TWI459690B - 凸極型線性馬達及具有凸極型線性馬達之往復式雙活塞壓縮機 - Google Patents

Description

凸極型線性馬達及具有凸極型線性馬達之往復式雙活塞壓縮機

本發明是有關於一種凸極型線性馬達及具有凸極型線性馬達之往復式雙活塞壓縮機，特別是有關於一種利用定子鐵芯的磁極在定子中前後排列，以驅動前後磁極上的線圈所產生的磁場透過磁極吸引動子沿著定子之中心軸向往復線性運動之馬達。此凸極型線性馬達之兩端更可連接具有雙活塞之壓縮機，使得壓縮機缸體內之氣體壓縮或帶動流體，構成由線性馬達帶動之往復式雙活塞壓縮機。

傳統旋轉型切換式磁阻馬達(switched reluctance motor,SRM)，係利用封閉磁力線會走最小磁阻路徑之特性，使得磁路中兩導磁材料會朝最小磁阻方向移動，而推動可移動的導磁材料往固定導磁材料移動，產生互相吸引的磁吸力來作為馬達驅動力矩之來源，由於此種轉矩原理使得馬達轉子及定子呈現凸極狀態，轉子上無激磁場繞組合或為永久磁鐵，只需導磁性佳的鐵芯簡易構造即可，大大降低構造成本，因此磁阻馬達具有構造簡單、體積小、可用於高轉速應用場所等優點。

傳統往復式壓縮機需要較大的馬達推力來達成氣體的壓縮循環或液體的帶動，然而受限於壓縮機整體體積限制，一般筒狀型線型馬達無法滿足如此高驅動力的需求，唯有藉 由傳統往復式壓縮機才足夠驅動力，而傳統往復式壓縮機主要利用旋轉式馬達帶動曲柄連桿(Crank)，經連桿機構推動活塞，使汽缸內氣體壓縮或帶動流體，進而得到所需要的壓力。

然而，此種傳統旋轉式馬達所帶動的往復式壓縮機雖具有成本較低以及運作範圍廣等優點，但活塞壓縮的過程中因旋轉式馬達帶動直線運動的活塞會造成一側向力，使汽缸壁磨損，間接導致噪音、振動及高機械損失等問題，影響整體系統效率，透過潤滑劑雖可減緩上述問題，卻衍生出潤滑油汙染壓縮氣體或流體等問題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中之一目的在於提供一種凸極型線性馬達及具有凸極型線性馬達之往復式雙活塞壓縮機，利用定子之磁極前後排列方式配合驅動磁極上之線圈，以驅動凸極型動子往復線性運動，進而帶動兩端壓縮機之活塞。本發明之線性馬達來帶動壓縮機不僅定子磁極上成形線圈的磁通密度高，所產生的磁驅動力強外，凸極動子構造可使用導磁性佳的材料或永久磁鐵，構造元件簡單大量節省製造成本，且因動子運動方向為直線往復運動能夠降低活塞運動時所造成之側向力，亦可減少摩擦耗損，進一步達到高機械強度、低機械耗損、低噪音及高效率。

緣是，根據本發明之另一目的，本發明提出一種凸極型線性馬達，此凸極型線性馬達至少包含殼體、定子、 動子及複數個線圈單元。

其中，定子設置於殼體中。此定子係由中間定子鐵芯及兩側定子鐵芯構成，並且沿著定子之中心軸向連接。其中，中間定子鐵芯及兩側定子鐵芯更具有複數個磁極成對向內凸出。此外，中間定子鐵芯之磁極位置分別對應於兩側定子鐵芯之磁極位置，使得兩側定子鐵芯之磁極係沿著中心軸向交錯排列或相對位置安置。進而將複數個線圈單元纏繞於前後磁極上。此外，中間定子鐵芯可選擇性地與兩側定子鐵芯一體成型，或者中間定子鐵芯可與兩側定子鐵芯中之一者一體成型。

續言之，此凸極型線性馬達之動子具有軸桿及複數個凸極。其中，軸桿係沿著中心軸向活動貫穿於定子。此凸極之數量與中間定子鐵芯之磁極數量相同，而且凸極之位置係對應於中間定子鐵芯之磁極位置。藉此當依序施加電流於前後線圈單元時，藉由前後纏繞於磁極上之前後線圈單元所產生之磁場，即透過磁極吸引動子沿著定子之中心軸向前後往復線性運動。

