TW580536B - Linear motor controller - Google Patents

Description

580536 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） C 日月戶斤 >#貝 3 發明領域 本發明是有關於一種用來驅動壓縮機之線性馬達控制 5 器，特別是但不僅是冰箱壓縮機。 L荀r】 發明背景 線性馬達係在移動線圈或移動磁鐵的基礎上運作，當 被連接到一個例如在壓縮機内的活塞時，線性馬達需要嚴 10格控制衝程幅度，因為不像傳統的壓縮機使用曲柄軸，衝 程幅度不是固定的。對於流體被壓縮的情況下，過大的馬 達動力的作用，可能造成活塞與汽缸頭（活塞位於汽缸頭 内）碰撞。 15 20 在國際專利公告W〇〇i/79671中，申請人已揭露一種 用於自由活塞壓縮機的控制系統，其限制馬達動力為進入 [縮枝内的冷媒的性質的㉟數。然❿，在有些自由活塞冷 卻系統中，檢測實際的活塞碰撞，然後減少馬達動力作^ 回應是有用的。此一策略可當因任何理由發生過大的馬達 動料’純粹用來防止I缩機損傷，或是可用來作為確定 ::積效率的方法。更明確地說，關於後者，壓縮機可用 又疋到n’J好小於造成活塞碰撞的動力來驅動，以便確定活 塞在最小的頭間隙容積下運作。頭間隙容積的最小化造成 容積效率的提高。 【發明内容】 6 玖、發明說明 發明概要 本I明的一個目的在於提供一種線性馬達控制器，設 法達成上述的迫切需求。 因此，本發明的一個態樣可概括說來在於一個自由活 5 塞空氣壓縮機，包含： 一個汽紅； 一個活塞； 該活塞可在該汽缸内往復移動； 個往復移動的線性馬達，可衍生地耦合到該活塞， 10 具有至少一個激化繞線； 用來得到該活塞的往復移動時間的指示測量值的裝置 5 用來檢測該往復移動時間的任何突發變化的裝置，此 變化表示活塞與汽缸頭的碰撞；以及 15 用來回應於往復時間中檢測到之任何突發變化，降低 對該激化繞線的動力輸入的裝置。 較佳地，該馬達為電子式換向永久磁鐵]〇(：馬達。 較佳地，该壓縮機更包含反EMF檢測裝置，用來當激 化電流不流動時，對在該至少一個激化繞線中感應出的反 20 EMF取樣，以及連接到該反EMF檢測裝置的輸出的零交又 檢測裝置，以及用來決定於零交叉之間的時間間隔之計時 裝置，因而確定該活塞的每個半週期的往復時間的裝置， 以及用以加總兩個相繼之半週期以提供該往復移動時間之 裝置。 7 580536 玖、發明說明 較佳地，用來檢測往復移動時 罢、 间的任何突發變化的裝 ，匕括用以產生個別的由半週一 7 '擇一期間内之過濾或平 順值，用於加紅個半㈣期間 一 ^ ^ Jill ^ ^ 1值以產生往復期間 之千順值的装置，以便提供一個 +门的值的裝置，決定續 不同值是否高於對於一個預定週 ° 巧功的一個預定臨界值之裝 置0 達二 10 15 一種控制線 在本發明的第二態樣中’可概括說來在於 性馬達的往復移動中的電樞漂移，包含的步驟有 確定該電樞的往復移動時間； 檢測在該往復移動時間上的任何突發變化；及 回應於任何檢測到的往復時間變化，降低對該線性馬 達的動力輸入。 較佳地，確定該往復移動時間的步驟，包括檢測在線 性馬達中的反EMF的零交又，並從其間的時間間隔確定往 復移動時間的步驟。 較佳地，該檢測往復時間的任何變化的步驟，包括從 20 一個已過遽或平順值，導出該往復移動時間，以便提供一 =同值的步驟’㈣不同值高於用於—個财週期的預 定臨界值’則減少對該線性馬達的動力輪入。 