蒸气压缩机及其驱动和控制方法技术

本发明专利技术提供线性电机的改进的设计以及改进的控制策略。该设计允许缩短的定子，其中将电枢磁铁控制成往复运动到比等效传统线性电机大的最大位移。控制策略使得需要最少的外部传感器。线性电机是在保证可选地高效操作的共振频率上驱动的。根据与共振频率及进入压缩机的蒸气的蒸发温度／压力的关系确定最大电流。然后限制电流来控制最大位移以避免损坏。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及包含用于蒸气压缩系统的自由活塞压缩机(也称作摆动与线性压缩机)的紧凑线性电机，并具体地涉及防止由于环境温度或操作条件的改变而导致的压缩水平的有害改变所引起的故障或破坏的控制系统。
技术介绍
诸如冰箱压缩机等压缩机传统上是用旋转式电机驱动的。然而，即使在它们的最高效形式中，也存在着与将转动转换成直线往复运动的曲柄系统关联的重大损失。作为替代可采用无需曲柄的旋转式压缩机，但又存在着高向心负荷而导致重大的摩擦损失。用线性电机驱动的线性压缩机不会有这些损失，并能设计成带有充分低的轴承负载而允许采用美国专利5,525,845中所公开的空气静力学气体轴承。线性往复电机避免了使用具有由旋转式电机驱动的压缩器机的特征并产生需要用油润滑的高侧向力的曲柄机构。这种电机在美国4,602,174中描述，美国专利4,602,174公开了在往复质量与电效率两方面都极为高效的线性电机设计。这一设计在电机与利用斯特林循环的振荡器中使用得非常成功。然而，在为家用冰箱设计的压缩机的情况中，US 4,602,174中的设计有些太大并比这一市场中所希望的昂贵。自由活塞压缩机的活塞与作为共振系统的弹簧一起振动并且除了与通常作为气缸头组件的部件的静止部件的碰撞之外的对振动幅度没有固有的限制。活塞将占据依赖于气体力与输入电功率的一平均位置与幅度。因此对于任何给定的输入电功率，随着蒸发或凝固压力降低，振动的幅度增加直到出现碰撞。因此必须限制作为这些压力的函数的功率。希望在机械系统的固有频率上用最大效率来操作自由活塞制冷压缩机。这一频率是机械系统的弹簧常数与质量并且也由气体的弹性系数决定的。在制冷的情况中，气体的弹性系数随蒸发与凝固压力两者的增加而增加。结果固有频率也增加。因此对于最佳操作，需要改变驱动压缩机的电力系统的频率来与随操作条件改变的机械系统的频率匹配。将作用在压缩电机绕组上的电压与机械系统频率同步的方法是众所周知的。对于用在自由活塞压缩机中的永磁铁电机，在电机绕组中感生与活塞速度成正比的反电动势(反EMF)，如图8a中所示。图8b中示出该电机的等效电路，为了驱动压缩机，与交变EMF(αγ)同步作用交变电压(V)。US 4,320,488(Okada等人)公开了用来通过检测电机反EMF的零交叉来确定施加电压的定时的方法。控制对电机绕组的电压施加以使得EMF与零电平交叉时的电流为零来允许反EMF零交叉检测。已利用各种方法来限制振动幅度，其中包含次级气体弹簧、活塞位置检测、根据电流与施加电压的活塞位置计算(US 5,496,153)测定环境与/或蒸发温度(US 4,179,899、US 4,283,920)。这些方法的每一种需要额外传感器的费用或具有一定的性能限制。
技术实现思路
本专利技术的目的为提供以一定方式克服上述缺点或至少向公众提供有用的选择的一种紧凑线性电机。根据本专利技术的第一方面，提供了一种蒸气压缩机，包括有压缩机外壳，所述压缩机外壳中包含有活塞；及气缸，所述活塞和气缸通过弹簧被支持在所述压缩机外壳内；所述活塞在所述气缸内往复运动压缩蒸气，活塞、弹簧与所述蒸气的压力组成的一振动系统具有随蒸气压力变化的共振频率；可驱动地耦合在所述活塞上且具有至少一个绕组的线性无刷DC电机；DC电源；及换向装置，用于从所述DC电源上电子换向所述至少一个绕组以便提供电流供应给所述至少一个绕组来往复运动所述活塞；其特征在于，共振驱动装置，起动所述至少一个绕组的换向以便借此在所述振动系统的共振频率上驱动所述活塞，用于测定进入压缩机的蒸气的性质的传感器；电流控制装置，控制所述换向装置所供应的最大电流量，所述最大电流量是与所述共振频率及所述传感器测量的蒸气性质相关以便借此限制所述活塞的往复运动的幅度。