[发明专利]采用短线圈径向充磁的对置式动圈直线压缩机及制造方法

权利要求书

1.一种采用短线圈径向充磁的对置式动圈直线压缩机，由共用机座（0）、左部气缸衬套（1）、左部永磁体（2）、左部上轭铁（3）、左部下轭铁（4）、左部载流线圈（5）、左部线圈骨架（6）、左部活塞（7）、左部上板弹簧组（8）、左部下板弹簧组（9）、左部上压片结构（10）、左部下压片结构（11）、左部上支撑结构（12）、左部下支撑结构（13）、左部位移传感器铁芯（14）、左部位移传感器线圈（15）、左部位移传感器支撑（16）、左部机壳（17）以及右部气缸衬套（1′）、右部永磁体（2′）、右部上轭铁（3′）、右部下轭铁（4′）、右部载流线圈（5′）、右部线圈骨架（6′）、右部活塞（7′）、右部上板弹簧组（8′）、右部下板弹簧组（9′）、右部上压片结构（10′）、右部下压片结构（11′）、右部上支撑结构（12′）、右部下支撑结构（13′）、右部位移传感器铁芯（14′）、右部位移传感器线圈（15′）、右部位移传感器支撑（16′）和右部机壳（17′）组成，其特征在于，整体结构采用对置式以抵消左右两部分产生的机械振动，即以垂直中心线（40）为对称轴，左部所有部件及结构布置与右部相应部件及结构布置互为镜像体；水平轴线（50）所指示为轴向方向；共用机座（0）由左部气缸（41）、右部气缸（41′）以及共用出气孔（42）组成；左部气缸衬套（1）过盈配合镶嵌于左部气缸（41）的内部，右部气缸衬套（1′）过盈配合镶嵌于右部气缸（41′）的内部；左部永磁体（2）为圆筒状结构，中心位置沿轴向加工有左部磁体内通孔（43）；左部上轭铁（3）为圆筒状结构，其中心位置沿轴向加工有直径为d的左部上轭铁内通孔（44），左部上轭铁（3）的外径比左部磁体内通孔（43）的直径小2.0～3.0μm；左部下轭铁（4）为U型结构，U形体的内径比左部永磁体（2）的外径大2.0～3.0μm，在U形体底部的中心位置沿轴向加工有左部下轭铁内通孔（45），左部下轭铁内通孔（45）的直径大于左部上轭铁（3）的外径；左部永磁体（2）沿径向充磁至饱和，之后左部上轭铁（3）插入左部磁体内通孔（43）内部，左部下轭铁（4）将左部永磁体（2）及左部上轭铁（3）包裹其中，左部上轭铁左端面（18）与左部下轭铁左端面（19）齐平，左部上轭铁右端面（20）、左部永磁体右端面（22）以及左部下轭铁右端面（27）三者齐平；左部永磁体内环面（21）与左部上轭铁外环面（67）紧贴在一起，左部磁体环表面（68）与左部下轭铁内环面（23）紧贴在一起；左部永磁体（2）、左部上轭铁（3）、左部下轭铁（4）共同形成左部环状气隙（46），左部载流线圈（5）同心地插入左部环状气隙（46）内，右部永磁体（2′）、右部上轭铁（3′）、右部下轭铁（4′）共同形成右部环状气隙（46′），右部载流线圈（5′）同心地插入右部环状气隙（46′）内；左部载流线圈（5）与右部载流线圈（5′）的轴向高度均为h；左部活塞（7）与右部活塞（7′）工作时的最大行程均为s；左部下轭铁（4）与右部下轭铁（4′）底部的轴向厚度均为δ，并满足关系：δ＞s+h，以保证在整个活塞行程中，始终确保载流线圈处于稳定的磁场之内；左上支撑右端面（24）支撑于左部下轭铁左端面（19）之上，二者通过螺钉紧固，左部上支撑结构（12）的左侧加工成上环状平面（25）；左下支撑右端面（47）支撑于共用机座左侧面（48）之上，二者焊接在一起；左下支撑左前侧面（26）支撑于左部下轭铁右端面（27）之上，二者通过螺钉紧固，左部下支撑结构（13）的