由线性马达驱动且具有气缸与活塞之间的冲击的检测器的气体压缩机、检测方法

摘要

本发明公开了一种能够检测由气体压缩机的线性马达驱动的气缸(2)和活塞(1)之间的冲击或碰撞的发生的方法。所述方法包括步骤：i)在活塞到达上止点之前获得与线性马达的电输出相关联的参考信号(Sr)；ii)在活塞到达上止点之后获得与线性马达的所述电输出相关联的检测信号(Sd)；iii)在所述参考信号(Sr)与所述检测信号(Sd)之间作比较；以及iv)当步骤iii中的比较结果表明，在考虑了预先设立的公差的情况下，检测信号(Sd)表现出源于气缸(2)和活塞(1)之间的冲击的变化时，记录冲击的发生。本发明还公开了一种能够执行上述方法的电子检测器装置。本发明还公开了一种气体压缩机(100)和包括上述检测器的控制系统。

说明书

技术领域

本发明公开了一种能够检测气体压缩机中由线性马达驱动的气缸与活塞之间的冲击或碰撞的发生的方法。

本发明还公开了一种能够检测气体压缩机中由线性马达驱动的气缸与活塞之间的冲击或碰撞的发生的电子装置。

本发明还公开了一种包括上述装置的气体压缩机。

本发明还公开了一种用于由线性马达驱动的气缸和活塞组的包括上述装置的控制系统。

背景技术

当前，由线性马达驱动的活塞和气缸组的使用是常见的。这种类型的组特别适用于例如制冷系统(例如冰箱和空调设备)中的线性压缩机。线性压缩机表现出低能耗，因此对所讨论的应用而言是高效的。

线性压缩机通常包括在气缸内移动的活塞。该气缸的头部通常容纳吸气阀和排气阀。所述吸气阀和排气阀调节低压气体的进入和高压气体从气缸内的排出。活塞在线性压缩机的气缸内的轴向运动将吸气阀引入的气体压缩，从而升高其压力，然后通过排气阀将其排放到高压区域。可替代地，存在这样的线性压缩机构造，其中吸气阀位于活塞上，或者可以没有阀板(在这种情况下，排放阀覆盖气缸的整个顶部)。

线性压缩机必须能够控制活塞在气缸内的位移，以防止活塞与气缸头部碰撞，或者与布置在活塞路径的另一端的其他部件碰撞，除了设备的磨损和破损之外，这还引起令人不悦的大的噪声。然而，为了使线性压缩机的效率和性能达到最优并使压缩机的功率消耗达到最小，理想的是，活塞应当在气缸内尽可能大地移位，从而尽可能近地靠近气缸头部而不与其发生碰撞。

通常，活塞的所述位移控制是由能够识别活塞位置的传感器来执行的。在这种情况下，当压缩机运行时的气缸位移幅度必须是精确知道的，并且该幅度的估计误差越大，安全距离越大，该安全距离将必须在活塞的最大位移点和气缸头部之间，以避免其发生碰撞。该安全距离导致压缩机的效率损失。

在现有技术中已经已知控制活塞在线性压缩机的气缸内的轴向位移的一些机构和系统。这些现有技术包括文献JP 11336661，其公开了一种活塞位置控制单元，该活塞位置控制单元使用位置传感器测量的离散的位置信号并在随后对这些位置信号进行插值，以确定活塞的最大前进位置。利用该方案，可能达到高精度的活塞位移幅度。然而，测量活塞的位移幅度并不是在测量活塞与气缸头部之间的距离的目的地点进行的。这是为什么该文献中公开的系统在位置传感器的组装位置具有公差的原因。

文献BR 0001404-4描述了特别适于检测能够轴向移位的压缩机的位置的位置传感器。该压缩机包括放置在头部和活塞在其中移动的中空体之间的阀片。该传感器包括与控制电路电连接的探针，该探针能够捕捉到活塞通过中空体上的点并对控制电路发送信号。因此，该系统能够测量活塞与气缸头部之间的距离，但是由于电接触故障(其产生不准确的读取)，用作气缸位置转换器的电路的结构会产生不理想的电噪声。

文献BR 0203724-6提出了另一种检测线性压缩机中的活塞位置以防止压缩机运行状态或者甚至电压发生变化时与流体输送板发生碰撞的方式。该文献中提出的方案测量活塞与位于活塞正上方的流体板之间的距离，因此是高度精确的方案。然而，该结构需要用于安装阀板传感器的空间，因此成本更高。

上述现有技术的文献描述了基于通过特定的传感器来直接测量活塞的位置和位移的方案，显然，这些传感器不能够以低成本获得良好的控制精度。另外，所述方案实施起来具有一定的复杂程度，这阻碍了制造过程，因为需要高的组装精度。另外，位置或位移传感器的使用需要在压缩机中分配另外的空间，这是不理想的，因为这阻碍了占据最优空间的紧凑产品的发展。

文献US 5342176提出了一种通过监视马达变量(诸如施加于永磁线性马达的电流和电压)来预测活塞运行的幅度的方法。换句话说，线性马达自身就是活塞位置转换器。该方案表现出省略了压缩机内附加的转换器(例如传感器)的使用的优点。然而，所提出的该方法具有精度非常低的主要缺点，这导致压缩机性能的显著损失，因为这需要活塞和气缸头部之间的大的安全距离以避免碰撞。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种用于检测由线性马达驱动的气缸与活塞之间的冲击并通过使用传感器进行分配的方法。

