。

图5是本实用新型为吸气阶段示意图。

图6是本实用新型为压缩阶段示意图。

图7是本实用新型为排气阶段示意图。

附图中的标志：1-底座、11-凸台、12-安装孔、2-气缸、21-进气口、22-排气口、3-通气管道、4-进排气室、5-气缸盖、51-进气阀、52-排气阀、6-活塞、7-活塞杆、8-直线电机、81-定子组、811-外磁轭、812-内磁轭、813-永磁体、82-端板、83-动子、831-线圈骨架、8311-连接孔、832-线圈组、833-连接件、84-径向气隙、9-紧固件。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围。

实施例1：

如图1所示，一种动圈式直线压缩机,包括底座1；所述底座1上设置有与底座1一体成型的气缸2和通过紧固件9与底座凸台11固定连接的直线电机8。

气缸2的一端设置有进排气室4，气缸2的两侧分别设置有进气口21和排气口22，进气口21和排气口22分别通过通气管道3与进排气室4连接；气缸2与进排气室4之间设置有气缸盖5，气缸盖5将气缸2与进排气室4之间分隔成两个独立的空间；位于气缸盖5上设置有排气阀52和进气阀51。进气阀51和排气阀52分别控制着直线压缩机进排气的压力。位于气缸2的另一端，即与进排气室4相对端设置有活塞6，活塞6固定连接有活塞杆7，活塞6与活塞杆7之间不能进行相对运动。活塞杆7的另一端通过紧固螺栓9与直线电机8的动子83固定连接。

直线电机8采用动圈式直线电机，通过固定螺栓9与底座的凸台11部固定连接；或直接焊接固定在其工作环境中。在本实施例中，直线电机8的右侧抵在压缩机底座1的凸台11的侧面上，左侧通过固定螺栓9将其固定。直线电机8的运动直接驱动活塞6在气缸2内进行往复运动，且运动方向保持恒定。

如图2所示，动圈式直线电机8包括定子组81和动子83；所述的定子组81包括设置在最外侧的外磁轭811，以及固定设置在外磁轭811内侧的内磁轭812；外磁轭811的内壁面固定设置有阵列的永磁体813，永磁体813与内磁轭812的外壁之间留有间隙。在本实施例中，外磁轭811的一端通过永磁铁813的磁力固定连接有端板82；位于外磁轭811的中间处，设置有一端与端板82固定连接的内磁轭812。

动子83套在间隙中并做往复直线运动，动子83外露的一端通过连接件833与气缸2的活塞杆7固定连接。动子83包括线圈骨架831和绕制在线圈骨架831齿槽内的线圈组832；线圈骨架831上相邻线圈组832的绕制方向相反，各个线圈组832所受安培力方向相同；线圈骨架831套在间隙中与内磁轭812的外表面和与永磁体813的内表面之间留有径向气隙84。在本实施例中，线圈骨架831左侧的中间位置设置有连接孔8311，活塞杆7贯穿连接孔8311通过通过紧固螺母9固定连接。

永磁体813组在运动方向上交替采用不同磁化方向的永磁体构成的赫尔巴赫（Halbach）阵列，可以显著提高电磁直线电机的功率密度，较常规直线电机的功率密度提高50%以上，结合闭环系统可具有非常好的控制精度，非常适合在要求体积和质量较小、需要较大的推力和精确度的场合。图2中永磁体上标注的箭头方向，即为永磁体的磁化方向。在此阵列中，因为相邻线圈组所受磁场方向相反，所以动子上相邻线圈组的绕制方向相反，使得各个线圈组所受安培力方向相同。

特殊的电磁线圈布置改善了电枢反应，线圈由固定在线圈骨架上的正向绕组和反向绕组构成，并在气隙内实现往复运动，通过控制系统的电流大小和方向来实现所需的运动规律，且驱动力与控制电流成正比例关系。

如图3所示，线圈组串联连接有电机驱动电路；电机驱动电路设置有4个MOS管Q1-Q4，4个MOS管Q1-Q4与直线电机形成H桥控制电路；MOS管的导通方式为对角线导通；对角线导通为Q1和Q4同时导通或Q2和Q3同时导通。MOS管Q1和Q4导通时，电流由电源正极输入端连接Q1流经直流电机，由Z到Y穿过电机，经过Q4回到电源负极接地，则直线电机正向运动；所述的MOS管Q2和Q3导通时，电流由Q3流经Y、Z穿过电机，回到电源负极GND，则直线电机反向运动。通过调整MOS管电流导通与截止的时刻，便可控制直线电机的运动方向，通过调整流经直线电机电流的大小，便可控制其运动的快慢。图中二极管对控制电路起到保护作用。