左下侧面加工成下环状平面（28）；左部上板弹簧组（8）由若干单片板弹簧薄片叠加而成，在外缘形成左上组外缘（29），在内缘形成左上组内缘（30），在中心部位沿轴向加工有直径为d的左上组簧体中心孔（31），其中左上组外缘（29）放置于左部上支撑结构（12）的上环状平面（25）之上，并通过螺钉紧固；左部下板弹簧组9由若干单片板弹簧薄片叠加而成，在外缘形成左下组外缘（32），在内缘形成左下组内缘（33），在中心部位沿轴向加工有直径为d的左下组簧体中心孔（34），其中左下组外缘（32）放置于左部下支撑结构（13）的下环状平面（28）之上，并通过螺钉紧固；左部活塞（7）由左部活塞头（35）、左部活塞中间过渡台（36）以及左部活塞杆（37）组成，在左部活塞杆（37）的末端加工有长1～3mm的左杆螺纹段（49），左部活塞头（35）的外径较之左部气缸（41）的内径小10～30μm，同时保证左部活塞杆（37）的直径小于d；左部活塞杆（37）依次贯穿左下组簧体中心孔（34）、左部下轭铁内通孔（45）、左部上轭铁内通孔（44）、左上组簧体中心孔（31）；左部上压片结构（10）将左上组内缘（30）以及左部线圈骨架（6）与左部活塞杆（37）紧固在一起，左部下压片结构（11）将左下组内缘（33）与左部活塞中间过渡台（36）紧固在一起，从而保证左部载流线圈（5）、左部线圈骨架（6）与左部活塞（7）、左部上板弹簧组（8）、左部下板弹簧组（9）连接为一个可同时运动的整体；左部位移传感器铁芯（14）内部加工有与左杆螺纹段（49）相配合的左铁芯螺纹段（51），左杆螺纹段（49）旋入左铁芯螺纹段（51）内并紧固；在左部位移传感器铁芯（14）之外设置与左部位移传感器支撑（16）紧固在一起的左部位移传感器线圈（15），左部位移传感器支撑（16）进而支撑于左部上支撑结构（12）之上并与之紧固在一起；左部机壳（17）通过左部机壳外端面（61）与左下支撑外端面（52）焊接固定，从而形成左部密闭腔体，将左部气缸衬套（1）、左部永磁体（2）、左部上轭铁（3）、左部下轭铁（4）、左部载流线圈（5）、左部线圈骨架（6）、左部活塞（7）、左部上板弹簧组（8）、左部下板弹簧组（9）、左部上压片结构（10）、左部下压片结构（11）、左部上支撑结构（12）、左部下支撑结构（13）、左部位移传感器铁芯（14）、左部位移传感器线圈（15）、左部位移传感器支撑（16）、左部机壳（17）全部罩于其中；右部所有部件及结构布置是左部相应部件及结构布置关于垂直中心线（40）的镜像体，右部机壳（17′）通过右部机壳外端面（61′）与右下支撑外端面（52′）焊接固定，形成右部密闭腔体，将右部气缸衬套（1′）、右部永磁体（2′）、右部上轭铁（3′）、右部下轭铁（4′）、右部载流线圈（5′）、右部线圈骨架（6′）、右部活塞（7′）、右部上板弹簧组（8′）、右部下板弹簧组（9′）、右部上压片结构（10′）、右部下压片结构（11′）、右部上支撑结构（12′）、右部下支撑结构（13′）、右部位移传感器铁芯（14′）、右部位移传感器线圈（15′）、右部位移传感器支撑（16′）、右部机壳（17′）全部罩于其中，从而形成一种采用短线圈径向充磁的对置式动圈直线压缩机。

