專利名稱：一種直聯式空壓機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電機和空壓機領域，特別地，涉及一種直聯式空壓機。
背景技術：
隨著全世界范圍能源危機的到來，各國政府都在為經濟可持續(xù)發(fā)展 的目的積極地推廣節(jié)能降耗技術?？諌簷C是一種將氣體壓縮從而提高氣 體壓力或輸送氣體的機器，在國民經濟和國防建設的許多部門中應用極 廣，特別是在石油、化工、制藥等工業(yè)領域中已成為必不可少的關鍵設 備，是許多工業(yè)部門工藝流程中的心臟設備。空壓機也是空調、冰箱等 的關鍵部件，還常常用于為氣動工具提供動力源?？諌簷C是高能耗產品， 而且量大面廣，總耗電量極其驚人。
出于生產成本的考慮，目前我國的微型空壓機絕大部分采用普通的 異步感應電動機驅動，不但成本低，而且可靠穩(wěn)定，但小功率電機通常
效率低下(65 80%)，能源浪費非常嚴重。
空壓機系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化有多種方法，包括改善空壓機的冷卻和潤滑、 減少摩擦功耗、變頻調速、進氣閥控制、余隙控制等，而近年來永磁電 機的快速發(fā)展為中小型空壓機的節(jié)能增添了一種新的途徑。采用永磁同 步電機驅動的空壓機效率高、零部件少、重量輕、體積小、起動電流小、 節(jié)能效果明顯，但目前還存在的一些問題限制了這種空壓機的推廣應用， 其中最嚴重的是生產成本、空壓機特有的轉速波動造成的效率損失及由 此帶來的噪聲和振動等問題。
永磁電機在工業(yè)伺服領域已經使用了很多年。由于采用永磁轉子， 因而這種電機十分高效，與相同尺寸的感應式電機相比，能夠提供高得 多的連續(xù)轉矩。永磁電機的控制一般通過檢測轉子磁通的位置及幅值來 控制定子電流或電壓，這樣，電機的轉矩便只和磁通、電流有關，可以 得到很高的電機性能。在傳統(tǒng)的永磁電機的控制中，為了得到轉子的精 確位置和速度，最常用的方法是在轉子軸上安裝機械傳感器，如光電編 碼器、霍耳效應傳感器，但是這些傳感器增加了系統(tǒng)的成本，降低了系 統(tǒng)的可靠性，而且其應用受到諸如溫度、濕度和振動等條件的限制，使 該系統(tǒng)的應用僅僅局限于高端工業(yè)驅動領域，不能廣泛適用于各種場合。

實用新型內容
本實用新型的目的在于針對現有技術的不足，提供一種直聯式空壓機。
本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的 一種直聯式空壓 機，它主要由低壓級生成部分、高壓級生成部分、儲氣罐部分和電機與 控制系統(tǒng)部分組成。所述低壓級生成部分和高壓級生成部分對置布置于 空壓機主軸兩端。低壓級生成部分和高壓級生成部分通過銅管相連，高 壓級生成部分和儲氣罐部分通過銅管相連。電機與控制系統(tǒng)部分的電機 軸與空壓機主軸同軸。
進一步地，所述低壓級部分主要由低壓缸蓋、低壓氣閥、低壓缸體、 低壓活塞、低壓連桿和低壓偏心輪組成；低壓缸蓋蓋在低壓氣閥上，低 壓缸體與低壓氣閥相聯。低壓偏心輪通過低壓連桿與低壓活塞聯接，低 壓偏心輪通過平鍵與與空壓機主軸相聯。
所述高壓級部分主要由高壓缸蓋、高壓氣閥、高壓活塞、高壓缸體、 高壓連桿和高壓偏心輪組成；高壓缸蓋蓋在高壓氣閥上，高壓缸體與高 壓氣閥相聯。高壓偏心輪通過高壓連桿與高壓活塞聯接，高壓偏心輪通 過平鍵與空壓機主軸相聯。
所述儲氣罐部分主要由兩個儲氣罐相連，兩個儲氣罐之間通過連接 兩儲氣罐銅管連接。
所述電機與控制系統(tǒng)部分主要由直流無刷電機本體、控制板和壓力 傳感器組成；直流無刷電機本體與空壓機主軸同軸，壓力傳感器裝于儲 氣罐中，通過信號線與控制板相連。
本實用新型的有益效果是本實用新型的直流無刷電機驅動的直聯 式空壓機整機效率高，重量輕、體積小，便于攜帶，生產成本低。