电机驱动电路设置有控制芯片，所述的控制芯片有高电位和低电位两个输入信号。

直线电机串联连接有电流传感器。

在本实施例中，由4个型号为IRF540 N型沟道MOS管（Q1~Q4）和一个直线电机组成的H桥控制电路，其导通方式为对角线导通，即Q1和Q4同时导通或Q2和Q3同时导通。当Q1和Q4导通时，电流由电源正极VIN端连接Q1流经电流传感器ACS712到达M1由Z到Y穿过电机，经过Q4回到电源负极GND，此时直线电机正向运动；当Q2和Q3导通时，电流由Q3流经Y、Z穿过电机，经过电流传感器ACS712回到电源负极GND，此时直线电机反向运动。通过调整MOS管电流导通与截止的时刻，便可控制直线电机的运动方向，通过调整流经直线电机电流的大小，便可控制其运动的快慢。图中二极管对控制电路起到保护作用。

直线电机的控制是基于功率驱动芯片HIP4081A以实现对电路的整体控制。PWM1和PWM2为两个输入信号，一个为高电位，另一个为低电位，根据输入信号的频率，从而确定流入直线电机电流的大小和MOS管的通断，进而控制直线电机的运动方向和运动频率。

直线电机电流传感器采用ACS712芯片，与直线电机串联连接，通过检测通入直线电机电流的大小及时反馈给控制器实现闭环控制，控制器是各类制冷设备中的控制单元，可以是数字信号处理DSP或是ARM或是单片机。通过软件实现自适应控制算法，从控制器输出PWM波到直线电机的驱动控制电路，通过功率驱动芯片HIP4081A对进而调整通入的电流大小和方向，实现对直线电机的控制。而对直线电机行程的控制，即压缩机活塞行程的控制，通过检测直线电机中线圈的反电动势信号变化，就能估算出动子所在的位置，进而实现无位置传感器就能对动子位置的准确控制。

压缩机的工作过程可分为四个阶段，分别是膨胀阶段、吸气阶段、压缩阶段和排气阶段，下面将分别介绍这四个阶段的具体工作过程。

（1）膨胀阶段：

如图4所示为压缩机膨胀阶段示意图。膨胀过程中，进气口21和排气口22均关闭，给直线电机8通电，通电线圈在磁场中受到安培力的作用，使动子产生驱动力并通过连杆带动活塞由左向右运动。由于活塞6与气缸2之间形成密封的空间，因此活塞6向右运动使得气缸2中的容积变大，形成一定的真空度。气缸2内气体的压强减小，气体膨胀，完成直线压缩机膨胀阶段。

（2）吸气阶段：

图示5结构为直线压缩机吸气阶段，此时进气口21打开，排气口22和排气阀52关闭。由于直线压缩机膨胀阶段在气缸内产生了一定的真空度，在大气压力的作用下，外界气体将进气阀阀门打开，由进气口21通过通气管道3进入直线压缩机的气缸2内，完成压缩机的进气阶段。此时活塞运动到最右侧，气缸内的容积达到最大，气体压力与外界压力基本一致。

（3）压缩阶段：

图6所示即为直线压缩机的压缩阶段，也是压缩机工作的最重要的一个工作阶段，此时直线压缩机的进气口21和排气口22均关闭。给直线电机8通入相反的电流，直线电机8由右向左运动。活塞6在直线电机8的驱动下，由右向左运动，气缸2内的气体被压缩，其压强迅速升高，期间产生一定的热量。当活塞6运动到最左侧位置时，气体压强达到最大值，直线压缩机的压缩阶段完成。

（4）排气阶段：

直线压缩机工作过程的最后一个阶段是排气阶段，如图7所示，此时直线压缩机的进气口21和进气阀51关闭，排气口22打开。当压缩机内的压力达到排气阀52开启的压力时，压缩机气缸2内的高压气体经过排气阀52口由通气管道3和排气口22排出，气缸2内气压下降到稳定值，活塞处于最左侧的位置，排气阶段结束。至此，直线压缩机的一个工作循环完成。

