直线振荡电动机

摘要

本发明涉及一种电动式直线振荡电动机，其具有磁隙中的力密度高、振荡系统可磁性复位到中心位置且振荡系统重量较轻等特点。所述直线振荡电动机由一配有至少一个磁体(4)的定子系统和一可动地安装在所述定子的磁场中的振荡系统构成。其中，所述振荡系统包括至少一个由一软磁材料(例如铁氧体)构成的磁芯(1)和至少一个激励线圈(2，3)。当所述至少一个激励线圈(2，3)不通电时，所述振荡系统在磁阻力作用下复位到中心位置。本发明的电动式直线电动机基本上将已知的MC直线电动机和MM直线电动机的优点集于一身，其电动转换率可达99％。所述直线振荡电动机特别适合在低功率的制冷设备和空调设备以及汽车领域的泵送系统、喷油系统和减振系统中用作驱动装置。

权利要求

1.一种电动式直线振荡电动机，包括：

一个由一沿轴向磁化的环盘形永磁体(4)构成的定子系统，所述永磁体的两端面分别设有一由一软磁材料构成的环形极片(5；6)，所述环盘形永磁体(4)具有一内径和一外径，且所述每一极片具有一内径和一外径，和一同心安装在所述定子系统内部的振荡系统，所述振荡系统以可沿轴向运动的方式可动地安装在所述定子的磁场中，其中，所述振荡系统包括一个由一软磁材料构成的磁芯(1)和两个缠绕在磁芯上的激励线圈(2；3)，其中，当所述振荡系统处于其中心位置时，所述两个激励线圈(2；3)分别位于一个由所述极片(5；6)与所述盘形永磁体(4)所形成的磁隙(7；8)中，所述两个激励线圈(2；3)的绕线方向相反，从而使得在所述电动机工作期间作用于所述线圈(2；3)的洛伦兹力累加，其特征在于，

所述极片的内外径与所述环盘形永磁体(4)的内外径相同，所述的直线振荡电动机无需设置机械式复位元件，由此，在两个激励线圈(2；3)上施加交流电压可引起所述振荡系统发生振荡，其振荡频率与交流电压的频率相同。

2.根据权利要求1所述的直线振荡电动机，其特征在于，所述定子系统的所述至少一个磁体(4)是一永磁体。

3.根据权利要求1所述的直线振荡电动机，其特征在于，所述振荡系统的磁芯(1)由铁氧体构成。

4.根据权利要求3所述的直线振荡电动机，其特征在于，所述振荡系统的磁芯(1)呈圆柱形，由所述磁芯(1)和缠绕在所述磁芯上的所述线圈(2；3)构成的所述振荡系统的外径小于所述定子系统的永磁体(4)的内径。

5.一种如权利要求1所述的直线振荡电动机的应用，用作制冷设备和空调设备中的一活塞式压缩机的驱动电动机。

6.一种如权利要求1所述的直线振荡电动机的应用，用作汽车领域中一用于输送燃油、机油、冷却水或液压液的泵的驱动电动机。

7.一种如权利要求1所述的直线振荡电动机的应用，用于内燃机中的喷油过程。

8.一种如权利要求1所述的直线振荡电动机的应用，用作用于产生极低温度的气体制冷机中的单活塞或双活塞式直线压缩机的驱动电动机。

9.一种如权利要求1所述的直线振荡电动机的应用，用作可以利用行程小但作用力大的驱动系统来产生电能的发电机。

10.一种如权利要求1所述的直线振荡电动机的应用，用作发电机，实施为汽车独立悬架的电动减振系统。

说明书

直线振荡电动机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电动式直线振荡电动机，其具有磁隙中的力密度高、振荡系统可磁性复位到中心位置且振荡系统重量较轻等特点。所述电动机的电动转换率可达99％。所述直线振荡电动机特别适合在低功率的制冷设备和空调设备以及汽车领域的泵送系统、喷油系统及减振系统中用作驱动装置。

背景技术

[0002] 家用低功率制冷设备和空调设备一般采用活塞式压缩机。出于经济性考虑，只有驱动功率高达好几千瓦的设备才会采用旋转式压缩机，例如涡旋式压缩机。

[0003] 活塞式压缩机通常由产生旋转运动的电动机驱动。需要设置相应的曲柄机构来将该旋转运动转换为活塞式压缩机工作所需的平移运动。通常可以采用其活塞的摩擦力通过衬套而消减的曲柄滑环机构，而不必像其他曲柄机构那样设置复杂的十字头装置。这样虽能提高驱动装置的耐磨性和使用寿命，但是由于约有80％的总摩擦力形成在曲柄机构(曲柄滑环机构)中，而且多数情况下会使用效率只有50％至70％的旋转式电动机，因此这类系统的效率一般都比较低(低于50％)。