2.一种如权利要求1所述采用短线圈径向充磁的对置式动圈直线压缩机的制造方法，其特征在于，以垂直中心线（40）为对称轴而互为镜像体的左部所有部件与右部相应部件需采用同一批次生产的零件以使个体间的差异最小化；共用机座（0）采用机械强度高、热膨胀系数小的钛合金材料制作，采用五轴机床同时加工出左部气缸（41）和右部气缸（41′），保证左部气缸（41）和右部气缸（41′）关于垂直中心线（40）对称，并保证左部气缸（41）和右部气缸（41′）的同轴度优于1.0μm，同时保证上述两气缸的内孔圆度均优于0.5μm；在左部气缸（41）和右部气缸（41′）加工完毕后，使用同一五轴机床加工出共用出气孔（42），保证共用出气孔（42）与左部气缸（41）以及右部气缸（41′）的垂直度均优于2.0μm；左部气缸衬套（1）及右部气缸衬套（1′）均采用硬度大于58的模具钢材料使用慢走丝线切割的方法加工成圆筒状，保证左部气缸衬套（1）及右部气缸衬套（1′）的外径分别比左部气缸（41）及右部气缸（41′）的内径大0.5～1.0mm，然后采用过盈配合和热胀冷缩的方式分别镶嵌入左部气缸（41）及右部气缸（41′）内，具体镶嵌方法为：共用机座（0）整体放置于内部温度为160℃的恒温加热箱内均匀加热4～6小时，在共用机座（0）取出恒温加热箱前5～10分钟，将左部气缸衬套（1）及右部气缸衬套（1′）同时放置于液氮中浸泡，在共用机座（0）从恒温加热箱取出的同时，将左部气缸衬套（1）及右部气缸衬套（1′）从液氮中取出，然后使用机械外力将左部气缸衬套（1）及右部气缸衬套（1′）分别推入左部气缸（41）及右部气缸（41′）内部，从而保证左部气缸衬套（1）及右部气缸衬套（1′）的外壁分别与左部气缸（41）及右部气缸（41′）的内壁紧密结合；然后使用坐标磨床对左部气缸衬套（1）及右部气缸衬套（1′）的内孔进行精细研磨，保证其内孔圆度均优于0.5μm；左部活塞（7）及右部活塞（7′）均采用机械强度高、热膨胀系数小的钛合金材料制作，首先采用数控机床加工出毛坯，然后采用坐标磨床进行精细研磨，保证左部活塞头（35）及右部活塞头（35′）的圆度均优于0.5μm，并保证左部活塞杆（37）和右部活塞杆（37′）沿轴向的跳动低于3.0μm，以及左部活塞杆（37）与左部活塞头（35）的垂直度优于1.0μm，右部活塞杆（37′）与右部活塞头（35′）的垂直度优于1.0μm；在左部活塞杆（37）和右部活塞杆（37′）的末端使用精密数控机床分别加工出左杆螺纹段（49）和右杆螺纹段（49′）；左部活塞（7）及右部活塞（7′）工作时的最大行程均设计为s，由限位结构保证行程精度优于2.0μm；左部上压片结构（10）、左部下压片结构（11）以及右部上压片结构（10′）、右部下压片结构（11′）均由机械强度较高、剩磁较低的金属材料采用数控机床加工制作而成，加工精度均优于9.0μm；左部上板弹簧组（8）、左部下板弹簧组（9）以及右部上板弹簧组（8′）、右部下板弹簧组（9′）均由若干片薄片板弹簧叠加组成，单片薄片板弹簧的厚度和数量由具体应用所需要的弹性刚度决定，材质为铍青铜或不锈钢，采用光刻的方法精确加工出内部型线，内部型线可以是螺旋形，也可以是直臂形，型线要求平滑、无毛刺、无折角，并通过板簧振动试验机进行超过10⁸个循环以上的疲劳检验；内部型线为螺旋形的单片薄片板弹簧的制作方法为在薄片上以光刻法刻蚀出螺旋形型线（38），从而自然形成螺旋形板簧臂（39），外侧留出单片板弹簧外缘（53），并在其上以光刻法均匀刻蚀出若干用于螺钉固定的螺钉孔（54），在内侧留出单片板弹簧内缘（55）；内部型线为直臂形的单片薄片板弹簧的制作方法为：在薄片上以光刻法刻蚀出直臂型板弹簧臂（56）以及运动臂（57），外侧留出单片板弹簧外缘（58），并在其上以光刻法均匀刻蚀出若干用于螺钉固定的螺钉孔（59），在内侧留出单片板弹簧内缘（60）；左部上支撑结构（12）