較佳者為在輸入至馬達之動力降低之後，馬達動力漸 增地增加超過-段期間直到往復期間的突發變化再次被檢 8 580536 坎、發明說明 測到為止。 對於那些熟悉關於本發明的技術者而言’很多結構上 的改變，以及本發明的大範圍不同的實施例和應用，將會 在不背離隨附申請專利範圍所界定的本發明的範圍下，自 5己建議出其他實施例和應用。本文中的揭露和描述純粹為 例不性作用，不打算在任何方面有任何限制。 本發明在於前述說明，且設想出下述結構做為例子。 圖式簡單說明 現在將配合附圖說明本發明的一個較佳實施形式，其 10 中： 、 第1圖是根據本發明的線性壓縮機的剖面圖； 第2圖是本發明的雙線圈線性馬達獨立出的剖面圖； 第3圖是單線圈線性馬達的剖面圖； 第4圖疋本發明的自由活塞蒸汽壓縮機和相關的控制 15 器的方塊圖； 第5圖是用於控制器的控制處理器的流程圖； 第6圖是壓縮機馬達反]£]^1?與時間的圖；及 第7圖是活塞往復移動週期和時間的圖。 【實施方式】 20較佳實施例之詳細說明 Θ本發明提供一種控制如第1圖所示態樣之由線性馬達 提供動力之-往復移動式自由活塞壓縮機的方法。首先， 其相較於美國專利第4602174號所述形式的傳統線性馬達 有車乂 J的尺寸，因此降低成本。此改變在低至中動力輸出 9 玖、發明說明 時仍保有高效率，但付出在高動力輸出下效率稍微降低的 代價。對於家用冷箱的麼縮機而言，此為一個可接受的妥 協’家用冷箱壓縮機在大部份的時間是在低至中動力輪出 下運轉，在少於20%的時間是在高動力輸出下運轉(發生在 5冰箱内容物、經常負冑和卸載的期間或在非常熱的天氣下） 第—’其使用-個控制策略，允許理想的有效率運轉， 而不品要外在感應器，亦減小尺寸並降低成本。 雖然在下述說明中，本發明係關於一個圓柱形線性馬 達來說明，但應該瞭解的是，此方法可同樣適用於一般的 W線性馬達，特別是平面線性馬達，參考例如我們待審中的 國際專利申請案PCT/NZ00/002(H，其内容在此併入做為參 考。熟於此技者將不需要多花特別的力氣。 如第1圖所示之壓縮機，係關於一個永久磁鐵線性馬 達，其連接到一個往復移動式自由活塞壓縮機。汽缸9被 15汽缸彈簧14支撐在壓縮機殼體30内。活塞11被汽缸筒形成 的軸承以及透過彈簧裝配件25的彈簧13徑向支撐著。軸承 可被任何一種此技藝中所知的方法潤滑，例如在我們待審 中的國際專利申請案PCT/ZN00/00202中的空氣軸承，或是 在國際專利公告WOOO/26536中所述的油軸承，其等内容 2〇被併入本文中做為參考。同樣地，本發明可適用於另外的 往復移動系統。例如，儘管下述的壓縮機係與組合的空氣 /機械彈簧系統一起說明，但是完全機械式或完全空氣式 彈簀系統亦可與本發明一起使用。 活塞11在汽缸9内往復移動，使空氣被引入，通過吸 10 580536 玖、發明說明 入管12，通過吸入口 26，通過吸入消音器2〇並通過閥板21 的吸入閥口 24，而進入壓縮空間28。壓縮空氣然後通過釋 放閥口 23離開，在釋放消音器19中被消音，然後通過釋放 管18而離開。 5 壓細機馬達包含兩部份靜子5、6和一個電樞22。造成 活塞11的往復移動的力量，來自電樞22(被凸緣7附接到活 塞11)内兩個環形徑向磁化永久磁鐵3、4和空氣間隙33中 的磁場（由靜子6和線圈1、2感應出）間的交互作用。 在第1圖中所示，以及如第2圖單獨所示的壓縮機馬達 10之兩個線圈型式，有電流流入線圈1，其產生沿著靜子6内 側軸向流動的通量，徑向向外通過端部靜子齒部32，橫越 過空氣間隙33，然後進入背鐵5。然後，在徑向向内流過 空氣間隙33之前’軸向流動短距離27，並回到靜子6的中 央齒部34。