專利名稱：直線電機驅(qū)動的帶汽缸位置識別系統(tǒng)的活塞-汽缸組合、直線電機壓縮機和感應(yīng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明披露了由直線電機加以驅(qū)動的，并且具備有能夠檢測出活塞運行的幅度、 并使得活塞壓縮容量最大化的汽缸位置識別系統(tǒng)的一種活塞與汽缸的組合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還 披露了這種活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)可應(yīng)用到的一種直線電機壓縮機，以及可應(yīng)用于作為本發(fā) 明目的的壓縮機的一種感應(yīng)傳感器。
背景技術(shù)：
當前，使用由直線電機進行驅(qū)動的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)是非常普通的。這種類型 的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)有利地應(yīng)用于例如制冷系統(tǒng)(例如，冰箱和空調(diào)器)中的直線壓縮 機。直線壓縮機提供低能耗，且由此針對所討論的應(yīng)用而言是高效率的。直線壓縮機通常包括在汽缸內(nèi)移動的活塞。這個汽缸的頭部容納著吸氣閥和排氣 閥，用于調(diào)整低壓氣體的進入以及從汽缸內(nèi)排出高壓氣體。直線壓縮機的汽缸里的活塞軸 向運動對通過吸氣閥進入的氣體進行壓縮，增大它的壓力，并且通過排氣閥將它釋放到高 壓區(qū)。直線壓縮機必須能夠識別活塞在汽缸內(nèi)的位置并控制活塞在汽缸內(nèi)的位移，以防 止活塞與汽缸頭部、或者與布置在活塞路徑的另一端處的其它部件發(fā)生碰撞或抵觸，從而 避免大聲和不快的噪聲以及設(shè)備的磨損和戳破/扯裂。然而，為了優(yōu)化直線壓縮機的效率和性能以及最小化壓縮機的能耗，希望活塞盡 可能地在汽缸內(nèi)發(fā)生位移，盡可能地靠近活塞頭但不與之發(fā)生碰撞或抵觸。為了使這成 為可能，必須精確知道當壓縮機運行時汽缸的位移幅度，然而，認為這個幅度的估計誤差越 大，為了避免發(fā)生碰撞，則活塞路徑的最大點與汽缸頭部之間的安全距離需要越大。這種安 全距離會損耗壓縮機的效率。在現(xiàn)有技術(shù)中，已知有控制著壓縮機的汽缸里面的活塞軸向位移的某些機構(gòu)和系 統(tǒng)。這些包括專利案件US 5.342. 176，它提出了一種通過監(jiān)視電機變量(例如，施加到永 磁直線電機的電流和電壓)預(yù)見活塞運行的幅度的方法。換言之，直線電機自身是活塞位 置變換器。這種方案的優(yōu)點在于，省去了在壓縮機內(nèi)使用例如傳感器這樣的額外的變換器。 然而，該提出的方法的主要缺點在于精確度很低，這導致壓縮機出現(xiàn)相當大的性能損耗，這 是因為為了避免發(fā)生碰撞，需要在活塞與汽缸頭部之間具備大的安全距離。專利案件JP 11336661描述了一種活塞位置控制單元，它使用由位置傳感器測量 的離散位置信號、并且接下來對它們進行內(nèi)插以確定活塞的最大前進位置。利用這種方案， 有可能使得活塞的位移幅度的準確度達到較高程度。然而，在測量活塞與汽缸頭部之間的距離的便利位置處，沒有執(zhí)行對活塞的位移幅度的測量。出于這個原因，本發(fā)明的系統(tǒng)受到 位置傳感器的組裝位置的公差的影響專利申請BR 0001404-4描述了一種位置傳感器，它特別適于檢測出可軸向位移 的壓縮機的位置。壓縮機包括位于頭部與活塞進行移動處的中空體之間的閥葉。該傳感器 包括電連接到控制電路的探針，該探針能夠通過中空體的某點捕獲到活塞的通過、并且向 控制電路發(fā)出信號。由此，這個系統(tǒng)能夠測量活塞與汽缸頭部之間的距離，但是由于電觸頭 故障，用作汽缸位置變換器的電路的架構(gòu)產(chǎn)生不希望的電噪聲，這會產(chǎn)生不精確的讀數(shù)。專利申請BR 0203724-6提出了另一種檢測直線壓縮機中活塞位置的形式，以防 止當壓縮機運行條件、或甚至電源電壓發(fā)生變化時它與流體傳遞板進行碰撞或抵觸。這個 專利案件中所提出的方案直接地在活塞的頂部上測量出介于活塞與流體板之間的距離，且 因此是一種高準確度的方案。然而，除了成本較高以外，這種架構(gòu)需要在閥板上安裝傳感器 的空間。由此，現(xiàn)有技術(shù)中沒有文檔能夠在直接地對介于活塞與安置著閥板的汽缸頭部之 間的距離進行測量的一種活塞位移測量系統(tǒng)中將控制及確定活塞位置的良好精確度與低 成本組合起來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的在于，提供一種測量活塞在汽缸內(nèi)的位移幅度的手段，它可以 提供無電噪聲的信號并且具有高精確度和清晰度。