此外，此凸極型線性馬達可以中間定子鐵芯及/或兩側定子鐵芯為單元延伸定子之長度，並將動子凸極長度配合增加，藉此增加動子之運動行程。亦可增加動子之凸極及定子鐵芯磁極數量，以加強磁極對動子之磁吸力，使能夠有效地提高馬達之驅動力。

根據本發明之再一目的，提出一種具有凸極型線性馬達之往復式雙活塞壓縮機。此具有凸極型線性馬達之 往復式雙活塞壓縮機至少包含殼體、定子、動子、複數個線圈單元及複數個壓縮機缸體。

此凸極型線性馬達更可連接複數個具有活塞之壓縮機缸體。其中，壓縮機缸體之活塞係分別連接於動子之軸桿之兩端，使壓縮機缸體內氣體壓縮或帶動流體。利用此凸極型線性馬達定子鐵芯之前後磁極上的驅動線圈，將通入線圈中的電能透過磁能，直接轉換成線性運動的機械能，無需額外的轉換傳動機構或機件，以直接驅動動子作往復線性運動不僅能夠降低活塞運動時所造成之側向力，亦可減少摩擦耗損，進一步達到高機械強度、低機械耗損、低噪音及高效率。

承上所述，依據本發明之凸極型線性馬達之往復式雙活塞壓縮機，其可具有一或多個下述優點：

(1)本發明之凸極型線性馬達可依照中間定子鐵芯及兩側定子鐵芯為單元延伸定子之長度，並將動子凸極長度配合增加，藉此增加動子之運動行程。

(2)本發明之凸極型線性馬達可增加動子之凸極數量及定子鐵芯之磁極數量，以加強磁極對動子之磁吸力，進而能夠有效地提高馬達之驅動力。

(3)本發明之凸極型線性馬達更可連接複數個具有活塞之壓縮機缸體，利用此凸極型線性馬達之動子的往復線性運動，不僅能夠降低活塞運動時所造成之側向力，亦可減少摩擦耗損，進一步達到高機械強度、低機械耗損、低噪音及提高效率。

(4)本發明之凸極型線性馬達不僅定子磁極上成形線圈的磁通密度高，所產生的磁驅動力強外，凸極動子構造可使用導磁性佳的材料或永久磁鐵，構造元件簡單大量節省製造成本。

(5)本發明之凸極型線性馬達與兩側壓縮機是隔離設計，兩側壓縮機之壓縮氣體或液體並無流經馬達本體中，馬達磁力不受壓縮氣體或液體高溫影響而致使驅動力下降，所以可設計成各種尺寸及各種壓縮力的需求，並可使用在危險特殊化學氣體或流體的傳輸上使用。

(6)本發明之凸極型線性馬達構件單元簡單，且定子線圈驅動凸極動子運動即為直接線性往復運動線性度極高，故壓縮幾可設計成無油潤滑，為一項非常節能及高效率的設計。

茲為使 貴審查委員對本發明之技術特徵及所達到之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明如後。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之凸極型線性馬達及具有凸極型線性馬達之往復式雙活塞壓縮機之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

本發明之凸極型線性馬達係於定子上配置前後之定子鐵芯磁極，並於磁極上配置成形線圈，利用前後之線 圈產生磁場，藉由封閉磁力線會走最小磁阻路徑之特性，使得動子會朝著最小磁阻之方向移動，進而構成線性運動之凸極型線性馬達。並且利用此凸極型線性馬達驅動雙活塞雙路進出流體或壓縮氣體設計之壓縮機，以取代傳統採用旋轉馬達配合連桿機構帶動活塞之驅動方式。