第二線圈2產生通量，其徑向流入通過中央齒 15部34，軸向橫過空氣間隙一個短距離29，並通過空氣間隙 33向外進入端齒部35。來自齒部32通過空氣間隙33的通量 感應出在徑向磁化磁鐵3、4上的軸向力，只要磁鐵3的磁 性與另一個磁鐵4的磁性相反。應該瞭解的是，不用背鐵5 ’將同樣可能有另一組線圈在磁鐵的相反側上。 -〇 在線圈1、2中的振盈電流，不一定是正弦波形，產生 在磁鐵3、4上的振盪力，其提供磁鐵和靜子顯著的相對運 動，只要振盪頻率接近機械系統的自然頻率。此自然頻率 由彈簧13、14的勁度和汽缸9和靜子6的質量所決定。在磁 鐵3、4的振盪力產生在靜子部份上的反作用力。所以，靜 11 580536 玖、發明說明 子6必須以黏膠、縮小配合或夾持等方式，牢牢地附接到 汽缸9。背鐵被夾持或固結到靜子裝配件17。靜子裝配件 17被牢牢地連接到汽缸9。 在此壓縮機馬達單線圈態樣之實施例中，如第3圖所 5示，線圈109中的電流產生通量，其沿著内靜子110内側軸 向流動，徑向向外通過一個齒部lu，橫越磁鐵間隙112， 然後進入背鐵115。然後，在徑向向内流動橫過磁鐵間隙 12之前，軸向流動短距離，並回到外齒部丨16。在此馬達 中’整個磁鐵122在徑向磁化上有相同的極性。 10 控制策略 κ驗已顯不出，當自由活塞壓縮機在此壓縮機之壓縮 機活塞-彈黃系統的自然頻率下被驅動時，自由活塞壓縮 機疋最有效率的。然而，與任何故意提供的金屬彈簧一樣 ，存在著一個固有的空氣彈簧，在冰箱壓縮機的情況下， 15其有效彈簧常數隨著蒸發器或冷凝器壓力的變化而變化。 已經說明的電子換向式永久磁鐵馬達，係利用包括申請人 在電子換向式永久磁鐵馬達上的經驗推導出的技術等技術 來控制，如國際專利公告冒〇〇1/79671所揭示者，其内容 在此併入做為參考。 0 田線性馬達如WO01/79671所述般控制時，壓縮機的 輸入動力可能增加到一個程度，使得活塞（第1圖標號11)的 偏移造成與汽缸頭（第1圖標號9)碰撞。當此情形（第一次碰 才里302，如第7圖）發生時，活塞往復移動週期300相較於已 過濾或平順值3〇8被減小。更重要的是，因為活塞週期是 12 580536 玖、發明說明 由下死點和上死點之間的兩個半週期3〇4、3〇6組成，所以 半週期不是對稱的。雖然無論何時活塞發生碰撞（第二次 碰撞310)，兩個半週期在時間上被減小，遠離汽缸頭移動 的半週期304較往汽缸頭移近的半週期3〇6短。在本發明的 5較佳實施例中，供應一碰撞檢測器用以監測半週期時間， 當檢測出半週期有任何的減小而藉此表示一碰撞，則輸入 動力據此回應而減小。 應該亦瞭解的是，本發明同樣可適用於一個範圍的應 用。在任何往復移動的線性馬達中限制或控制往復移動的 10最大幅度是希望的。為使本發明能被應用，系統需要一個 回復力，例如彈簧系統或重力，造成往復移動，和機械或 電氣系統中的某些改變，當達到特定的往復移動幅度時， 造成電氣往復週期的改變。 在較佳的活塞控制系統中，如第4圖所示，反emf檢 15 /則被用來檢測在復移動的電氣週期。如已經所述者，電流 控制器208接收來自壓縮機21〇、反EMF檢測器204和碰撞 檢測器206的輸入。在本發明的較佳實施例中，電流控制 器208、反EMF檢測器204和碰撞檢測器206如上述運作。 雖然在本發明的較佳實施例中，電流控制器2〇8、反emf 20檢測器2〇4和碰撞檢測器206被存在微處理器212内的軟體 所執行，他們可同樣在單一模組或在分離的類比電路中被 執行。碰撞檢測器206接收來自反EMF檢測器204的電氣週 期資料，允許其檢測出過衝，或更明確地說，檢測出活塞 與汽缸的碰撞。