本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)，它借助于簡單和低成 本設(shè)備能夠檢測出汽缸里面的活塞的位移幅度、而不需要使用電路來處理位置傳感器的信號。本發(fā)明的另一個目的在于，防止活塞與汽缸頭部、和與閥板、以及與可安置在活塞 路徑的另一端處的任何其它元件發(fā)生沖擊/碰撞。借助于由直線電機進行驅(qū)動、并具有汽缸位置識別系統(tǒng)的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)實 現(xiàn)本發(fā)明的目的，該活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)包括支承結(jié)構(gòu)，其形成氣隙；電機繞組，其至少 沿氣隙的一部分產(chǎn)生可變磁流或磁通；汽缸，在它的端部之一處具有頭部；活塞，其連接到 磁體，該磁體由電機繞組的磁流加以驅(qū)動以在包括至少一部分氣隙的位移路徑上進行移 動，磁體的位移使得活塞在汽缸內(nèi)進行往復(fù)移動；和感應(yīng)傳感器，其安放于磁體的位移路徑 的一點處，從而使得，當活塞至少到達預(yù)選位置時，感應(yīng)傳感器檢測到由磁體的對應(yīng)位置導 致的磁場的變化，并且產(chǎn)生源于這個磁場變化的電壓信號?；钊竭_的預(yù)選位置優(yōu)選為位移路徑的最靠近汽缸頭部的位置?；钊竭_的另一 個預(yù)選位置是離汽缸頭部最遠的位移路徑的位置。感應(yīng)傳感器優(yōu)選地包括沿磁體的位移方向安置的傳感器繞組，并且該傳感器繞組 在磁體的位移方向的橫向方向上是伸長的、而沿著磁體的位移方向上是狹窄的。感應(yīng)傳感器優(yōu)選地置于這樣的一點處，即當活塞到達最靠近汽缸頭部的位置時， 與磁體的位置一致的磁體的位移路徑的一點處。更優(yōu)選地講，當活塞到達最靠近汽缸頭部 的位置時，磁體的下端的位置與傳感器的位置一致，并且感應(yīng)傳感器上的由磁體施加的磁 場的變化產(chǎn)生了在感應(yīng)傳感器的端子之間的電壓差。
或者，感應(yīng)傳感器可以置于這樣的一點處，S卩當活塞到達離頭部最遠的位置時， 與磁體的位置一致的磁體的位移路徑的一點處。當活塞到達離汽缸頭部最遠的位置時，磁 體的上端的位置與傳感器的位置一致，并且感應(yīng)傳感器上的由磁體施加的磁場的變化產(chǎn)生 了在感應(yīng)傳感器的端子之間的電壓差。 感應(yīng)傳感器可以置于氣隙里、或氣隙之外。汽缸頭部可具有吸氣閥和排氣閥，它們 與汽缸的內(nèi)部相連通。還借助于直線電機壓縮機實現(xiàn)本發(fā)明的目的，該直線電機壓縮機包括支承結(jié)構(gòu)， 其形成氣隙；電機繞組，其至少沿氣隙的一部分產(chǎn)生可變磁流；汽缸，其在它的上端處具有 閥板，用于允許低壓空氣從低壓氣室進入汽缸，并且將高壓空氣排放到汽缸之外；活塞，其 連接到磁體，該磁體由電機繞組的磁流加以驅(qū)動，以在包括至少一部分氣 隙的位移路徑里 進行移動，磁體的移動使得活塞在汽缸內(nèi)進行往復(fù)移動；和感應(yīng)傳感器，其安放于磁體的位 移路徑的一點處，從而使得，當活塞至少到達閥板的預(yù)選位置時，感應(yīng)傳感器檢測到由磁體 的對應(yīng)位置導致的磁場的變化、并且產(chǎn)生源于這個磁場變化的電壓信號。在根據(jù)本發(fā)明的壓縮機中，活塞到達的預(yù)選位置優(yōu)選為位移路徑的最靠近汽缸頭 部的位置?；钊竭_的另一個預(yù)選位置是離汽缸頭部最遠的位移路徑的位置。根據(jù)本發(fā)明的壓縮機優(yōu)選地包括由直線電機加以驅(qū)動、并具有上述類型的汽缸位 置識別系統(tǒng)的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明的目的由可應(yīng)用于直線電機壓縮機的感應(yīng)傳感器進行轉(zhuǎn)化，感應(yīng)傳 感器包括沿磁體的位移方向安置的傳感器繞組，并且該傳感器繞組在磁體的位移方向的橫 向方向上是伸長的、而沿著磁體的位移方向是狹窄的。