請參閱第1圖，第1圖係為本發明之凸極型線性馬達之立體爆炸圖。此凸極型線性馬達至少包含殼體400、定子、動子300及複數個線圈單元。

其中，定子設置於殼體400中，此殼體400上更設置複數個散熱件410，此散熱件410可例如為散熱鰭片或其他可幫助殼體400散熱之元件。並且利用複數個螺絲430及蓋體420覆蓋殼體400之兩端。定子係由中間定子鐵芯100、前定子鐵芯110及後定子鐵芯120構成，且沿著定子之中心軸向連接。此中間定子鐵芯100、前定子鐵芯110及後定子鐵芯120之材質可例如為鐵、矽鋼片或其他導磁性材料。此外，中間定子鐵芯100可選擇性地與前定子鐵芯110及後定子鐵芯120一體成型，或者中間定子鐵芯100可與前定子鐵芯110或後定子鐵芯120一體成型。換言之，本發明之凸極型線性馬達可不配置中間定子鐵芯100，直接沿著中心軸向交錯排列或相對位置排列設計配置前定子鐵芯110及後定子鐵芯120之磁極。

續言之，中間定子鐵芯100更具有第一磁極單元101 及第二磁極單元102成對向內凸出，此第一磁極單元101及第二磁極單元102之數量可例如分別為兩個、三個或四個，但不以此為限。前定子鐵芯110及後定子鐵芯120亦各別具有第三磁極單元111及第四磁極單元121成對向內凸出，此第三磁極單元111及第四磁極單元121之數量可例如分別為兩個、三個或四個，但不以此為限。此外，中間定子鐵芯100之磁極之數量可例如分別為前定子鐵芯110及後定子鐵芯120之磁極之數量總合。換言之，第一磁極單元101及第二磁極單元102之數量總合與第三磁極單元111及第四磁極單元121之數量總合相同。

續言之，第一磁極單元101之位置係可例如對應於第四磁極單元121之位置，第二磁極單元102之位置係可例如對應於第三磁極單元111之位置。使得第三磁極單元111及第四磁極單元121沿著定子之中心軸向交錯排列。此外，第一線圈單元130係纏繞於第二磁極單元102及第三磁極單元111上，而第二線圈單元140係纏繞於第一磁極單元101及第四磁極單元121上。

續言之，此凸極型線性馬達之動子300具有軸桿320及複數個凸極310。其中，動子300之材質可例如為鐵、矽鋼片、永久磁鐵或其他導磁性材料。此凸極310之數量與中間定子鐵芯100之磁極數量相同。換言之，若第一磁極單元101及第二磁極單元102之數量總合為四個，則凸極310之數量即為四個。其中，軸桿320係沿著中心軸向活動貫穿於定子，且此軸桿320凸出於蓋體 420。而凸極310之位置係對應於第一磁極單元101及第二磁極單元102位置。

因此，當施加電流於第一線圈單元130時，藉由纏繞於第二磁極單元102及第三磁極單元111上之第一線圈單元130所產生之磁場，即吸引動子300沿著定子之中心軸向朝著第二磁極單元102及第三磁極單元111之位置移動。反之，當施加電流於第二線圈單元140時，藉由纏繞於第一磁極單元101及第四磁極單元121上之第二線圈單元140所產生之磁場，即吸引動子300沿著定子之中心軸向朝著第一磁極單元101及第四磁極單元121之位置移動。藉此，當依序施加電流於第一線圈單元130及第二線圈單元140時，即驅動磁極吸引動子300沿著定子之中心軸向往復線性運動。

此外，此凸極型線性馬達可依照中間定子鐵芯100、前定子鐵芯110及/或後定子鐵芯120為單元延伸定子之長度，並將動子300之凸極310長度配合增加，藉此增加動子300之運動行程。而且，此凸極型線性馬達亦可增加動子300之凸極310數量及定子鐵芯之磁極數量，以加強磁極對動子300之磁吸力，亦能夠有效地提高馬達之驅動力。

請參閱第1圖及第2圖，第2圖係為本發明之凸極型線性馬達之前視圖。為使圖面簡潔，故未繪示殼體400、散熱件410、蓋體420及螺絲430。

續言之，此凸極型線性馬達之第一線圈單元130係 纏繞於第二磁極單元102及第三磁極單元111上，而第二線圈單元140係纏繞於第一磁極單元101及第四磁極單元121上。藉此當依序施加電流於第一線圈單元130及第二線圈單元140時，以藉由磁力驅動磁極吸引動子300沿著定子之中心軸向往復線性運動。