对于直线压缩机工作过程的几点说明：

a）直线压缩机的实际工作过程中，进气阶段并不是在膨胀阶段结束时才开始，而是与膨胀阶段有一定的重叠部分，根据工作环境的不同和直线压缩机工作的状态可以进行实时调整；

b）直线压缩机的实际工作过程中，排气阶段也并不是等到活塞运动到最大行程处开始，而是会根据实际情况确定排气的时刻，一般都是在压缩阶段进行到一定程度之后，气缸内的气体压力达到排气阀开启的压力时，便进行排气阶段；

c）可以根据具体工作的需要，改变进排气阀的开启压力值，来调整进排气阶段的实际工作时刻；

d）直线电机可以实现无需润滑而进行往复运动，但对于直线电机的对中性要求严格，对于直线电机的制造与安装精度要求较高。

本实施例中采用的软件，控制器、驱动电路以及两者的连接方式，控制器和各传感器的连接方式，均采用本技术领域中常用的现有技术；本技术方案并未对软件，控制器、驱动电路以及两者的连接方式，控制器和各传感器的连接方式做任何改进，控制器内的软件，控制器、驱动电路以及两者的连接方式，控制器和各传感器的连接方式不属于本技术方案的保护范围，此处不多做阐述。

Claims (10)

1.一种直线压缩机,包括底座（1）；其特征在于：所述底座（1）上设置有与底座（1）一体成型的气缸（2）和通过紧固件（9）与底座凸台（11）固定连接的直线电机（8）；所述气缸（2）的一端设置有进排气室（4），气缸（2）的两侧分别设置有进气口（21）和排气口（22），进气口（21）和排气口（22）分别通过通气管道（3）与进排气室（4）连接；所述的气缸（2），与进排气室（4）相对端设置有活塞（6），活塞（6）固定连接有活塞杆（7）；活塞杆（7）的另一端通过连接件（833）与直线电机（8）的动子（83）固定连接；所述的直线电机（8）采用动圈式直线电机，其直接驱动活塞（6）在气缸（2）内进行往复运动，且运动方向保持恒定。

2.根据权利要求1所述的一种直线压缩机,其特征在于：所述的动圈式直线电机（8）包括定子组（81）和动子（83）；所述的定子组（81）包括设置在最外侧的外磁轭（811），以及固定设置在外磁轭（811）内侧的内磁轭（812）；外磁轭（811）的内壁面固定设置有阵列的永磁体（813），永磁体（813）与内磁轭（812）的外壁之间留有间隙；所述的动子（83）套在间隙中并做往复直线运动，动子（83）外露的一端通过连接件（833）与气缸（2）的活塞杆（7）连接。

3.根据权利要求2所述的一种直线压缩机,其特征在于：所述外磁轭（811）的一端通过永磁体（813）的磁力固定连接有端板（82）；位于外磁轭（811）的中间处，设置有一端与端板（82）固定连接的内磁轭（812）。

4.根据权利要求1-3其任一项所述的一种直线压缩机,其特征在于：所述的动子（83）包括线圈骨架（831）和绕制在线圈骨架（831）齿槽内的线圈组（832）；线圈骨架（831）套在间隙中与内磁轭（812）的外表面和与永磁体（813）的内表面之间留有径向气隙（84）。

5.根据权利要求4所述的一种直线压缩机,其特征在于：所述线圈骨架（831）上相邻线圈组（832）的绕制方向相反，各个线圈组（832）所受安培力方向相同；线圈组（832）串联连接有电机驱动电路。

6.根据权利要求5所述的一种直线压缩机,其特征在于：所述的电机驱动电路设置有4个MOS管Q1-Q4，4个MOS管Q1-Q4与直线电机形成H桥控制电路；MOS管的导通方式为对角线导通。

7.根据权利要求6所述的一种直线压缩机,其特征在于：所述的MOS管Q1和Q4导通时，电流由电源正极输入端连接Q1流经直流电机，由Z到Y穿过电机，经过Q4回到电源负极接地，则直线电机正向运动；所述的MOS管Q2和Q3导通时，电流由Q3流经Y、Z穿过电机，回到电源负极GND，则直线电机反向运动。

8.根据权利要求5所述的一种直线压缩机,其特征在于：所述的电机驱动电路设置有控制芯片，所述的控制芯片有高电位和低电位两个输入信号。

9.根据权利要求1-3、5-8其任一项所述的一种直线压缩机,其特征在于：所述的直线电机串联连接有电流传感器。

10.根据权利要求1所述的一种直线压缩机,其特征在于：所述的气缸（2）与进排气室（4）之间设置有气缸盖（5），气缸盖（5）将气缸（2）与进排气室（4）之间分隔成两个独立的空间；位于气缸盖（5）上设置有排气阀和进气阀。

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