現(xiàn)在將基于附圖中表示的實施例的例子更加詳細描述本發(fā)明。這些附圖如下圖1是常見的直線電機壓縮機的截面圖；圖2是可與本發(fā)明的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的、并且與感應(yīng)傳感器聯(lián)接的繞組 的透視圖；圖2A是具有本發(fā)明的汽缸位置識別系統(tǒng)的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)的示意性截面 圖，其中，活塞處于第一位置；圖2B是圖2A所示的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)的A-A剖切的示意圖，其中，活塞處于第 一位置； 圖3A是圖2A所示的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)的示意性截面圖，其中，活塞處于第二位 置；圖3B是圖3A所示的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)的A-A剖切的示意圖，其中，活塞處于第 二位置；圖4A是處于第一位置的本發(fā)明的壓縮機的活塞和汽缸機構(gòu)的示意性截面圖；圖4B是處于第一位置的本發(fā)明的壓縮機的活塞和汽缸機構(gòu)的示意性截面圖；圖5是表示基于磁體在它的位移路徑中的位置的變化、由傳感器所產(chǎn)生的信號的 磁流的變化的曲線圖；以及圖6是表示在活塞的位移的一些周期內(nèi)隨時間由傳感器產(chǎn)生的電壓信號的曲線圖。
具體實施例方式圖1示出了一種壓縮機，這種壓縮機具有一種直線電機，根據(jù)本發(fā)明的帶有汽缸位置識別系統(tǒng)、由直線電機驅(qū)動的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于該直線電機。如在圖1中的優(yōu)選實施例中所示的、根據(jù)本發(fā)明的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)包括汽缸 2，在汽缸2的上端處具有閥板，也稱作閥頭。如果活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用到空氣壓縮機， 則這個閥板包括吸氣閥3a和排氣閥3b，吸氣閥3a允許低壓空氣進入汽缸2，排氣閥3b將 高壓氣體排放到汽缸之外。在根據(jù)本發(fā)明的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)的其它應(yīng)用中，與汽缸2的內(nèi)部相連通的吸 氣閥3a和排氣閥3b可以運作其它類型的流體。例如，如果活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于泵， 則閥3a和3b可以吸入和排出另一種類型的流體(例如，水)?；钊推捉M合結(jié)構(gòu)還包括活塞1，活塞1在汽缸2內(nèi)部進行移動，共同構(gòu)成了一 種諧振組合結(jié)構(gòu)。在汽缸2內(nèi)部，活塞執(zhí)行一種交替直線移動，對通過吸氣閥3a進入汽缸 內(nèi)部的氣體施加一種壓縮的作用，直到該氣體可以通過排氣閥3b排到高壓側(cè)。活塞至少聯(lián)接到磁體5，從而使得活塞的位移導致磁體進行對應(yīng)移動，反之亦然。 如圖1所示，磁體5優(yōu)選地安置于活塞的外表面的周圍。在本發(fā)明的另外實施例中，磁體可 以通過不同方法連接到活塞(例如，固定到與活塞連接的柄)?；钊推捉M合結(jié)構(gòu)還具有支承結(jié)構(gòu)4，支承結(jié)構(gòu)4可以作為活塞1的支承件、和 /或作為活塞和/或磁體5的位移的引導件而工作。至少沿著支承結(jié)構(gòu)4的一部分形成氣 隙12，磁體在氣隙12內(nèi)移動。在圖1所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，螺旋彈簧7a和7b安裝成在任一側(cè)上抵靠 著該活塞，并且所述彈簧優(yōu)選總是處于壓縮狀態(tài)?；钊c執(zhí)行器的移動部分以及螺旋彈簧 共同形成了壓縮機的諧振組合結(jié)構(gòu)?；钊推捉M合結(jié)構(gòu)的執(zhí)行器至少包括電機繞組6，電機繞組6通電以便產(chǎn)生磁 場。電機繞組必須設(shè)置為使得所產(chǎn)生的磁場作用于活塞1的磁體5的位移路徑。在圖2、 2A、2B、3A和3中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)的支承結(jié)構(gòu)4包括兩 個E形的金屬性部分，且電機繞組6聯(lián)接到這些部分的每個的中心支腿上。在聯(lián)接到電機 繞組的兩個金屬性部分之間所形成的空間構(gòu)成了氣隙12，氣隙12形成了磁體5的位移路 徑。因此，當電機繞組通電時，至少沿氣隙12的一部分產(chǎn)生磁流，并且根據(jù)施加于電 機繞組的電壓，該磁流可以是可變的和可控的。因此，當對電機繞組施加電壓時，由電機繞 組產(chǎn)生的磁場的變化導致磁體5沿氣隙12往復(fù)移動，使得活塞移動離開和靠近汽缸的閥3a 和3b，由此對汽缸2內(nèi)部的氣體進行壓縮?