圖1是本實用新型直流無刷電機驅動的直聯式空壓機的結構剖視圖； 圖2 (a)是現有對動方式布置的空壓機氣缸布置示意圖，圖2 (b)
是本實用新型對置布置的空壓機氣缸布置示意圖3是現有對動方式布置的空壓機和本實用新型對置布置的空壓機
的負載圖4是本實用新型的變占空比的控制方法的原理圖5是現有占空比恒定與本實用新型變占空比的控制方法的轉速波 動對比示意圖中，l-低壓缸蓋、2-低壓氣閥、3-低壓缸體、4-低壓活塞、5_低 壓連桿、6-低壓偏心輪、7-配重、8-高壓偏心輪、9-高壓連桿、10-連接 低壓缸與高壓缸銅管、l卜高壓缸體、12-高壓活塞、13-高壓氣閥、14-高壓缸蓋、15-連接高壓缸與儲氣罐銅管、16-儲氣罐、17-壓力傳感器、 18-連接壓力傳感器與電路板電線、19-控制板、20-連接電機與電路板電 線、21直流無刷電機、22-連接兩儲氣罐銅管。
具體實施方式
如圖1所示，為了提高空壓機的整機效率，降低其重量和體積，本 實用新型采用直流無刷電機驅動。本實用新型的直流無刷電機驅動的直
聯式空壓機包括四部分低壓級生成部分、高壓級生成部分、儲氣罐部
分、電機與控制系統(tǒng)部分。
低壓級部分，低壓缸蓋1蓋在低壓氣閥2上，低壓缸體3與低壓氣 閥2相聯。低壓偏心輪6通過軸承與低壓連桿5聯接，低壓偏心輪6通 過平鍵與空壓機主軸相聯。低壓偏心輪6旋轉帶動低壓連桿5擺動，低 壓連桿5擺動帶動低壓活塞4在低壓缸體3里上下移動。產生低壓氣體 通過連接低壓缸與高壓缸銅管10進入高壓端。
高壓級部分，高壓缸蓋14蓋在高壓氣閥13上，高壓缸體ll與高壓 氣閥11相聯。高壓偏心輪8通過軸承與高壓連桿9聯接，高壓偏心輪6 通過平鍵與空壓機主軸相聯。高壓偏心輪8旋轉帶動高壓連桿9擺動， 高壓連桿9擺動帶動高壓活塞12在高壓缸體11里上下移動。
儲氣罐部分，產生高壓氣體通過連接高壓缸與儲氣罐銅管15進入儲
氣罐16。兩個儲氣罐通過連接兩儲氣罐銅管22連接。
電機與控制系統(tǒng)部分，直流無刷電機本體21與空壓機同軸，拖動空 壓機轉動?？刂瓢?9發(fā)生控制信號通過連接電機與電路板電線20控制 電機運轉。壓力傳感器17將儲氣罐16中的壓力信號通過信號線18傳給 控制板19，控制板19包括單片機、驅動電路及保護電路，單片機通過査 表的方式確定合適的電機有效電壓及相應的占空比。
結構普通的兩級活塞式空壓機的兩個氣缸，通常布置成對動的形式 如圖2 (a)所示，23為高壓缸，24為低壓缸。其往復慣性力可以互相抵 消，空壓機振動較小。本項實用新型為了改善直流無刷電機的工作條件， 提出將兩個氣缸布置成對置的形式，即兩個氣缸分別布置在電機軸的兩 側，而兩個活塞在同一時刻向同一方向運動，如圖2 (b)所示，25為高 壓缸，26為低壓缸。這樣，當一個氣缸在壓縮空氣的時候，另一個氣缸 在吸入氣體，由此形成的空壓機阻力矩曲線在一個周期內有兩個峰值， 如圖3實線所示，但其峰值遠小于氣缸按傳統(tǒng)對動方式布置的空壓機阻 力矩峰值，如圖3虛線所示，從而降低了對電機最大輸出扭矩的要求， 更重要的是可以減小電機的轉速波動，從而降低噪音，提高效率。
在確定空壓機氣缸布置形式的基礎上，本項實用新型提出了一種更 簡單的直流無刷電機的控制方法。首先去掉了直流無刷電機的位置傳感 器，采用無傳感器控制方式，以降低空壓機的成本和體積，同時增加了 空壓機在惡劣環(huán)境下的工作可靠性。空壓機的轉速是基本確定的(可以 是高、低二檔，也可以是高中低三檔轉速)，因此直流無刷電機所需有效 電壓僅與空壓機排氣壓力有關，通過標定可以確定二者的相互關系，工 作時先測量空壓機的排氣壓力，然后通過查表確定電機的有效電壓，并 進而確定P麗信號的占空比，由此簡化了電機的控制系統(tǒng)。