電流控制器208透過驅動電流2〇〇作用到靜 13 580536 玖、發明說明 子繞線202的工作循環來調整最大電流。 5 10 利用本發明的線性馬達中的例示性波形被顯示於第6 圖中，其中第6圖顯示馬達線圈電壓之波形（其第一部份係 參照400)以及馬達電流（其第_部份係參照術靜子繞線 電壓在擴張衝程開始期間在時間t<)n㈣為完全的正值彻。 當電壓除去時，電流402在時間w(cx)衰減到零（4〇2)，而 靜子繞線電壓被在繞線中流動的電流強迫到完全的負值 (403)。對於剩下的擴張衝程，時間w(ex)，繞線電壓代表 自電樞感生之反EMF4G4,以及其零交又，代表在擴張衝 程末期活塞的零速度。類似的圖案發生在壓縮衝程期間， 使得時間toff2(c<mp)相關於壓縮期間的反EMF4〇6的零交又 從這時可計算反復移動時間。 在此較佳實施例中碰撞檢測器2〇6所用來檢測碰撞的 程序被顯示於第5圖中。利用反Emf，零交叉資料連續半 15週期時間被儲存5〇4，且一個用於每個第一及第二半週期 的平順或過濾值被計算出500、502。這些提供平均值之平 順值被加起來506，其總和被監測用於突減。此將藉由比 較此總和與兩個最接近被測量之半週期之總和來完成。假 使此差距超出總數A(506)，則一碰撞係必然的。因為信號 20雜訊由很多因素所造成，所以把一個超越值A之暫時的減 少視為活塞碰撞的指標是不保險的。一大於A且表示連續 減少的數值B係必要的。變數b(508)較佳地被設定在五個 連續的循環。臨界差值A較佳地被設定在3〇微秒。 當檢測出碰撞（510，第5圖）時，電流控制器（2〇8，第4 14 580536 玖、發明說明 圖）降低電流值。電流的減少和往馬達的輸入動力的減少 是不連續地減少。一旦碰撞停止，電流值被允許在一段時 間内慢慢增加到先前的數值。較佳地，這段時間大約為ι 小時。或者，電流維持在減小的數值，直到系統變數顯著 5地改變。在WO01/79671中的系統被用來作為主要電流控 制器演算的實施例中，此種系統改變可被有序的最大電流 的改變所監測。在那個情況下，其將回應於頻率或蒸發器 溫度的改變。在此較佳實施例中，演算與提供有監督角色 的本發明的結合，相較於習知技術，提供一個改良的容積 10 效率。 【圖式簡單說明】 第1圖是根據本發明的線性壓縮機的剖面圖； 第2圖是本發明的雙線圈線性馬達獨立出的剖面圖； 第3圖是單線圈線性馬達的剖面圖； 15 第4圖是本發明的自由活塞蒸汽壓縮機和相關的控制 器的方塊圖； 第5圖是用於控制器的控制處理器的流程圖； 第6圖是壓縮機馬達反emf與時間的圖；及 第7圖是活塞往復移動週期和時間的圖。 2〇【圖式之主要元件代表符號表】 1._ ..線圈 6·· .靜子 2·· ..線圈 7·., .凸緣 3._ • •永久磁鐵 9·. .汽缸 4·, .•永久磁鐵 11. • •活塞 5·, .·背鐵 12, • •吸入管 15 580536

玖 、發明說明 13·· •彈簧 111·. •齒部 14.. .彈簧 112.. .磁鐵間隙 17.. .靜子裝配件 115·. •背鐵 18.. .釋放管 122.. .磁鐵 19.. .釋放消音器 200.. .驅動電路 20.. .吸入消音器 202.. .繞線 21.. .闊板 204" .EMF檢測器 22.. .電樞 206.. .碰撞檢測器 23.. .釋放閥口 208.. .電流控制器 24.. •吸入閥口 210.. .壓縮機 25·· .彈簧裝配件 212.. .微處理器 26.. •吸入口 300·· .活塞往復移動週期 27.. .短距離 302.· .第一次碰撞 28.. .壓縮空間 304…半週期 29.. .短距離 306...半週期 30.. .壓縮機機殼 308" .過濾或平順值 32.. •齒部 310.· .第二次碰撞 33.. .空氣間隙 400. ..正值 34·· •齒部 402. ..電流 35·· •齒部 403. ..負值 110 ...靜子 404.· .反 EMF 16