；钊\行的幅度對應(yīng)于汽缸2里面的活塞1的 總位移幅度。通過由執(zhí)行器產(chǎn)生的動力與由氣體壓縮中的機構(gòu)所消耗的動力和其它損失之間 的平衡，調(diào)整活塞運行幅度。為了獲得活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)的最大泵浦容量或泵送能力 (pumping capacity)，活塞1必需以活塞1盡可能移向閥3a和3b但不發(fā)生碰撞的一種幅度 而運行。為了確保它的可行性，必須準確知道活塞運行幅度。這個位移幅度的估計誤差越大，則為了避免碰撞或抵觸，活塞與閥板之間的安全距離需要越大。這種碰撞是不希望的， 因為它會產(chǎn)生大聲喧囂的噪音、還可能會損壞設(shè)備?；谶@個原因，本發(fā)明的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)包括一種直線電機驅(qū)動系統(tǒng)，它識 別出活塞1的位置、從而使得該組合結(jié)構(gòu)能夠以盡可能高的運行幅度進行運行，從而優(yōu)化 活塞1和汽缸2的泵浦容量或泵送能力。在圖2A、2B、3A和3B中更加詳細地示出了活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)中的活塞行動和汽 缸位置識別的機構(gòu)的優(yōu)選實施例。感應(yīng)傳感器8安置在連接到活塞1上的磁體5的位移路徑的一點處。根據(jù)電磁學 的原理，例如電感器或繞組這樣的感應(yīng)裝置將磁場的變化變換成(繞組端子處的)電壓。這 樣，由于感應(yīng)傳感器8安置在磁體的位移路徑上，所以它經(jīng)歷由于磁體5在氣隙12內(nèi)發(fā)生 位移而導致的由磁體5生成的磁場的變化，或者可以安置在磁體5的位移路徑的其它點處。 因此，感應(yīng)傳感器8通過監(jiān)視由磁體5生成的磁場則能夠識別出活塞的定位，并且響應(yīng)于所 觀測到的磁場變化而發(fā)射出電壓信號。然而，根據(jù)本發(fā)明，感應(yīng)傳感器的主要目的在于，識別出活塞何時到達它的運行幅 度的最大點(不與汽缸發(fā)生碰撞或抵觸)，這個最大點被認作活塞的控制位置、或者上部死 點(dead center) 0因此，傳感器必須構(gòu)造為使得磁體的位移速度不干擾對控制位置的確 定。 在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，優(yōu)選地，感應(yīng)傳感器8體現(xiàn)為呈簡單繞組(本文稱作傳 感器繞組)的形式。此外，為了獲得在確定控制位置時的速度的較大獨立性，傳感器繞組優(yōu) 選地構(gòu)造為在磁體的位移方向上，傳感器繞組的尺寸較窄；在與磁體的位移方向橫向的 方向上，傳感器繞組的尺寸較長。這種延長形狀使得能夠獲得傳感器繞組的較大輸出電壓， 而不會干擾傳感器8的位置的分辨力。因此，由于活塞在汽缸內(nèi)的移動顯著減小，則由傳感 器產(chǎn)生的信號出現(xiàn)較大變化，這增大了傳感器的分辨力、并由于噪聲干擾降低了系統(tǒng)對誤 差的敏感性。傳感器8的這個結(jié)構(gòu)還具有低阻抗，該低阻抗提供無電噪聲的信號，從而進一 步有助于傳感器的良好精確度。在本發(fā)明的另一個實施例中，可以如具有較寬格式的繞組一樣構(gòu)造出傳感器8。 這使得傳感器能夠測量出活塞的位移的較大距離，并且由此能夠預(yù)先檢測出活塞1正在靠 近。這個較寬格式使得傳感器能夠測量汽缸內(nèi)的活塞的兩個不同點。然而，因為由于活塞 在汽缸內(nèi)的位移，使得產(chǎn)生的信號較為平滑、并且很少變化，所以傳感器的寬度的增加導致 分辨力的損失，從而使得位置測量不準確。為了精確地檢測出活塞的控制位置，傳感器8必須優(yōu)選地位于磁體的位移路徑 內(nèi)，確切的講，位于當活塞到達控制位置時至少一個磁體5的下沿所到達的位置。因此，當 磁體5的邊沿通過傳感器時，傳感器發(fā)出一種指示著活塞已到達它的控制位置、或上部死 點的信號。如圖2中可見，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，傳感器8聯(lián)接到電機繞組6(借助于支 腿而固定到電機繞組6)，并且傳感器繞組8的一部分面朝著其中磁體5發(fā)生移動的氣隙。 在這種情況下，先前就將根據(jù)本發(fā)明的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)布置為使得其中安置著傳感 器的這個位置確切地與當活塞1位于上部死點(控制位置)時的磁體的位置相一致。