[0004] 近年来业界还研发出应用于活塞式压缩机的线性直接驱动装置。出于成本方面的考虑，家用制冷设备主要采用电磁直线电动机(Maxwell电动机)。此外根据现有的直线驱动技术，还可以用电动式直线电动机来驱动用于产生极低温度的气体制冷机，这类电动机从功能上可以分为动磁式系统(MM：Moving Magnet)和动圈式系统(MC：Moving coil)两种。

[0005] Maxwell电动机的工作原理是将磁场能量最小化，当线圈上被施加电压时，一软磁磁芯被拉进该线圈。根据该原理，电压降低时需要用像弹簧这样能产生力的元件来实现复位。用Maxwell直线电动机驱动活塞式压缩机时，原则上会有很大一部分驱动能经由上述弹簧损失掉。

[0006] 而电动式直线电动机能够显著提高转换效率(根据不同的功率等级相应提高到60％至99％)。这类电动机由大小和方向与所施加工作电压的强度和极性有关的洛伦兹力驱动，亦即，可以直接通过交流电压来控制这类电动机。但是，无论MM电动机还是MC电动机都存在结构上的不足。

[0007] MC电动机/致动器的优点是可以在定子电路中设置较大的永磁体(GB 2 344 622A和US 2006/208839 A1)或电磁体(WO 98/50999 A1)，这样就可以在磁隙中实现较大磁通密度，进而实现较大的驱动力。因此，MC电动机适合以像活塞式压缩机那样的较低的振荡系统速度(作用力较大)工作。但其缺点无法进行磁性复位。此外还需要设置可动的供电线，不过可以采用耐疲劳设计来有效克服这个缺点。

[0008] EP 1 158 547 A2、DE 10 2004 010 403 A1、WO 2008/046849 A1和JP 2002031054 A揭示的都是可以用作活塞式压缩机驱动装置的MM直线电动机(或致动器)。MM直线电动机的优点是，振荡器在磁阻力(磁场能量最小化原理)的作用下复位到中心位置，因而无需设置容易疲劳的机械式复位元件，例如弹簧。而且也不需要设置可动的供电线。但是，MM直线电动机具有电动机磁隙中的磁通密度较小这一缺点，因为为了不影响振荡系统的动力特性，必须尽量减小可动系统中的永磁体的体积和重量。这样就只能产生很小的驱动力，虽然可以通过加大振荡系统的速度来加以补偿，但在用作活塞式压缩机驱动装置的情况下，振荡系统的速度一大就会产生不利影响。

[0009] FR 2 721 150 A1揭示一种以电力转换为动力的方式产生振荡的多极系统，其包括定子系统和振荡系统。定子由一极片构成，该极片上固定有两个极性相反的磁体。振荡系统由两线圈构成，这两个线圈缠绕在一个采用振荡式安装方式的极片上。

[0010] 由于这个(截面恒定的)可动极片有很大一部分突伸在定子系统的两个磁体以外，因此，即使该可动极片是由软磁材料构成，(当线圈不通电时，)实际也不会有磁阻力作用在振荡系统上，亦即，振荡系统无法复位到其休止位置/中心位置。此外，这种系统的结构相当复杂，具体而言是需要设置两个成本较高的径向磁化永磁体。另一缺点是，磁路设计不允许在磁隙中进行通量集中，这就使得这类电动机无法达到较高的力密度和功率密度。

发明内容

[0011] 本发明的目的是克服现有技术中的这些缺点。特定而言，本发明的目的是提供一种电动式直线振荡电动机，其具有磁隙中的力密度高、振荡系统可磁性复位到中心位置且振荡系统重量较轻等特点。所述直线振荡电动机可在振荡系统的速度较低的情况下实现较大的驱动力。

[0012] 本发明用以达成上述目的的解决方案为本案权利要求1的区别特征。本发明的有利实施方案和应用由权利要求2至13给出。

[0013] 本发明涉及一种电动式直线振荡电动机，其定子系统具有至少一个磁体，其振荡系统可动地安装在所述定子的磁场中。

[0014] 根据本发明，所述电动机的振荡系统包括至少一个磁芯和至少一个线圈，所述磁芯由软磁材料(例如铁氧体)构成。当所述至少一个激励线圈不通电时，所述振荡系统在磁阻力作用下复位到中心位置。

[0015] 与已知的MC电动机类似，本发明电动式直线振荡电动机中定子系统的磁体尺寸大且坚固耐用，这就可以在电动机磁隙中实现较高的磁通密度。因此，所述电动机能以较强的驱动力且在振荡系统的速度较低的情况下工作。

[0016] 由于本发明直线电动机的振荡器可以复位到中心位置(磁阻力)，因而无需设置容易疲劳的机械式复位元件(弹簧)，这一点与MC直线电动机相同。

[0017] 本发明直线电动机的振荡系统的磁芯的重量原则上可以明显轻于MM电动机中的永磁体，但是，上述由所述磁芯和至少一个线圈构成的振荡系统的重量比MC电动机的插入式线圈大。

