動磁式直線壓縮機的制作方法

專利名稱：動磁式直線壓縮機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種直線壓縮機，屬于機械工程中壓縮機領域。
背景技術：
壓縮式制冷循環是制冷的主要方式之一，在冰箱、冷凍冷藏及空調及低溫工程領域中都有著廣泛的應用，因此壓縮機被比作制冷空調系統的心臟。制冷與空調壓縮機工作時要消耗大量的電能，其用電量大約占居民全部用電量的一半以上。因此，節能永遠是制冷空調行業永恒的課題。在2003年，中國的冰箱市場全面執行新的能效標準，更說明節能研究的緊迫性。傳統的冰箱壓縮機大多是由旋轉電機驅動的往復活塞式壓縮機(RMC)，它在近幾年得到了較快發展，性能指標得到了很大的提高。由于其結構所限，這種壓縮機性能的提高將十分困難，因此有必要研究開發一種新型的壓縮機取而代之。而目前的低溫制冷機廣泛地采用了直線壓縮機作為壓力波發生器，如直線壓縮機驅動的脈沖管制冷機、斯特林制冷機等。直線壓縮機由于不存在將電動機的旋轉運動轉變為活塞直線往復運動的轉換機構，由直線電機直接驅動活塞運動，其行程及止點由程序或電磁力來控制，從而可使壓縮機的結構緊湊，效率高、壽命長。
直線壓縮機根據結構的不同分為動磁、動圈和動鐵式三種結構形式。動鐵式直線電機壓縮機由于動子的的質量大，較少用于中高頻直線振蕩電機中。目前，斯特林制冷機多采用動圈式直線振蕩電機，它產生的平均推力小，而且由于電機的動子在工質中往復運動、動子線圈的導線易短路和斷路，并且電流產生的焦耳熱也很難散出，由上述結構特點動圈式直線電機不宜用于中大冷量的斯特林制冷機中；動磁式直線振蕩電機不僅結構簡單、損耗小、壽命長，控制電路也不復雜，容易對振蕩的頻率和振幅實現控制，而且隨著NdFeB等具有高磁通量新型永磁材料的出現，動磁式電動機在少量磁鐵下就能產生足夠的動力，因此相對于其它電動機來說，其運動部件的質量要輕的多。較小的運動部件質量就意味著容易設計滿足線性壓縮機的諧振彈簧。因此，應用動磁式直線振蕩電動機是高性能電動機的主要方向。
經文獻檢索發現，中國發明專利申請公開號1330223A，名稱為直線壓縮機，該發明自述為直線壓縮機包括一個具有法蘭和圓筒形部的汽缸由一個承機構支承在氣密容器內，一個沿著軸向可移動地支承在圓筒形部內的活塞，一個將軸向力施加給活塞的彈簧件，和一個直線電動機，其定子固定在氣缸的法蘭上并設置在圓筒部外周的周圍，其移動件則與活塞連接，其特征在于定子和圓筒形部之間形成一個空間。該發明雖然利用動磁式直線電機與活塞相連形成了直線壓縮機，但是由于電機采用了將勵磁線圈置于電機內磁軛上，由于動磁式電機一般采用大勵磁電流，從而電流的發熱量也非常大，采用這種布置，由于封閉殼體內的對流很弱，電機熱只能通過面積有限的機座散出，從而使得整個壓縮機面臨溫升過快的危險。其次，其結構中活塞與彈簧采用了類似于懸臂的結構，這種結構很難克服由于電機側向力及重力對活塞的影響，從而引起活塞與氣缸的側向磨損。