圖2a、2b、3a和3b示出了壓縮周期的兩個不同時刻處的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)的樣本實施例，以便展示汽缸位置識別系統(tǒng)如何工作。在這些圖中，傳感器位于與圖2所示相同 的位置上。圖2a和2b示出了汽缸遠離閥板、并且磁體5沿氣隙移動、并且磁體5之一移動跨 越過感應(yīng)傳感器8的前端的情形。圖2b示出從圖2a的A-A剖切的視圖。圖3a和3b示出 了壓縮周期的第二時刻，其中，活塞到達它的控制位置，即，在它的最靠近汽缸頭部和閥板 3a和3b之處。在這一點，磁體5之一的下沿與傳感器8的上端的位置相一致，如圖3b中可 見。因此，在感應(yīng)傳感器8上出現(xiàn)由磁體5產(chǎn)生的磁場的變化，這在傳感器的端子之間生成 較大的電壓變化，從而產(chǎn)生一種指示出活塞1已到達控制位置的電信號。 在圖2和圖3的例子中，磁體5始終保持位于在聯(lián)接到電機繞組6的支承結(jié)構(gòu)4 之間所形成的氣隙12里面。在這種情況下，氣隙12與磁體5的位移路徑一致。圖4a和4b示出了本發(fā)明的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)的第二實施例。這兩 幅圖示出了圓筒狀活塞的驅(qū)動系統(tǒng)的縱長方向剖切視圖。該驅(qū)動系統(tǒng)具有圓筒定子10，在 圓筒定子10的內(nèi)部形成空腔，在該空腔中聯(lián)接著電機繞組6，用于產(chǎn)生引起磁體5位移的電 場?；貜?fù)鐵塊(return iron)9執(zhí)行與支承結(jié)構(gòu)4對應(yīng)的功能、并且同樣是圓筒狀的，該回 復(fù)鐵塊圍繞著定子10，從而使得在回復(fù)鐵塊9的內(nèi)表面與定子10的外表面之間形成氣隙 12，活塞的磁體5沿氣隙12進行往復(fù)移動。感應(yīng)傳感器8位于氣隙12內(nèi)部、且位于當活塞 到達它的最接近汽缸頭部但沒有碰撞或抵觸的位置時與磁體5的下端相一致的點處。優(yōu)選 的是，定子10可具備小凹陷用以容納傳感器。這個傳感器8還優(yōu)選地包括傳感器繞組，其中，在磁體5的位移方向上，傳感器繞 組具有狹窄的構(gòu)造；而在與磁體的位移方向橫向的方向上，傳感器繞組具有伸長的格式； 但是傳感器需要加以彎曲從而用以遵循著它的容納場所的彎曲。圖4a示出了活塞1遠離汽缸頭部2、并且磁體5移動跨越過感應(yīng)傳感器8的前側(cè) 的時刻。圖4b示出了活塞1已到達在活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)的運行幅度內(nèi)的它的控制位置、 并且由此磁體5的下沿在它的位移路徑內(nèi)所處高度與感應(yīng)傳感器8的上沿所處的高度相同 的情形。此刻，在傳感器8上將會出現(xiàn)較大的磁場變化，由此在傳感器的端子之間生成電壓 差，并且產(chǎn)生指示出活塞1已到達控制位置的對應(yīng)電壓信號。具有本文所述的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)的直線壓縮機同樣能夠根據(jù)本文所述的相 同原理檢測出活塞在汽缸內(nèi)的位置，由此在能耗和泵浦容量方面增強了壓縮機的性能。返 回圖1，根據(jù)本發(fā)明的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)的活塞1連接到磁體5，磁體5在包括氣隙12的 位移路徑內(nèi)進行移動，氣隙12形成于支承部分4與聯(lián)接到定子10的電機繞組6之間。磁 體的這種運動引發(fā)活塞1在汽缸2內(nèi)部進行交替運動，從而使得活塞1對通過吸氣閥3a進 入汽缸內(nèi)的氣體進行壓縮、并且通過排氣閥3b排放高壓氣體。直線壓縮機安裝在底座11內(nèi)部。在壓縮機與底座之間形成的空間構(gòu)成了低壓室 13，低壓室13容納著低壓氣體。汽缸的吸氣閥3a與低壓室13相連通并且允許空氣進入汽 缸2內(nèi)。汽缸的排氣閥3b將氣缸內(nèi)由壓縮活塞的運動加以壓縮的高壓空氣排放到低壓室 的密封隔離高壓區(qū)。感應(yīng)傳感器8(圖1未圖示)(比如，在磁體的位移方向的橫向上是伸長的、而在磁 體的位移方向上是狹窄的傳感器繞組)安置在磁體5的位移路徑上，并且可以位于氣隙12 的內(nèi)部或外部、且位于當活塞處于控制位置(即處于它的最靠近活塞頭但沒有碰撞的位置處)時與磁體5所到達的位置對應(yīng)的一點處。由磁體5移動離開傳感器8的事實所導致 的、感應(yīng)傳感器上的由磁體發(fā)出的磁場的變化，在感應(yīng)傳感器的端子之間生成電壓差，產(chǎn)生 一種指示出活塞已經(jīng)到達控制位置的電壓信號。