TWI500242B - 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線圈單元產生之磁場，以驅動動子中前後交錯排列的第一凸極及第二凸極透過磁極吸引第一凸極或第二凸極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，本發明之一目的就是在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，利用定子上纏繞有線圈的磁極配合動子中前後交錯排列的凸極，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。藉由本發明之凸極型線性馬達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，動子的凸極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。定子設置於殼體中，此定子具有複數個磁極成對向內凸出。複數個線圈單元係纏繞於 磁極上。動子具有軸桿及複數個第一凸極及複數個第二凸極，其中軸桿係沿著定子之中心軸向活動貫穿於定子，第一凸極與第二凸極係前後交錯排列。藉此當依序施加電流於線圈單元時，藉由纏繞於磁極上之線圈單元所產生之磁場，即驅動磁極吸引動子之第一凸極或第二凸極沿著定子之中心軸向往復線性運動。其中，動子或定子之材質為鐵、矽鋼片、永久磁鐵或導磁性材料。

較佳地，動子之第一凸極及第二凸極之數量總和與定子之磁極數量相同。第一凸極及第二凸極之位置係對應於磁極之位置。此外，第一凸極及第二凸極之長度係大於動子之長度的一半。

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，使得壓縮機缸體內氣體壓縮或帶動流體。此外，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。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。

(2)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。

(3)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，動子之凸極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。

(4)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。

(5)本發明之凸極型線性馬達構件單元簡單，且定子線圈驅動動子之凸極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。

100‧‧‧殼體

110‧‧‧散熱件

120‧‧‧蓋體

130‧‧‧螺絲

200‧‧‧定子

210‧‧‧第一定子單元

220‧‧‧第二定子單元

201‧‧‧第一磁極單元

202‧‧‧第二磁極單元

410‧‧‧第一線圈單元

420‧‧‧第二線圈單元

411‧‧‧第一固定件

421‧‧‧第二固定件

300‧‧‧動子

310‧‧‧第一凸極

320‧‧‧第二凸極

330‧‧‧軸桿

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第一實施例之立體爆炸圖。

第2圖 係為本發明之凸極型線性馬達之第一實施例之前視圖。

第3a圖 係為本發明之凸極型線性馬達之第一實施例中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第一實施例中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之第二實施例中動子之立體示意圖。

第4b圖 係為本發明之凸極型線性馬達之第二實施例中施加電流於第一線圈單元之立體示意圖。

第4c圖 係為本發明之凸極型線性馬達之第二實施例中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中間相對運動之剖面圖。

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兩側相對運動之剖面圖。

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動子上配置前後交錯之凸極，並於定子磁極上配置成形線圈，利用線圈產生磁場，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第一實施例之立體爆炸圖。此凸極型線性馬達至少包含殼體100、定子200、動子300、第一線圈單元410及第二線圈單元420。

如第1圖所示，定子200設置於殼體100中，且定子200具有第一磁極單元201及第二磁極單元202成對向內凸出。殼體100上更設置複數個散熱件110，此散熱件110可例如為散熱鰭片或其他可幫助殼體100散熱之元件。並且利用複數個螺絲130及蓋體120覆蓋殼體100之兩端。

此外，定子200可由第一定子單元210及第二定子單元220組合而成，藉由增加定子單元的數量可提高第一磁極單元201及第二磁極單元202對動子300的磁吸力。當定子200由第一定子單元210及第二定子單元220組合而成時，第一線圈單元410及第二線圈單元420可分別纏繞第一磁極單元201及第二磁極單元202，並藉由第一固定件411及第二固定件421而穩固第一定子單元210、第二定子元220、第一線圈單元410及第二線圈單元420，以避免在凸極型線性馬達於往復運動過程中鬆脫。其中，第一定子單元210可選擇性地與第二定子單元220一體成型。定子200之材質可例如為鐵、矽鋼片、永久磁鐵或其他導磁性材料。

續言之，如第1圖所示，動子300具有軸桿330及複數個第一凸極310及複數個第二凸極320，其中軸桿330係沿著定子200之中心軸向活動貫穿於定子200，第一凸極310與第二凸極320係前後交錯排列。第一凸極310及第二凸 極320之數量可例如分別為兩個、三個或四個，但不以此為限。此外，第一凸極310及第二凸極320之數量總和與定子200之第一磁極單元201及第二磁極單元202數量之數量總和相同。舉例來說，在本發明之第一實施例中，第一凸極310及第二凸極320之數量分別為兩個，而第一磁極單元201及第二磁極單元202之數量同樣分別為兩個。動子300之材質可例如為鐵、矽鋼片、永久磁鐵或導磁性材料。