考慮到空壓機阻力矩曲線與電機轉角以及空壓機排氣壓力都有著特 定不變的關系，為了進一步降低由負載力矩引起的電機轉速的波動，本 項實用新型還提出了一種變占空比控制方法。
1) 通過活塞、連桿與電機軸的安裝，確定活塞位置與電機轉角之 間的相互關系，從而可以計算出如圖3、圖4所示的在某排氣壓力條件下 空壓機往復一個周期的阻力矩曲線。
2) 將空壓機的一個周期分解為若干個區(qū)域，例如，針對2對極直流無刷電機驅動的2級壓縮空壓機，可以將其往復運動的一個周期分解為
12個等間隔區(qū)域，如圖4所示，每個區(qū)域對應三相六拍電機的一個拍。 當然，根據需要可以有多種不同的區(qū)域分隔方法，如分隔成6個區(qū)域、
24個區(qū)域等。
3) 由于空壓機的阻力矩曲線是己知的，因此每一個區(qū)域的平均阻力 矩也是確定的，根據每一個區(qū)域對應的平均阻力矩，可以確定該區(qū)域PWM
(Pulse Width Modulator脈寬調制)信號的占空比大小。對平均阻力矩 較大的區(qū)域，如空壓機的排氣階段，P麗信號的占空比也較大，使電機 的輸出轉矩也隨之增大，反之，在空壓機的吸氣和膨脹過程，阻力矩較 小，PWM信號的占空比就減少，電機的輸出轉矩也相應減小。
4) 類似步驟1和步驟3，計算出在不同排氣壓力條件下空壓機往復 一個周期的阻力矩曲線，然后根據這些曲線，確定各個排氣壓力條件下 每一個區(qū)域對應的P麗信號占空比，并形成相應的表格。
5) 驅動空壓機的直流無刷電機采用三相六拍、上橋臂P麗調制的方 法運行，由控制系統(tǒng)(單片機)輸出的信號驅動。單片機在實際控制過 程中，先通過壓力傳感器確定當前空壓機的排氣壓力，然后查表確定該 排氣壓力當前區(qū)域的P麗信號的占空比，最后將占空比合適的P麗信號 調節(jié)電壓通過驅動電路驅動電機的運轉。
如附圖l所示，空壓機低壓缸直接從大氣中吸氣經壓縮產生低壓氣 體，經級間連通管路IO到高壓缸進一步壓縮，產生的高壓氣體經排氣管 15儲存到儲氣罐16中。壓力傳感器17將儲氣罐中的壓力信號傳給單片 機，單片機通過查表的方式確定合適的電機有效電壓及相應的占空比。 空壓機的二個氣缸采用對置布置的方式，如附圖2 (b)所示，由此產生 的空壓機阻力矩曲線如附圖4所示。 實施例1
直流無刷電機選用二對極的電機，電機運行采用三相六拍的方式，通 過測定電機反電動勢的過零點，確定每一拍的換相時間。這樣空壓機的一 個周期對應控制系統(tǒng)的二個周期(二個六拍)，將空壓機的一個周期均勻劃 分為十二個區(qū)域，如附圖4所示，每一個區(qū)域對應控制系統(tǒng)的一拍，從附圖 4中可以看到，空壓機前半個周期的阻力矩曲線和后半個周期的阻力矩曲線 有些相似，即對應每個控制周期(六拍)空壓機阻力矩都基本相同，由此 可以確定控制周期每一拍的占空比，如圖4所示，第一、二拍的占空比最小，
電機的輸出力矩也最小，第五拍的占空比設置成最大，電機的輸出力矩也 最大，這樣控制的結果就可以使電機轉速的波動降到最低。當排氣壓力一 定時，每個周期相應拍的占空比也是一定的，因此控制系統(tǒng)的設計非常簡 單，所需單片機資源極少。
為了確定儲氣罐中的壓力，單片機每隔一段時間會檢測一次壓力傳感 器的信號大小，當單片機感應到儲氣罐中的壓力變化時，會根據所測壓力 通過查表確定該條件下各拍的占空比。空壓機處于運行狀態(tài)時，如果儲氣 罐中的壓力大于設定值的上限，單片機會發(fā)出指令，停止電機的運轉?？?壓機處于停止狀態(tài)時，如果儲氣罐中的壓力小于設定值的下限，單片機會 發(fā)出指令，起動電機，并使其在設定轉速下運行。
為了進一步說明本項實用新型的優(yōu)點，我們比較了二種控制方法， 一種是常見的通過測量反電動勢確定換相時間，每一拍的占空比都相同， 另一種方法也是通過測量反電動勢確定換相時間，但每一拍的占空比都