因此，由于識別系統(tǒng)檢測到何時汽缸已到達控制位置的事實，能夠控制活塞2在 汽缸內(nèi)的位移幅度。因此，由于根據(jù)本發(fā)明的壓縮機能夠運行從而最優(yōu)化其壓縮容量，這是 因為其具有顯著減小的防碰撞安全距離、并且因此也最優(yōu)化了設(shè)備的功耗。 圖5中的曲線示出了基于以毫米示出的磁體5的位置的變化、由傳感器8產(chǎn)生的 信號的磁流的變化。由A指示的豎直線(左側(cè))對應(yīng)于活塞的位移的最低最大點(或者下 部死點)，并且由B指示的豎直線(右側(cè))對應(yīng)于活塞的上部死點或控制位置。優(yōu)選的是， 磁體不應(yīng)移動超越過這些豎直線A和B，從而確保相對于閥板、或者相對于在路徑的下端處 磁體可與之發(fā)生碰撞的任何其它元件的安全距離。傳感器應(yīng)該按比例指示活塞的靠近。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中、并且基于從 傳感器獲得可能的最準確結(jié)果的目的，上部死點與下部死點的豎直線A和B應(yīng)該相對于來 自傳感器的信號而定位在其中形成有上升斜坡(上部死點)和下降斜坡(下部死點)的這 個信號的部分(即，傳感器的信號最可能為線性的區(qū)域)中。繼續(xù)向右，有一個變形點，并 且從這個變形點向上，信號的變化開始變小，這降低了傳感器的分辨力。如果使用具有較寬繞組的傳感器，則信號的磁流的變化曲線變得較為平坦和平 滑。這樣，替代能夠測量出介于近似6到7. 5毫米之間的傳感器位置的變化，可能會在近似 4和8毫米之間進行測量，但是傳感器的分辨力將會降低，這是因為由于相同的位置的變 化，信號的變化也會降低。因此，由于噪聲的干擾，傳感器會更易受誤差影響。圖6中的曲線表示在活塞的位移的一些周期內(nèi)，隨時間由傳感器產(chǎn)生的電壓信 號。再次，由A指示的豎直線對應(yīng)于上部死點的位置，由B指示的豎直線對應(yīng)于活塞的下部 死點的位置。通過下面方程產(chǎn)生由傳感器發(fā)出的電壓信號Vsensor = f (x) Xv_magnet。其中^sensor是由傳感器產(chǎn)生的信號的電壓；f(x)是在圖5的曲線中所示的信號，即，由傳感器產(chǎn)生的信號的磁流的變化；以及Vjnagnet是磁體的位移速度。永磁電機產(chǎn)生了一種涉及到與磁體的和活塞的位移速度(vjiiagnet信號)成比 例的它們的反電動勢有關(guān)的信號。由于電機回響，所以在位移路徑的中心處存在著最大點 (速度最大)，并且在路徑的兩端處是兩個零交叉點(上部和下部死點)。實際上，磁體的 速度是正弦曲線。由于在上部和下部死點處磁體的速度等于零，于是在這些點處，通過使信 號f(x)乘以vjiiagnet信號獲得結(jié)果Vsensor等于零。這就是為什么在圖6的曲線中，在 所有的豎直虛線A和B中，傳感器的電壓信號是零。于是，基于這個信號，有可能識別出何時活塞接近路徑的任一端。在本發(fā)明的情況 下，這種交叉能夠用于確定出活塞已到達它的最大點以及它然后可能會與閥板相碰撞或抵 觸。因此，當前傳感器產(chǎn)生兩個信號(一個信號針對上部死點，且另一個信號針對下 部死點)，但是位置得到優(yōu)化以在上部死點處具有最佳信號，這是因為在這個實施例中，當 活塞處于上部死點位置處時，傳感器位于磁體的邊沿所達到的位置。于是還可以對下部死點進行分析，但是由于傳感器的當前位置，準確性較低。根據(jù)本發(fā)明，汽缸位置識別系統(tǒng)還能夠用于檢測汽缸里面的活塞的下部死點，這在當活塞返回時若與任何其它部件發(fā)生碰撞或抵觸的風險的情況下可能是重要的。通過使 用相同但分配到另一個位置的感應(yīng)傳感器8能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的這個實施例，用以檢測出何 時磁體5的邊沿處于與下部死點對應(yīng)的位置。換言之，在這種情況下，傳感器8必須安置在 當活塞到達下部死點位置時至少一個磁體5的上沿到達之處。這樣，當磁體5的邊沿通過 傳感器時，傳感器發(fā)出一種指示著活塞已到達它的下部死點的位置的信號。因此，根據(jù)本發(fā)明，僅僅一個感應(yīng)傳感器8能夠用于同時測量上部死點和下部死 點，或者能夠使用兩個傳感器8，每個傳感器分別進行適宜定位以執(zhí)行這些功能之一。基于上文所述能夠清楚地看出，本發(fā)明能夠提供一種以高準確度測量汽缸里面的 活塞的位移幅度的手段。另外，指示著活塞已到達它的控制位置或者下部死點的信號沒有 電噪聲干擾，這也有助于系統(tǒng)的準確度。此外，用以檢測汽缸里面的活塞的位移幅度的設(shè)備非常簡單，這是因為它實質(zhì)上 包括位于戰(zhàn)略位置以識別汽缸的位置的傳感器，并且，由這個傳感器產(chǎn)生的信號、或者這個 信號經(jīng)歷的特定變化足以指示出活塞已到達控制位置。因此，該設(shè)備省去了電路的使用來 處理位置傳感器的信號。已描述了優(yōu)選實施例的一個例子，但必須明白，本發(fā)明的范圍包括其它潛在變動， 并且僅僅由本文所附的權(quán)利要求的內(nèi)容加以限定，本文中包括了其它可能的等同物。