公開號為1585857A，名稱為“直線壓縮機”的專利申請，自述為本發明涉及的直線壓縮機，由缸體、活塞、缸體端面、構成直線電動機部分的可動部分及固定部分、螺旋彈簧、端蓋部分、支承機構部分、密閉容器等構成。缸體內形成有進行氣體壓縮的壓縮室。彈簧機構構件的彈簧構件由具有一定彈簧剛性的螺旋彈簧構成。在螺旋彈簧被最大壓縮時，通過確保活塞的端面和上述缸體端面之間存在間隙，可以限制直線壓縮機的活塞的振幅。該發明采用了動磁式直線電機驅動壓縮機，但是由于螺旋彈簧的徑向剛度幾乎為零，側向力必然會引起氣缸與活塞的側向磨損，從而縮短壓縮機的使用壽命；利用螺旋彈簧被最大壓縮時的位置來防止活塞與缸體之間的碰撞這一方案在實際運行中存在問題，首先彈簧處于最大壓縮位置時，螺旋彈簧鋼絲會發生接觸，從而會在運行時產生噪音和引起損壞。其次，彈簧處于最大壓縮狀態時剛度最大，在最大形變區間內剛度的非線性強，而這種非線性性對電機穩定運行是不利的。

發明內容
本發明針對現有技術的不足和缺陷，提出了一種新型結構的直線壓縮機，通過采用多片形結構永磁體、長臂懸掛柔性彈簧結構和采用新型型線的柔性彈簧，減弱了活塞與氣缸壁的摩擦。通過將勵磁線圈安裝在外層磁軛中，從而有利于電機散熱，減小了永磁體由于溫度過高引起的退磁風險。采用新型的結構形式，通過裝配關系來保證壓縮過程中活塞與氣缸不發生碰撞。整個壓縮機零件少，裝配簡單。
本發明的技術方案如下根據本發明的一種動磁式直線壓縮機，包括一直線電機組件，其主要具有同心組合結構的內、外磁軛、勵磁線圈、永磁體和電機動子托架，永磁體位于電機動子托架上并處于由內外磁軛構成的磁場中；一壓縮機組件，其主要有相聯結的機座、氣缸、安裝在機座上的排氣閥程度氣閥、以及與電機動子托架相聯結的活塞，其中，氣缸與活塞之間形成一定間隔，機座還分別與內、外磁軛聯結；以及一機殼，其通過螺栓固定于機座上，并具密封聯結，特點是a.還有一懸掛組件，其主要有與機座相聯結的彈簧支架、安裝于彈簧支架與電機動子托架上的柔性彈簧、內、外墊圈、以及裝置在電機動子托架與內磁軛之間防止活塞與氣缸相撞的防撞缸機構；b.該永磁體采用減少偏心磁力的多片形結構；c.該勵磁線圈呈環狀，固定在外磁軛所形成的凹槽內。
進一步，所述的永磁體為多塊平行取向的扇形永磁體拼接成的準輻射永磁路結構，永磁體由銣鐵硼磁體制成，所說的銣鐵硼磁體為拼塊的準輻射取向的永磁體環，所說的銣鐵硼磁體接塊鑲嵌在電機動子托架上；所述的壓縮機組件中的機座和氣缸為一體結構，以提高氣缸的剛度；所述的懸掛組件中采用單邊彈簧布置結構，并將多片柔性彈簧分成分層布置，以前排彈簧作為支點，由后排彈簧提供力矩保持活塞位于中心位置；更具體地，所述柔性彈簧為圓漸開式渦旋線型柔性彈簧；所述的防撞缸機構系為設置在電機動子托架與內磁軛可能接觸的平面上的粘貼橡膠防撞片。
如上所述，本發明的動磁式直線壓縮機的運行過程是當勵磁線圈通入交流電時，在內外磁軛及氣隙間形成交變磁場，動子永磁體受交變的電磁力的作用，帶動活塞與柔性彈簧一起形成往復的壓縮與膨脹過程，對氣缸內的氣體形成交替的壓縮與膨脹過程。