不同，附圖5給出了二種控制方法下電機轉動速度的波動情況，很明顯， 在本項實用新型提出的變占空比控制條件下，電機的轉動更加平穩(wěn)。 實施例2
直流無刷電機選用四對極的電機，電機運行采用三相六拍的方式，通 過測定電機反電動勢的過零點，確定每一拍的換相時間。這樣空壓機的一 個周期對應控制系統(tǒng)的四個周期(四個六拍)，將空壓機的一個周期均勻劃 分為二十四個區(qū)域，每一個區(qū)域對應控制系統(tǒng)的l拍，第一、第三個控制周 期的阻力矩曲線形狀基本相似，根據阻力矩曲線確定第一個控制周期每一 拍的占空比，第三個控制周期每一拍的占空比與第一個控制周期相應拍的 占空比相同。同樣，第二、第四個控制周期的阻力矩曲線形狀也基本相似， 相應拍的占空比也可以設置成同樣大小。
考慮到本案例中，相鄰兩個控制周期對應拍的占空比是不同的，在升 速過程或其它干擾下有可能產生混淆，因此設置了相關的模糊控制環(huán)節(jié)， 通過反電動勢的測量或相電流的測量，通過模糊算法，確定是否發(fā)生混淆， 一旦出現混淆，及時調整相鄰周期的占空比。在本案例中，其余的控制與 案例1相同。
上述實施例用來解釋說明本實用新型，而不是對本實用新型進行限 制，在本實用新型的精神和權利要求的保護范圍內，對本實用新型作出 的任何修改和改變，都落入本實用新型的保護范圍。
權利要求1. 一種直聯式空壓機，其特征在于，它主要由低壓級生成部分、高壓級生成部分、儲氣罐部分和電機與控制系統(tǒng)部分組成；所述低壓級生成部分和高壓級生成部分對置布置于空壓機主軸兩端；低壓級生成部分和高壓級生成部分通過銅管相連，高壓級生成部分和儲氣罐部分通過銅管相連；電機與控制系統(tǒng)部分的電機軸與空壓機主軸同軸。
2. 根據權利要求1所述的直聯式空壓機，其特征在于，所述低壓級部分 主要由低壓缸蓋(1)、低壓氣閥(2)、低壓缸體(3)、低壓活塞(4)、 低壓連桿(5)和低壓偏心輪(6)組成；低壓缸蓋(1)蓋在低壓氣閥(2)上，低壓缸體(3)與低壓氣閥(2)相聯；低壓偏心輪(6)通 過低壓連桿(5)與低壓活塞(4)聯接，低壓偏心輪(6)通過平鍵與 與空壓機主軸相聯。
3. 根據權利要求1所述的直聯式空壓機，其特征在于，所述高壓級部分 主要由高壓缸蓋(14)、高壓氣閥(13)、高壓活塞(12)、高壓缸體(ll)、 高壓連桿(9)和高壓偏心輪(6)組成；高壓缸蓋(14)蓋在高壓氣 閥(13)上，高壓缸體(11)與高壓氣閥(13)相聯；高壓偏心輪(8) 通過高壓連桿(9)與高壓活塞(12)聯接，高壓偏心輪(6)通過平 鍵與空壓機主軸相聯。
4. 根據權利要求1所述的直聯式空壓機，其特征在于，所述儲氣罐部分 主要由兩個儲氣罐(16)相連，兩個儲氣罐(16)之間通過連接兩儲 氣罐銅管(22)連接。
5. 根據權利要求1所述的直聯式空壓機，其特征在于，所述電機與控制 系統(tǒng)部分主要由直流無刷電機本體(21)、控制板(19)和壓力傳感器(17)組成；直流無刷電機本體(21)與空壓機主軸同軸，壓力傳感 器(17)裝于儲氣罐(16)中，通過信號線(18)與控制板(19)相 連。
專利摘要本實用新型公開了一種直聯式空壓機，它主要由低壓級生成部分、高壓級生成部分、儲氣罐部分和電機與控制系統(tǒng)部分組成。所述低壓級生成部分和高壓級生成部分對置布置于空壓機主軸兩端。低壓級生成部分和高壓級生成部分通過銅管相連，高壓級生成部分和儲氣罐部分通過銅管相連。電機與控制系統(tǒng)部分的電機軸與空壓機主軸同軸。本實用新型的直聯式空壓機整機效率高，重量輕、體積小，便于攜帶，生產成本低。
文檔編號F04B41/00GK201209528SQ20082008786
公開日2009年3月18日 申請日期2008年6月4日 優(yōu)先權日2008年6月4日
發(fā)明者李志海, 潘曉弘, 鄭水英, 鐘美鵬 申請人:浙江大學