請參閱第3a-3b圖，第3a-3b圖係為本發明之凸極型線性馬達之立體示意圖。當此凸極型線性馬達組合後，第二磁極單元102及第三磁極單元111係共同構成第一磁極210，而第一磁極單元101及第四磁極單元121則共同構成第二磁極220。

因此，如第3a圖所示，當施加電流於第一線圈單元130時，藉由纏繞於第一磁極210上之第一線圈單元130所產生之磁場，即吸引動子300沿著定子之中心軸向朝著第一磁極210之位置移動。如第3b圖所示，當施加電流於第二線圈單元140時，藉由纏繞於第二磁極220上之第二線圈單元140所產生之磁場，即吸引動子300沿著定子之中心軸向朝著第二磁極220之位置移動。藉此當依序施加電流於第一線圈單元130及第二線圈單元140時，即磁通經由磁極吸引動子300沿著定子之中心軸向往復線性運動。

請參閱第3a-3b圖及第4a-4c圖，第4a-4c圖係為本發明之凸極型線性馬達延伸定子之長度之立體示意圖。為使圖面簡潔，故未繪示殼體400、散熱件410、蓋體420及螺絲430。

續言之，此凸極型線性馬達更可例如連接第三磁極200於第一磁極210前，第三線圈單元150係纏繞於第三磁極200上。如第4a圖所示，當施加電流於第三線圈單元150時，藉由纏繞於第三磁極200上之第三線圈單元150所產生之磁場，即吸引動子300沿著定子之中心軸向朝著第三磁極200之位置移動。

續言之，如第4b圖所示，當施加電流於第一線圈單元130時，藉由纏繞於第一磁極210上之第一線圈單元130所產生之磁場，即吸引動子300沿著定子之中心軸向朝著第一磁極210之位置移動。

續言之，如第4c圖所示，當施加電流於第二線圈單元140時，藉由纏繞於第二磁極220上之第二線圈單元140所產生之磁場，即吸引動子300沿著定子之中心軸向朝著第二磁極220之位置移動。

因此，當依序施加電流於第一線圈單元130、第二線圈單元140及第三線圈單元150時，即驅動磁極吸引動子300沿著定子之中心軸向往復線性運動，藉此增加動子300之運動行程。

請參閱第5圖，第5圖係為本發明之凸極型線性馬達之兩端連接壓縮機缸體之剖面圖。以八個凸極310之動子300為例，此凸極型線性馬達更可連接具有活塞510之壓縮機缸體500，此壓縮機缸體500上更可設置複數個散熱件410，此散熱件410可例如為散熱鰭片或其他可幫助殼體400散熱之元件。壓縮機缸體500之活塞510 係可例如分別連接於動子300之軸桿320之兩端，使壓縮機缸體500內氣體壓縮或帶動流體。

續言之，此壓縮機缸體500更包含例如四個進氣逆止閥門520及四個出氣逆止閥門530。當施加電流於第一線圈單元130時，第一磁極210即吸引動子300帶動兩側活塞510往左壓縮，使得兩側壓縮機缸體500左下之出氣逆止閥門530開啟，進而壓縮氣體或流體由壓縮機缸體500左下之出氣逆止閥門530排出。同時，兩側壓縮機缸體500右上之進氣逆止閥門520因壓縮機缸體500內部形成負壓，進而開啟壓縮機缸體500右上之進氣逆止閥門520，使得氣體或流體由壓縮機缸體500右上之進氣逆止閥門520進入壓縮機缸體500中。

續言之，當施加電流於第二線圈單元140時，第二磁極220即吸引動子300帶動兩側活塞510往右壓縮，使得兩側壓縮機缸體500右下之出氣逆止閥門530開啟，進而壓縮氣體或流體由壓縮機缸體500右下之出氣逆止閥門530排出。同時，兩側壓縮機缸體500左上之進氣逆止閥門520因壓縮機缸體500內部形成負壓，進而開啟壓縮機缸體500左上之進氣逆止閥門520，使得氣體或流體由壓縮機缸體500左上之進氣逆止閥門520進入壓縮機缸體500中。