本發明的優點是1、關于永磁體，其采用多片形結構，從而減少了偏心磁力；采用銣鐵硼作為制造材料，并且用多塊平行取向的扇形永磁體拼接成準輻射取向的永磁路結構，因此，能較好地發揮銣鐵硼材料高矯頑力的特點，既可節省材料，也能避免由于退磁循環進入或低于M-H曲線膝點時所產生的不可逆磁損失；2、由于采用柔性彈簧懸掛結構，能提供大力矩而減少了偏心力的影響，也更由于將多片彈簧分為多層布置，從而，可以利用前排彈簧作為支點和利用后排彈簧片的徑向力的作用，使活塞保持在中心位置；3、由于使用柔性彈簧，易于提供高的彈簧剛度；4、由于設置壓縮機防撞缸裝置，保證在滿壓縮行程時，活塞頭不與氣缸發生磁撞。


圖1是本發明的結構示意圖。
圖2是本發明的一個實施例示意圖。
圖3是本發明中的永磁體磁片布圖。
圖4是本發明中的彈簧懸掛組件圖。
圖5是本發明中的柔性彈簧剖面示意圖。
圖6是本發明中的壓縮機防撞缸機構示意圖。
具體實施例方式下面根據圖1～圖6給出本發明一個較好實施例，并予以詳細描述，以使能更好地說明本發明的結構特征和功能特點，而不是用限定本發明的保護范圍。
參閱圖1和圖2，本發明動磁式直線壓縮機包括直線電機組件1、壓縮機組件2、懸掛組件3和機殼4。
直線電機組件1包括外磁軛10、內磁軛11、勵磁線圈12、永磁體13、電機動子托架14。外磁軛10、內磁軛11均通過螺釘固定在機座20上，勵磁線圈12繞制成環狀固定于外磁軛10形成的凹槽中，永磁體13采用徑向充磁，空間采用六片或八片分塊粘接在電機動子托架14上，處于外磁軛10、內磁軛11構成的磁場中。如圖3所示，電機動子托架14由鋁合金加工成筒狀，一端通過螺栓與懸掛組件3聯接。根據磁路計算得到的磁片厚度和寬度，在該托架14上加工出若干凹槽，用于固定永磁體13。片狀的永磁體13通過徑向充磁后，分別粘貼在電機動子托架14上，安裝時，永磁體13分別與外磁軛10一一對應，共同與內磁軛11形成完整的磁路。電機動子托架14、外磁軛10、內磁軛11、勵磁線圈12、永磁體13保持同心。壓縮機組件2包括機座20、氣缸21、排氣閥22、吸氣閥23、活塞24。機座20與氣缸21加工成一體，保證氣缸21有足夠的剛度。排氣閥22、吸氣閥23安裝于機座20上。活塞24與電機動子托架14通過螺釘相連，同時，加工時需保證與氣缸21之間形成一定的間隙。懸掛組件3主要由彈簧支架30、柔性彈簧31、外墊圈32、內墊圈33、防撞片34組成。彈簧支架30通過螺釘與機座20相連，多片柔性彈簧31相迭、柔性彈簧31之間墊入外墊圈32、內墊圈33使形成一定的間距。柔性彈簧31利用圓的漸開線形成如圖5所示。首先根據設計需要的剛度決定所需要的漸開線型線的幾何參數，包括漸開角、基圓半徑、漸開線起始角，柔性彈簧片厚度等。然后由得到的型線，利用電火花切割或化學蝕刻的方法在不銹鋼或是其它金屬平板上加工出渦旋槽，最后根據與電機動子托架14和彈簧支架30接口的尺寸加工出通孔用于螺栓固定。多片柔性彈簧31、外墊圈32、內墊圈22通過螺釘固定到彈簧支架30上。彈簧支架30的長度根據所需要的柔性彈簧31的片數放一定的余量，將加工得到的柔性彈簧31中間加上外墊圈32、內墊圈33通過長螺栓固定于彈簧支架30上，柔性彈簧31與電機動子托架14也用同樣的方法固定，所用的內、外墊圈的數量與厚度都應該一一對應，從而保證柔性彈簧31不發生形變引起活塞24平衡位置的改變。通過合理的設計各個零件的幾何尺寸，可以保證形成如圖6所示的防撞缸機構，防止活塞24與氣缸21相撞。具體的是要保證電機動子托架14與內磁軛11之間形成的間隙的距離在平衡位置時等于活塞24的壓縮行程。在電機動子托架14與內磁軛11可能發生接觸的部位，粘貼橡膠防撞片，以減弱當撞缸發生時，電機動子托架14對內磁軛11的沖擊，避免由于沖擊引起的零件的變形。機殼4通過螺栓固定于機座20上，兩者之間必須保證密封，而且機殼4必須能承受一定的壓力。