Claims (1)

1. 580536 拾、申請專利範圍 1· 一種自由活塞氣體壓縮機，包含： 一個汽缸； 一個活塞； 該活塞可在該汽缸内往復移動； 5 一個往復移動的線性馬達，可衍生地耦合到該活 塞，具有至少一個激化繞線； 用來得到表示該活塞的往復移動時間的測量值的 裝置； 用來檢測該往復移動時間的任何突發變化的裝置 10 ’該降低變化表示活塞與汽缸頭的碰撞；以及 用來回應於往復時間中檢測到之任何突發變化， 降低對該激化繞線的動力輸入的裝置。 2·如申請專利範圍第1項所述之自由活塞氣體壓縮機， 其中’該馬達為電子換向式永久磁鐵DC馬達。 15 3·如申請專利範圍第1或2項所述之自由活塞氣體壓縮機 其中a亥用於測罝該活塞之往復時期的裝置包含： 反EMF檢測裝置，用來當激化電流不流動時，對 在該至少一個激化繞線中感應出的反EMF取樣； 連接到該反EMF檢測裝置的輸出的零交叉檢測裝 20 4 ;用來決定來自零交叉之間的時間間隔，因而確定 該活塞往復移動的每個半週期的時間的計時裝置，以 及用於加總兩連續半週期時間而提供該往復移動週期 之裝置。 17 拾、申請專利範圍 4·如申請專利範圍第3項所述之自由活塞氣體I缩機， 其中，用來檢測該往復移動時間的任何突發變化的裝 置包括用以產生分別任一的半週期期間的已過遽或 平順值’用於加總二個半週期期間之平順值以產生往 復期間之平順值的裝置，以便提供一個不同的值的裝 置决疋*亥不同值是否高於對於—個預定週期的—個 預定臨界值之裝置。 5·如申請專利範圍第1或2項之自由活塞氣顏縮機，更 包含:用於漸增地增加動力輸入至馬達超過一段時間 以響應輸入動力降低之裝置。 6.如申請專利範圍第3項之自由活塞氣體壓縮機，更包 含：用於漸增地增加動力輸入至馬達超過-段時間以 響應輸入動力降低之裝置。 7·.如申請專利範圍第4項之自由活塞氣體廢縮機，更包 含：用於漸增地增加動力輸入至馬達超過-段時間以 響應輸入動力降低之裝置。 8,種控制往復式線性馬達中的電樞漂移的方法，包 含的步驟有： 確疋该電樞的往復移動時間； 檢測在該往復移動時間上的任何突發變化；及 回應於任何檢測到的往復時間變化，降低對該線性馬 達的動力輸入。 ^ 9·如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，確定該往 復移動時間的步驟，包括檢測在該線性馬達中的反 18 580536 拾、申請專利範匿 EMF的零交又，並從盆間的 八間的時間間隔確定該往復移動 時間的步驟。 10·如申請專利範圍第8或9項 述之方法，其中，該檢測 往復時間的任何突發變化的步驟，包括從一個已過遽 或平順值，導出該往復移動時間，以便提供一個不同 值的步驟，若該不同值高於用於—個預定週期的預定 臨界值，則減少對該線性馬達的動力輸入。 n.如申請專利範圍第8或9項之方法，其中在輸入 ίο 至馬達之動力降低之後，馬達動力漸增地增加 超過-段期間直到往復期間的突發變化再次被 檢測到為止。 12.如申請專利範圍第1G項之方法，其中在輸入至 馬達之動力降低之後，馬達動力漸增地增加超 15 過-段期間直到往復期間的突發變化再次被檢 測到為止。 20 19