根据本专利技术的第二方面，提供了一种驱动与控制自由活塞蒸气压缩机中的活塞的幅度的方法，其中所述活塞在气缸中往复运动，所述活塞和所述气缸通过弹簧被支持在一压缩机外壳中，及其中活塞、弹簧与所述蒸气的压力组成的振动系统具有随蒸气压力改变的共振频率，所述方法使用具有至少一个绕组的线性无刷DC电机并包括下述步骤从一DC电源电子换向所述至少一个绕组以往复运动所述活塞，该换向被定时以在所述振动系统的共振频率上驱动所述所述活塞，及通过将确定换向期间的电流供应的一参数值限制为是所述共振频率的函数的一值来限制所述至少一绕组中的电流量。“进入压缩机的蒸气的蒸发温度”在本说明书中也称作“蒸发器温度”。同时“共振频率”也称作“固有频率”。对于熟悉与本专利技术相关的技术的人员，结构上的许多改变及本专利技术的广泛的不同实施例与应用是不言自明的，而不脱离所附权利要求中所定义的专利技术范围。这里的公开与描述纯粹是示例性的并无任何限定的意义。附图说明图1为按照本专利技术的线性压缩机的剖面图；图2为隔离的本专利技术的双线圈线性电机的剖面图；图3为单线圈线性电机的剖面图；图4为单窗口先有技术线性电机与按照本专利技术的短定子线性电机的之间的比较；图5为由本专利技术的单线圈线性电机中的线圈电流发生的磁通量的示意图；图6为本专利技术的较佳实施例的电机常数对磁铁位置的曲线；图7为带有部分地成角度的磁极面的单线圈线性电机的剖面图；图8a示出自由活塞压缩机电机的电机活塞位移及反EMF波形；图8b示出这一电机的等效电路；图9示出用于电子换向单相自由活塞电机的电流换向器(inverter)；图10示出本专利技术的电机的作为频率与蒸发温度的函数的最大电机电流的曲线；图11为电机控制电路的框图；图12为均方根(RMS)电机电流对电机绕组电流衰减时间的曲线；图13为电机控制定时程序的流程图；图14为使用蒸发器温度与冲程时间数据的换向时间确定的流程图；以及图15示出电机活塞位移及电机电流波形。具体实施例方式本专利技术提供带有对先有技术的若干改进的控制线性电机的方法。首先，它与US 4602174k中所描述的类型的传统线性电机相比具有减小的尺寸并从而降低了成本。这一改变以高功率输出上的略为降低的效率为代价保持在低到中等功率输出上的高效率。这是在大多数时间上在低到中等功率输出上工作而在小于20％时间上在高功率输出上工作(这发生在频繁地装入与取出冰箱内容物的时段中或非常热的日子中)的家用冰箱中的压缩机是可接受的折衷方案。第二，它采用允许最优地高效工作的控制策略，同时不存在对外部传感器的需求，这也降低了尺寸与成本。虽然在下面的描述中，本专利技术是对园柱形线性电机描述的，应理解本方法同样适用于一般线性电机并具体地也适用于扁平型线性电机，熟悉本技术的人员无须特殊努力便能将这里所描述的控制策略应用在任何形式的线性电机上。也应理解本专利技术可用于任何形式的压缩机。虽然它是对自由活塞压缩机描述的，它同样能用于薄膜式压缩机。图1中所示的本专利技术的实际实施例包含连接在往复自由活塞压缩机上的永磁铁线性电机。气缸9由压缩机外壳30内的气缸弹簧14支承。活塞11通过弹簧座25由气缸筒加上其弹簧13构成的支承座径向支承。活塞11在气缸9内的往复运动通过吸筒12、通过进气孔26、通过吸气消音器20及通过吸气阀板21中的吸气阀端口24将气体抽入压缩空间28中。然后压缩的气体通过排气阀端口23离开，在排气消音器19中消音，并通过排气管18排出。压缩机电机包括一两部分定子5、6及电枢22。产生活塞11本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种蒸气压缩机，包括：活塞（１１）；气缸（９）；及弹簧，所述活塞在所述气缸内往复运动压缩蒸气，活塞、弹簧与蒸气组成的一振动系统具有随蒸气压力变化的共振频率；可驱动地耦合在所述活塞上且具有至少一个绕组的线性无刷ＤＣ电机；　 　ＤＣ电源；及换向装置，用于从所述ＤＣ电源上电子换向所述至少一个绕组以便提供电流供应给所述至少一个绕组来往复运动所述活塞，及共振驱动装置，起动所述至少一个绕组的换向以便借此在所述振动系统的共振频率上驱动所述活塞，其特征在于　 　电流控制装置（４０３），控制所述换向装置所供应的最大电流量，所述供应的电流量是与所述共振频率相关以便借此限制所述活塞的往复运动的幅度。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰拉尔德戴维邓肯，约翰亨利博伊德，
申请(专利权)人：菲舍尔和佩克尔有限公司，
类型：发明
国别省市：NZ[新西兰]