[0018] 由此可见，本发明的电动式直线电动机基本上将已知的MC直线电动机和MM直线电动机的优点集于一身。

[0019] 根据一种优选实施方案，所述定子系统实施为一沿轴向磁化的环盘形磁体，其两端面分别设有一个由软磁材料构成的环形极片。所述极片的内外径等于所述环盘形磁体的内外径。所述振荡系统同心布置且以可沿轴向运动的方式安装在所述定子系统内部。所述振荡系统由一软磁磁芯构成，该磁芯上以某种方式缠绕有两个单独的激励线圈，使得当所述振荡系统位于其中心位置时，所述线圈分别位于一个由所述极片与所述盘形磁体所形成的磁隙中。其中，这两个激励线圈所采用的绕线方向使得在电动机工作期间作用于所述线圈的洛伦兹力累加。

[0020] 所述振荡系统的磁芯优选呈圆柱形，其中，所述由所述磁芯和所述两个缠绕在该磁芯上的线圈所构成的振荡系统的外径小于所述极片的内径。

[0021] 应用于制冷设备时，可以按照该领域常用的“行程＝内径”这一拇指规则，将所述电动机的振荡系统如此安装，使得电动机的行程大致等于定子磁体的内径。家用制冷设备压缩机的驱动装置的行程约为10mm至20mm。

[0022] 本发明直线电动机的效率可以达到99％，具体情况视其尺寸/功率而定。直线电动机的功率越大，效率就越高。

[0023] 因此，本发明的直线振荡电动机既可用作制冷设备和空调设备中的活塞式压缩机的驱动电动机，也可用作用于产生极低温度的气体制冷机中的单活塞或双活塞式直线压缩机的驱动电动机。

[0024] 此外，所述电动机还可有利地应用为汽车领域中用于输送燃油、机油、冷却水或液压液的泵的驱动电动机。所述直线振荡电动机的启动速度很快，因而也可用来控制内燃机中的喷油过程。为此需要将所有的机械阀都换成由直线振荡电动机控制的阀，将凸轮轴控制装置换成纯电子式的凸轮轴控制装置。

[0025] 基于电动驱动的可逆性原理，本发明的直线振荡电动机也能以直线发电机模式工作，特别是利用行程小但作用力大的驱动系统(例如自由活塞式斯特林电动机)来产生电能的直线发电机。

[0026] 所述直线振荡电动机同时用作驱动装置和发电机时的另一种应用是为汽车的独立悬架减振。其中，可以通过施加在所述振荡系统的线圈上的电负荷来调节减振强度。所述定子系统也可有利地配置一电磁体，这样就可通过影响定子磁场的强度来对独立悬架的减振情况进行进一步调节。所产生的电能以脉冲形式输出时电压值波动很大，可以用(例如)逆变器对该电能进行调节，而后再将其输入汽车的车载电网。

附图说明

[0027] 下文将借助实施例对本发明进行详细说明，其中：

[0028] 图1为一直线振荡电动机(振荡系统处于中心位置)的截面图；以及[0029] 图2为一直线振荡电动机(振荡系统偏离该中心位置)的截面图。

具体实施方式

[0030] 如图1所示，所述直线振荡电动机的定子系统由沿轴向磁化的环盘形永磁体4构成，其两端面分别设有环形的第一极片5和第二极片6。极片5、6的内外径与磁体4的内外径相等。

[0031] 所述振荡系统同心布置且以可沿轴向运动的方式安装在所述定子系统内部，所述振荡系统由铁氧体磁芯1构成，该磁芯上缠绕有第一激励线圈2和第二激励线圈3。只要所述振荡系统处于其中心位置，第一线圈2就位于第一磁隙7的中心，第二线圈3相应位于第二磁隙8的中心。用于线圈2、3的可动供电线由一种耐疲劳的材料构成且只需发生轻微弯曲。

[0032] 运行所述直线振荡电动机时需要在激励线圈(2、3)上施加一个交流电压，该交流电压在线圈(2、3)中产生交流电流。由于所述线圈布置在定子的磁场中，因此这些载流线圈受到洛伦兹力的作用，其大小和方向与所施加工作电压的强度和极性有关。由于这两个激励线圈2、3所采用的绕线方向使得电动机工作期间作用于线圈2、3的洛伦兹力累加，因此，所施加的交流电压引起所述振荡系统发生振荡，其振荡频率与交流电压的频率相同。

[0033] 所述直线振荡电动机的工作频率为50Hz，行程为10mm，机械功率为100W，转换效率约为87％。出人意料的是，在所述电动机工作期间，定子的磁场没有因为振荡系统的运动而受到实际影响。特定而言是可以排除场力线追踪振荡系统运动的可能性，从而避免驱动功率减小。

[0034] 参考符号表

[0035] 1 振荡系统的磁芯

[0036] 2 第一激励线圈

[0037] 3 第二激励线圈

[0038] 4 定子系统的磁体

[0039] 5 第一极片

[0040] 6 第二极片

[0041] 7 第一磁隙

[0042] 8 第二磁隙