因此，利用此凸極型線性馬達之動子300的往復線性運動，不僅能夠降低活塞510運動時所造成之側向力，亦可減少摩擦耗損，進一步達到高機械強度、低機 械耗損、低噪音及高效率。本發明之線性馬達帶動往復式雙活塞壓縮機亦可設計成高低壓縮機型式，並且可應用於電動車冷氣、除濕機、冷飲機、冰水機、各類型電冰箱、家用冷氣、各類型制冷壓縮機、各類家電、空氣壓縮機、各類空調壓縮機、工業用壓縮機或需具有往復運動壓縮系統之驅動源。

此外，請參閱第6a-6b圖，為防止單組兩端連接壓縮機缸體500之凸極型線性馬達所產生之震動，可將兩組兩端連接壓縮機缸體500之凸極型線性馬達串接，並且安排兩組活塞510相對運動，以抵消因活塞往復運動所造成之震動，進而達到力量平衡減震功能。

請參閱第7圖，第7圖係為本發明之凸極型線性馬達加強末端磁力之立體示意圖。以八個凸極310之動子300為例，在第二磁極220之前端更可設置第四磁極230，而且第四線圈單元160纏繞於第四磁極230上。此外，第一磁極210之末端更可設置第五磁極240，而且第五線圈單元170纏繞於第五磁極240上。

續言之，當同時施加電流於第一線圈單元130及第四線圈單元160時，第一磁極210及第四磁極230即吸引動子300沿著定子之中心軸向朝著第一磁極210及第四磁極230之位置移動。反之，當同時施加電流於第二線圈單元140及第五線圈單元170時，第二磁極220及第五磁極240即吸引動子300沿著定子之中心軸向朝著第二磁極220及第五磁極240之位置移動。

因此，利用第四磁極230及第五磁極240分別設置於此凸極型線性馬達之前端及末端，可加強前端及末端之磁力，以增強馬達兩端定位之驅動力。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

100‧‧‧中間定子鐵芯

101‧‧‧第一磁極單元

102‧‧‧第二磁極單元

110‧‧‧前定子鐵芯

111‧‧‧第三磁極單元

120‧‧‧後定子鐵芯

121‧‧‧第四磁極單元

130‧‧‧第一線圈單元

140‧‧‧第二線圈單元

150‧‧‧第三線圈單元

160‧‧‧第四線圈單元

170‧‧‧第五線圈單元

200‧‧‧第三磁極

210‧‧‧第一磁極

220‧‧‧第二磁極

230‧‧‧第四磁極

240‧‧‧第五磁極

300‧‧‧動子

310‧‧‧凸極

320‧‧‧軸桿

400‧‧‧殼體

410‧‧‧散熱件

420‧‧‧蓋體

430‧‧‧螺絲

500‧‧‧壓縮機缸體

510‧‧‧活塞

520‧‧‧進氣逆止閥門

530‧‧‧出氣逆止閥門

第1圖 係為本發明之凸極型線性馬達之立體爆炸圖。

第2圖 係為本發明之凸極型線性馬達之前視圖。

第3a圖 係為本發明之凸極型線性馬達之施加電流於第一線圈單元之立體示意圖。

第3b圖 係為本發明之凸極型線性馬達之施加電流於第二線圈單元之立體示意圖。

第4a圖 係為本發明之凸極型線性馬達延伸定子長度並施加電流於第三線圈單元之立體示意圖。

第4b圖 係為本發明之凸極型線性馬達延伸定子長度並施加電流於第一線圈單元之立體示意圖。

第4e圖 係為本發明之凸極型線性馬達延伸定子長度並施加電流於第二線圈單元之立體示意圖。

第5圖 係為本發明之凸極型線性馬達之兩端連接壓縮機缸體之剖面圖。

第6a圖 係為本發明之凸極型線性馬達雙活塞壓縮機組兩組串接活塞往兩側相對運動之剖面圖。

第6b圖 係為本發明之凸極型線性馬達雙活塞壓縮機組兩組串接活塞往中間相對運動之剖面圖。

第7圖 係為本發明之凸極型線性馬達加強末端磁力之立體示意圖。

100‧‧‧中間定子鐵芯

101‧‧‧第一磁極單元

102‧‧‧第二磁極單元

110‧‧‧前定子鐵芯

111‧‧‧第三磁極單元

120‧‧‧後定子鐵芯

121‧‧‧第四磁極單元

130‧‧‧第一線圈單元

140‧‧‧第二線圈單元

300‧‧‧動子

310‧‧‧凸極

320‧‧‧軸桿

400‧‧‧殼體

410‧‧‧散熱件

420‧‧‧蓋體

430‧‧‧螺絲

Claims (10)