本實施例的優點是1.永磁體13采用多片形結構，減少偏心磁力。由于動磁式直線電機使用的永磁體存在于循環退磁的動態情況下，因此應選擇具有直線性退磁曲線的高矯頑力材料，以避免由于退磁循環進入或低于(M-H)曲線膝點時所產生的不可逆磁損失。顯然具有高矯頑力的銣鐵硼是較為理想的材料。與動圈式直線電機的整體式磁鋼不同，本實施例中的銣鐵硼磁體是拼塊的準輻射取向的永磁體環，因此它是一種用多塊平行取向的扇形永磁體拼接成的準輻射取向的永磁磁路結構。這種結構能較好地發揮銣鐵硼材料高矯頑力的特點，可節省材料。由于永磁體加工工藝的原因，整體式的圓環型結構制造困難，成本高，與電機動子的聯接困難。使用這種拼塊結構的銣鐵硼磁體片可以被鑲嵌在高強度的電機動子機架14上，隨電機動子托架14一起往復運動。當采用整體式磁鋼時，一旦發生充磁不均，電機通電后產生側向力，而采用了分布結構后，當各個磁鋼的充磁不均時，各片磁鋼產生的側向力在空間合成，相互抵消，從而減輕了由于磁體充磁不均產生的側向力的影響；2.采用了柔性彈簧懸掛技術，提供大的力矩，從而減小偏心力的影響。本實施例采用如圖4所示的單邊彈簧布置結構，使得壓縮機的結構變得更加緊湊，但為了避免這種結構引起的活塞體支撐問題，便將多片彈簧分為多層布置，這樣，就可以利用前排彈簧做為支點，后排的彈簧片徑向力則會提供一個力矩，從而克服因為活塞24偏離中心而產生的力矩，將活塞24保持在中心位置。但是前排彈簧的厚度必需足夠大，也就是前排彈簧必需采用厚度大的柔性彈簧。這種結構方式通過實驗發現對同樣的三片厚度為0.29mm的彈簧，在離第一片彈簧7mm處施加平行于彈簧的力，當彈簧之間無間隙安裝時，其剛度約為0.5N/mm，當彈簧間距為2mm時，其剛度約為2.5N/mm，當間距3mm時，其剛度約為3N/mm。可見采用這種結構，可以提供較大的力矩來克服側向力產生的力矩；3.本實施例使用了柔性彈簧31。柔性彈簧31的型線對其性能的影響至關重要，為了提高彈簧的剛度，采用了如圖5所示渦旋線柔性彈簧。由圖5中可知，彈簧臂的寬度與其徑向剛度有直接關系，在滿足軸向剛度和運動行程的要求下，設計的彈簧的徑向剛度應該盡量大；4.本實施例使用了壓縮機防撞缸裝置(如圖6所示)。通過合理地設計活塞31、電機動子托架14及氣缸21的長度，在電機動子托架14與氣缸21間形成與活塞31壓縮行程相同的間隙，從而保證在滿壓縮行程時，活塞31的頭部不與氣缸21發生碰撞。在電機動子托架14與內磁軛11可能接觸的平面上，粘貼橡膠防撞片，對沖擊起到減弱和緩沖作用。
權利要求