權(quán)利要求
一種由直線電機進行驅(qū)動的、并具有汽缸位置識別系統(tǒng)的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)，所述活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)包括支承結(jié)構(gòu)(4)，其形成氣隙(12)；電機繞組(6)，其至少沿氣隙(12)的一部分產(chǎn)生可變磁流；汽缸(2)，其在它的端部之一處具有頭部；活塞(1)，其連接到磁體(5)，所述磁體由電機繞組(6)的磁流進行驅(qū)動以在包括至少部分氣隙(12)的位移路徑內(nèi)進行移動，所述磁體的位移使得活塞(1)在汽缸(2)內(nèi)進行往復(fù)移動；其特征在于，所述活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)還包括感應(yīng)傳感器(8)，其置于磁體(5)的位移路徑的一點處，從而使得當活塞(1)至少到達預(yù)選位置時，感應(yīng)傳感器檢測由磁體的對應(yīng)位置導致的磁場的變化，并且產(chǎn)生源于這個磁場變化的電壓信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，活塞(1)到達的預(yù)選位置是位 移路徑的最靠近汽缸頭部處的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，活塞(1)到達的另一個預(yù) 選位置是位移路徑的離汽缸頭部最遠的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，感應(yīng)傳感器(8) 包括沿磁體的位移方向安置的傳感器繞組。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，傳感器繞組(8)在磁體的位移 方向的橫向上是伸長的、而在磁體的位移方向上是狹窄的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，感應(yīng)傳感器(8) 位于當活塞(1)到達最靠近頭部的位置時與磁體(5)的位置一致的磁體的位移路徑的一點 處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，當活塞(1)到達 最靠近汽缸頭部的位置時，磁體(5)的下端的位置與傳感器(8)的位置一致，并且感應(yīng)傳感 器上由磁體(5)施加的磁場的變化在感應(yīng)傳感器(8)的端子之間生成電壓差。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，感應(yīng)傳感器(8) 位于當活塞(1)到達離頭部最遠的位置時與磁體(5)的位置一致的磁體的位移路徑的一點 處。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，當活塞(1)到達離汽缸頭部 最遠的位置時，磁體(5)的上端的位置與傳感器(8)的位置一致，并且感應(yīng)傳感器上由磁體 (5)施加的磁場的變化在感應(yīng)傳感器(8)的端子之間生成電壓差。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，感應(yīng)傳感器 (8)位于氣隙(12)內(nèi)部。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，感應(yīng)傳感器 (8)位于氣隙(12)之外。
12.—種直線電機壓縮機，所述直線電機壓縮機包括支承結(jié)構(gòu)(4)，其形成氣隙(12)；電機繞組(6)，其至少沿氣隙(12)的一部分產(chǎn)生可變磁流；汽缸(2)，在它的上端處具有閥板，允許低壓空氣從低壓氣室(13)進入汽缸，并且將高 壓空氣排放到汽缸(2)之外； 活塞(1)，連接到磁體(5)，所述磁體由電機繞組(6)的磁流進行驅(qū)動以在包括至少部 分氣隙(12)的位移路徑內(nèi)進行移動，所述磁體的移動使得活塞(1)在汽缸(2)內(nèi)進行往復(fù) 移動；其特征在于，所述直線電機壓縮機還包括感應(yīng)傳感器(8)，其安置于磁體(5)的位移路徑的一點上，從而使得當活塞(1)至少到 達預(yù)選位置時，感應(yīng)傳感器(8)檢測由磁體(5)的對應(yīng)位置導致的磁場的變化，并且產(chǎn)生源 于這個磁場的變化的電壓信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的直線電機壓縮機，其特征在于，活塞(1)到達的預(yù)選位置是位移 路徑的最靠近閥板的位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的直線電機壓縮機，其特征在于，活塞(1)到達的另一個預(yù) 選位置是位移路徑的離閥板最遠的位置。