第2圖係為本發明之凸極型線性馬達之第一實施例之前視圖。為使圖面簡潔，故未繪示殼體100、散熱件110、蓋體120及螺絲130。如第2圖所示，在本發明之第一實施例中，第一凸極310及第二凸極320之位置係分別對應於第一磁極單元201及第二磁極單元202之位置，且凸極型線性馬達之第一線圈單元410係纏繞於第一磁極單元201上，而第二線圈單元420係纏繞於第二磁極單元202上。藉此當依序施加電流於第一線圈單元410及第二線圈單元420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圖係為本發明之凸極型線性馬達之第一實施例中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第一實施例中施加電流於第二線圈單元之立體示意圖。如第3a圖所示，當施加電流於第一線圈單元410時，藉由纏繞於第一磁極單元201上之第一線圈單元410所產生之磁場，即吸引動子300之第一凸極310沿著定子200之中心軸向朝著第一磁極單元201之位置移動。如第3b圖所示，當施加電流於第二線圈單元420時，藉由纏繞於第二磁極單元202上之第二線圈單元420所產生之磁場，即吸引動子300之第二凸極320沿著定子200之中心軸向朝著第二磁極單元202之 位置移動。藉此當依序施加電流於第一線圈單元410及第二線圈單元420時，即經由磁通磁極單元以吸引動子300沿著定子200之中心軸向往復線性運動。

此外，為提高凸極型線性馬達往復式線性運動之效率，第一凸極310及第二凸極320之長度係可大於動子300之長度的一半。舉例來說，請一併參閱第3a圖及第3b圖，在第一凸極310受第一線圈單元410所產生之磁場吸引後，由於此時第二凸極320係部分對應於第二線圈單元420(見第3a圖)，因此當施加一電流於第二線圈單元420時，第二線圈單元420所產生之磁場更易磁吸第二凸極320沿著定子200之中心軸向移動。因此，當第一凸極310及第二凸極320之長度大於動子300之長度的一半時，可有效提高凸極型線性馬達往復式線性運動之效率。

如前所述，第一凸極310及第二凸極320之數量可例如分別為兩個、三個或四個，但不以此為限。請參閱第4a-4c圖，在本發明之第二實施例中，第一凸極310及第二凸極320之數量分別為四個，而分別相對應於第一凸極310及第二凸極320之第一線圈單元410及第二線圈單元420之數量同樣分別為四個。第4b圖及第4c圖係分別為本發明之凸極型線性馬達之第二實施例中施加電流於第一線圈單元及第二線圈單元之立體示意圖。本發明之第二實施例與第一實施例之差異之處僅在於第一凸極310、第二凸極320、第一線圈單元410及第二線圈單元420之數量。由於第二實施例驅動凸極型線性馬達之原理與第一實施例相同，故在此不再贅述。

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。以四個第一凸極310及四個第二凸極320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110，此散熱件110可例如為散熱鰭片或其他可幫助殼體100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330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。當施加電流於第二線圈單元420時，第二磁極單元202即吸引動子300之第二凸極320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，當施加電流於第一線圈單元410時，第一磁極單元201即吸引動子300之第一凸極310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之凸極型線性馬達500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。

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‧‧‧殼體

110‧‧‧散熱件

120‧‧‧蓋體

130‧‧‧螺絲

200‧‧‧定子

210‧‧‧第一定子單元

220‧‧‧第二定子單元

201‧‧‧第一磁極單元

202‧‧‧第二磁極單元

410‧‧‧第一線圈單元

420‧‧‧第二線圈單元

411‧‧‧第一固定件

421‧‧‧第二固定件

300‧‧‧動子

310‧‧‧第一凸極

320‧‧‧第二凸極

330‧‧‧軸桿

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第一凸極及複數個第二凸極，其中該軸桿係沿著該定子之一中心軸向活動貫穿於該定子，該些第一凸極與該些第二凸極係前後交錯排列且分別位於該軸桿之兩側，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之該些第一凸極或該些第二凸極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，其中該動子之該些第一凸極及該些第二凸極之數量總和與該定子之該些磁極數量相同。
3. 如申請專利範圍第1項所述之凸極型線性馬達，其中該些第一凸極及該些第二凸極之位置係對應於該些磁極之位置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之凸極型線性馬達，其中該些第一凸極及該些第二凸極之長度係大於該動子之長度的一半。
5. 如申請專利範圍第1項所述之凸極型線性馬達，其中該動子或該定子之材質為鐵、矽鋼片、永久磁鐵或導磁性材料。
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第一凸極及複數個第二凸極，其中該軸桿係沿著該定子之一中心軸向活動貫穿於該定子，該些第一凸極與該些第二凸極係前後交錯排列且分別位於該軸桿之兩側，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之該些第一凸極或該些第二凸極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。
8. 如申請專利範圍第6項所述之往復式雙活塞壓縮機，其中該動子之該些第一凸極及該些第二凸極之數量總和與該定子之該些磁極數量相同，且該些第一凸極及該些第二凸極之位置係對應於該些磁極之位置。
9. 如申請專利範圍第6項所述之往復式雙活塞壓縮機，其中該些第一凸極及該些第二凸極之長度係大於該動子之長度的一半。
10. 如申請專利範圍第6項所述之往復式雙活塞壓縮機，其中該動子或該定子之材質為鐵、矽鋼片、永久磁鐵或導磁性材料。