1. 一種凸極型線性馬達，包含：一殼體；一定子設置於該殼體中，該定子係由一中間定子鐵芯及兩側定子鐵芯構成，且沿著該定子之一中心軸向連接，該中間定子鐵芯及該兩側定子鐵芯更具有複數個磁極成對向內凸出；複數個線圈單元係纏繞於該些磁極上；以及一動子，該動子具有一軸桿及複數個凸極，其中該軸桿係沿著該中心軸向活動貫穿於該定子，藉此當依序施加電流於該些線圈單元時，藉由纏繞於該些磁極上之該些線圈單元所產生之一磁場，即驅動該些磁極吸引該動子沿著該定子之該中心軸向往復線性運動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之凸極型線性馬達，其中該中間定子鐵芯之該些磁極位置分別對應於該兩側定子鐵芯之該些磁極位置，使得該兩側定子鐵芯之該些磁極係沿著該中心軸向交錯排列或相對位置安置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之凸極型線性馬達，其中該動子上該些凸極之數量與該中間定子鐵芯之該些磁極數量相同，且該些凸極之位置係對應於該中間定子鐵芯之該些磁極位置，而該中間定子鐵芯及 該兩側定子鐵芯之材質為鐵、矽鋼片或導磁性材料。
4. 如申請專利範圍第1項所述之凸極型線性馬達，其中該動子之材質為鐵、矽鋼片、永久磁鐵或導磁性材料。
5. 如申請專利範圍第1項所述之凸極型線性馬達，其中該中間定子鐵芯與該兩側定子鐵芯係一體成型，或者該中間定子鐵芯係與該兩側定子鐵芯中之一者一體成型，該兩側定子鐵芯之該些磁極係沿著該中心軸向交錯排列或相對位置安置。
6. 一種具有凸極型線性馬達之往復式雙活塞壓縮機，包含：一殼體；一定子設置於該殼體中，該定子係由一中間定子鐵芯及兩側定子鐵芯構成，且沿著該定子之一中心軸向連接，該中間定子鐵芯及該兩側定子鐵芯更具有複數個磁極成對向內凸出；複數個線圈單元係纏繞於該些磁極上；一動子，該動子具有一軸桿及複數個凸極，其中該軸桿係沿著該中心軸向活動貫穿於該定子，藉此當依序施加電流於該些線圈單元時，藉由纏繞於該些磁極上之該些線圈單元所產生之一磁場，即驅動該些磁極吸引該動子沿著該定子之該中心軸向往復線性運動；以及 複數個具有一活塞之壓縮機缸體，其中該些壓縮機缸體之該些活塞係分別連接於該動子之該軸桿兩端。
7. 如申請專利範圍第6項所述之凸極型線性馬達之往復式雙活塞壓縮機，其中該中間定子鐵芯之該些磁極位置分別對應於該兩側定子鐵芯之該些磁極位置，使得該兩側定子鐵芯之該些磁極係沿著該中心軸向交錯排列或相對位置安置。
8. 如申請專利範圍第6項所述之凸極型線性馬達之往復式雙活塞壓縮機，其中該動子上該些凸極之數量與該中間定子鐵芯之該些磁極數量相同，且該些凸極之位置係對應於該中間定子鐵芯之該些磁極位置。
9. 如申請專利範圍第6項所述之凸極型線性馬達之往復式雙活塞壓縮機，其中該些壓縮機缸體更包含複數個進氣逆止閥門及複數個出氣逆止閥門。
10. 如申請專利範圍第6項所述之凸極型線性馬達之往復式雙活塞壓縮機，其中該中間定子鐵芯與該兩側定子鐵芯係一體成型，或者該中間定子鐵芯係與該兩側定子鐵芯中之一者一體成型，該兩側定子鐵芯之該些磁極係沿著該中心軸向交錯排列或相對位置安置。