15.根據(jù)權(quán)利要求12到14中任一項的直線電機壓縮機，其特征在于，感應(yīng)傳感器(8) 包括沿磁體的位移方向安置的傳感器繞組。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的直線電機壓縮機，其特征在于，傳感器繞組(8)在磁體的位移方 向的橫向上是伸長的、而在磁體的位移方向上是狹窄的。
17.根據(jù)權(quán)利要求12到16中任一項的直線電機壓縮機，其特征在于，感應(yīng)傳感器(8) 位于當活塞(1)到達最靠近閥板的位置時與磁體的位置一致的磁體(5)的位移路徑的一點 處。
18.根據(jù)權(quán)利要求12到17中任一項的直線電機壓縮機，其特征在于，當活塞(1)到達 最靠近閥板的位置時，磁體(5)的下端的位置與傳感器(8)的位置一致，并且感應(yīng)傳感器上 由磁體(5)施加的磁場的變化在感應(yīng)傳感器(8)的端子之間生成電壓差。
19.根據(jù)權(quán)利要求12到16中任一項的直線電機壓縮機，其特征在于，感應(yīng)傳感器(8) 位于當活塞(1)到達離閥板最遠的位置時與磁體的位置一致的磁體(5)的位移路徑的一點 處。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的直線電機壓縮機，其特征在于，當活塞(1)到達離閥板最遠的位 置時，磁體(5)的上端的位置與傳感器(8)的位置一致，并且感應(yīng)傳感器上由磁體(5)施加 的磁場的變化在感應(yīng)傳感器(8)的端子之間生成電壓差。
21.根據(jù)權(quán)利要求12到20中任一項的直線電機壓縮機，其特征在于，感應(yīng)傳感器(8) 安置于氣隙(12)內(nèi)部。
22.根據(jù)權(quán)利要求12到20中任一項的直線電機壓縮機，其特征在于，感應(yīng)傳感器(8) 安置于氣隙(12)之外。
23.—種感應(yīng)傳感器，其特征在于，可應(yīng)用于在權(quán)利要求12到22中定義的直線電機壓 縮機，所述直線電機壓縮機包括支承結(jié)構(gòu)(4)，其形成氣隙(12)；電機繞組(6)；活塞(1)， 連接到磁體(5)，所述磁體由電機繞組(6)的磁流進行驅(qū)動以在包括至少部分氣隙(12)的 位移路徑內(nèi)進行移動，所述磁體的移動使得活塞(1)在汽缸(2)內(nèi)進行往復(fù)移動；感應(yīng)傳感器(8)包括沿磁體(5)的位移方向安置的傳感器繞組，所述傳感器繞組在磁體的位移方向的橫向上是實質(zhì)上伸長的、而在磁體的位移方向上是實質(zhì)上較狹窄的。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種由直線電機進行驅(qū)動、并具有汽缸位置識別系統(tǒng)的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)，包括支承結(jié)構(gòu)(4)，其形成氣隙(12)；電機繞組(6)，其至少沿氣隙(12)的一部分產(chǎn)生可變磁流；汽缸(2)，在它的端部之一處具有頭部；活塞(1)，其連接到磁體(5)，該磁體由電機繞組(6)的磁流進行驅(qū)動以在包括至少部分氣隙(12)的位移路徑內(nèi)進行移動，該磁體的移動使得活塞(1)在汽缸(2)內(nèi)進行往復(fù)移動；以及感應(yīng)傳感器(8)，其安置于磁體(5)的位移路徑的一點上，從而使得當活塞(1)到達最靠近汽缸頭部的位置處時，感應(yīng)傳感器檢測由磁體的對應(yīng)位置導致的磁場的變化，并且產(chǎn)生源于這個磁場變化的電壓信號。本發(fā)明還披露了一種包括本發(fā)明的種類的活塞和汽缸組合結(jié)構(gòu)并且能夠識別汽缸的位置的直線電機壓縮機。
文檔編號F04B35/04GK101960141SQ200880127574
公開日2011年1月26日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者D·E·B·利利, M·尼斯, N·F·費雷拉, P·S·戴恩茲 申請人:惠而浦股份公司