1.一種動磁式直線壓縮機，包括直線電機組件(1)，其主要具有同心組合結構的外磁軛(10)、內磁軛(11)、勵磁線圈(12)、永磁體(13)和電機動子托架(14)，永磁體(13)位于電機動子托架(14)上并處于由內、外磁軛(11，10)構成的磁場中；壓縮機組件(2)，其主要有相聯結的機座(20)、氣缸(21)、安裝在機座(20)上的排氣閥(22)和吸氣閥(23)、以及與電機動子托架(14)相連接的活塞(24)，氣缸(21)與活塞(24)之間形成一間隔，機座(20)還分別與內、外磁軛(11，10)聯結；以及機殼(4)，其通過螺栓固定于機座(20)，特征在于c.還有懸掛組件(3)，其主要有與機座(20)聯結的彈簧支架(30)和安裝于彈簧支架(30)與電機動子托架(14)上的柔性彈簧(31)，外墊圈(32)和內墊圈(33)，以及裝設在電機動子托架(14)與內磁軛(11)之間防止活塞(24)與氣缸(21)相撞的防撞缸機構(34)；b.該永磁體(13)采用減少偏心磁力的多片形結構；c.該勵磁線圈呈環狀固定在外磁軛(10)所形成的凹槽內。
2.根據權利要求1所述的動磁式直線壓縮機，其特征在于，永久磁體(13)為多塊平行取向的扇形永磁體拼接成的準輻射永磁路結構。
3.根據權利要求1或2所述的動磁式直線壓縮機，其特征在于，該永磁體(13)由銣鐵硼磁體制成。
4.根據權利要求3所述的動磁式直線壓縮機，其特征在于，所述的銣鐵硼磁體是拼塊的準輻射取向的永磁體環。
5.根據權利要求4所述的動磁式直線壓縮機，其特征在于，所述的銣鐵硼磁體拼塊鑲嵌在電機動子托架(14)上。
6.根據權利要求1所述的動磁式直線壓縮機，其特征在于，壓縮機組件(2)中的機座(20)和氣缸(21)為一體結構。
7.根據權利要求1所述的動磁式直線壓縮機，其特征在于，懸掛組件(3)中采用單邊彈簧布置結構，并將多片柔性彈簧(31)分為分層布置，以前排彈簧作為支點，后排彈簧提供力矩保持活塞(21)位于中心位置。
8.根據權利要求1或7所述的動磁式直線壓縮機，其特征在于，所述柔性彈簧為圓漸開式渦旋線型柔性彈簧。
9.根據權利要求1所述的動磁式直線壓縮機，其特征在于，所述的防撞缸機構(34)系為裝設在電機動子托架(14)與內磁軛(11)可能接觸的平面上的粘貼橡膠防撞片。
全文摘要
一種動磁式直線壓縮機，包括一直線電機組件，其主要有同心組合結構的內外磁軛、動磁線圈、永磁體和電機動子托架，永磁體位于電機動子托架上并處于由內外磁軛構成的磁場中；一壓縮機組件，其主要有相聯結的機座、氣缸、位于機座上的排氣閥和吸氣閥、以及與電機動子相聯結的活塞，氣缸與活塞之間有一間隔，機座還分別與內外磁軛連接；以及一機殼，其與機座密封聯結，特點是a.還有一懸掛組件，其主要有與機座連接的彈簧支架、安裝于彈簧支架與電機動子托架上的柔性彈簧、內外墊圈、以及裝設在電機動子托架與內磁軛之間防止活塞與氣缸相撞的防撞缸機架構；b.永磁體采用減少偏心磁力的多片形結構；c.該勵磁線圈固定在外磁軛所形成的凹槽內。
文檔編號F04B35/04GK1773112SQ20051002939
公開日2006年5月17日 申請日期2005年9月2日 優先權日2005年9月2日
發明者陳楠, 吳亦農, 陳曦, 徐烈 申請人:中國科學院上海技術物理研究所, 上海交通大學