及左部下支撑结构（13）均由机械强度较高、剩磁较低的金属材料采用数控机床加工制作而成，加工精度均优于5.0μm；左部上支撑结构（12）的左侧使用精密数控机床加工成上环状平面（25）；左上支撑右端面（24）支撑于左部下轭铁左端面（19）之上，二者通过螺钉紧固；左下支撑右端面（47）支撑于共用机座左侧面（48）之上，二者通过电子束焊接技术焊接在一起，左下支撑左前侧面（26）支撑于左部下轭铁右端面（27）之上，二者通过螺钉紧固，左部下支撑结构（13）的左下侧面使用精密数控机床加工出下环状平面（28），左部下支撑结构（13）的左上侧面使用精密数控机床加工出左下支撑外端面（52）；右部下支撑结构（13′）由机械强度较高、剩磁较低的金属材料采用数控机床加工制作而成，加工精度优于5.0μm，其右上侧面使用精密数控机床加工出右下支撑外端面（52′）；左部位移传感器铁芯（14）及右部位移传感器铁芯（14′）均由纯铁材料制作，内部分别加工有与左杆螺纹段（49）及右杆螺纹段（49′）相配合的左铁芯螺纹段（51）及右铁芯螺纹段（51′），左杆螺纹段（49）及右杆螺纹段（49′）分别旋入左铁芯螺纹段（51）及右铁芯螺纹段（51′）内并紧固；左部线圈骨架（6）、右部线圈骨架（6′）、左部位移传感器支撑（16）、左部位移传感器支撑（16′）均由机械强度较高、剩磁较低的金属材料采用数控机床加工制作而成，加工精度均优于9.0μm；左部位移传感器线圈（15）及右部位移传感器线圈（15′）均由漆包铜线在相应骨架上绕制而成；左部永磁体（2）及右部永磁体（2′）均采用磁能积较高的稀土永磁材料制作，使用激光加工的方式加工成型，左部永磁体（2）及右部永磁体（2′）均使用脉冲充磁机沿径向充磁至饱和；左部上轭铁（3）及右部上轭铁（3′）均采用导磁率较高的纯铁材料，使用精密数控机床加工而成，加工精度均优于8.0μm；左部下轭铁（4）及右部下轭铁（4′）均采用导磁率较高的纯铁材料，使用精密数控机床加工而成，左部下轭铁（4）及右部下轭铁（4′）底部的轴向厚度均为δ，加工精度均优于2.0μm；左部载流线圈（5）及右部载流线圈（5′）均采用漆包铜线在固体支撑上绕制而成，漆包铜线的直径和厚度由需要提供的电机力决定；左部载流线圈（5）与右部载流线圈（5′）的轴向高度均为h，制作时由机床精度及绕制工艺保证h的精度优于2.0μm；左部下轭铁（4）将左部永磁体（2）及左部上轭铁（3）包裹其中，共同形成左部环状气隙（46），左部载流线圈（5）同心地插入左部环状气隙（46）内；左部下轭铁（4′）将左部永磁体（2′）及左部上轭铁（3′）包裹其中，共同形成右部环状气隙（46′），右部载流线圈（5′）同心地插入右部环状气隙（46′）内；左部上轭铁（3）、左部载流线圈（5）、左部活塞（7）以及右部上轭铁（3′）与右部载流线圈（5′）、右部活塞（7′）在制作时均需保证满足各自下轭铁底部的轴向厚度大于各自载流线圈的轴向高度与各自活塞的最大行程之和，即：δ＞s+h，以保证在整个活塞行程中，始终确保载流线圈处于稳定的磁场之内；左部机壳（17）及右部机壳（17′）均由机械强度高、结构致密、剩磁较低的金属材料使用精密数控机床加工制作成形；左部机壳外端面（61）与左下支撑外端面（52）使用电子束技术焊接在一起，形成左侧密闭腔体，右部机壳外端面（61′）与右下支撑外端面（52′）使用电子束技术焊接在一起，形成右部密闭腔体，对上述两个焊接完毕的密闭腔体均充入高纯氦气检验，耐压强度均需高于5.0MPa，氦气泄漏率均需低于3.0×10^-8Pa·m³/s。