本发明的第二目的是提供一种由线性马达驱动的气缸与活塞之间、具有低成本并省略了传感器的使用的冲击检测器。

本发明的第三目的是提供一种能够检测由线性马达驱动的气缸与活塞之间的冲击、具有低成本并省略了传感器的使用的气体压缩机。

本发明的第四目的是提供一种能够防止活塞与气缸的冲击的控制系统，其表现出良好的精度。

本发明的第一目的是通过一种用于检测由线性马达驱动的气缸与活塞之间的冲击的方法而实现的，所述方法包括如下步骤：

i)在活塞到达上止点之前获得与线性马达的电输出相关联的参考信号；

ii)在活塞到达上止点之后获得与线性马达的所述电输出相关联的检测信号；

iii)在所述参考信号与所述检测信号之间作比较；以及

iv)当步骤iii中的比较结果表明，在考虑了预先设立的公差的情况下，检测信号具有源于气缸和活塞之间的冲击的变化时，记录冲击的发生。

本发明的第二目的是通过提供一种由线性马达驱动的气缸和活塞之间的冲击的检测器而实现的，该检测器包括至少一个与线性马达电连接的调节电路，其中该调节电路包括：至少一个滤波器，其构造成选择来自马达的电信号的高频范围；至少一个比较装置，其电连接于所述滤波器并能够将来自所述滤波器的参考信号与检测信号作比较，并且所述比较装置构造成在活塞到达上止点之前获得参考信号并在活塞到达上止点之后获得检测信号；以及至少一个监视装置，其监视与比较装置输出相关联的电信号，所述监视装置构造成在比较装置表明在考虑了预先设立的公差的情况下，检测信号表现出关于参考信号的变化时，检测冲击。

本发明的第三目的是通过提供一种气体压缩机而实现的，气体压缩机包括由线性马达驱动的至少一个气缸和活塞；以及气缸和活塞之间的至少一个冲击检测器，所述检测器电连接于马达并与上述一个相一致。

本发明的第四目的是通过提供一种控制系统而实现的，控制系统用于由线性马达驱动的气缸和活塞组，所述控制系统包括：与马达操作性连接的至少一个控制器；以及气缸和活塞之间的至少一个冲击检测器，所述检测器电连接于所述控制器并与上述一个相一致。

附图说明

接下来将参照所附附图对本发明进行更详细的描述，在附图中：

图1是应用了根据本发明的检测气缸和活塞之间的冲击的方法的压缩机的横截面图；

图2表示图解在气缸和活塞之间不发生冲击的情形下线性马达的曲线的图表；

图3表示图解在气缸和活塞之间发生冲击的第一情形下线性马达的曲线的图表；

图4表示图解在气缸和活塞之间发生冲击的第二情形下线性马达的曲线的图表；

图5表示图4所示的图表中着重表示的区域的放大图，显示图解气缸与活塞之间的冲击的区域；

图6表示示出了根据本发明的标的，气缸与活塞之间的冲击的检测器的元件的框图；以及

图7表示示出了根据本发明的标的，气缸与活塞组的控制系统的框图。

具体实施方式

由线性马达驱动的活塞和气缸组

图1示出了具有线性马达的压缩机，其应用了由线性马达驱动的活塞和气缸组，所述线性马达具有根据本发明的气缸2和活塞1之间的冲击的检测器。

图1的优选实施例中所示的活塞和气缸组包括气缸2，气缸2具有位于其上端的阀板(也称作阀头)。阀板包括允许低压空气进入气缸2中的吸气阀3a和将高压空气排出气缸2之外的排气阀3b(如果将活塞和气缸组应用于空气压缩机的话)。

在活塞和气缸组的其他应用中，与气缸2的内部连通的吸气阀3a和排气阀3b可对其他类型的流体进行操作。例如，如果活塞和气缸组应用于泵，则阀3a和3b可允许其他类型的流体(例如水)进入和排出。

活塞和气缸组还包括在气缸2内移动(dislodge)的活塞1，从而共同构成共振组。在气缸2内，活塞1进行交替的线性运动，施加对通过吸气阀3a进入气缸2内的气体进行压缩的作用，直至该气体能够通过排气阀3b排出到高压侧的时间点为止。

活塞1联接于至少一个磁铁5，使得活塞1的移位导致磁铁5的相应移位，反之亦然。从图1中能够看到，磁铁5优选布置在活塞1的外表面周围。在本发明的替代性实施例中，磁铁可以不同的方式连接于活塞1，例如固定在连接于活塞1的柄上。

活塞和气缸组还具有能够用作活塞1的支撑件和/或用作活塞1和/或磁铁5的移位的引导件的支撑结构4。沿着支撑结构4的至少一部分，形成有空气间隙12，磁铁在该空气间隙12中移动。

在图1所示的本发明优选实施例中，两个螺旋弹簧7a和7b在活塞1的任一侧上靠着活塞1安装，所述弹簧优选是始终压缩的。活塞1与致动器的移动部分和螺旋弹簧一起共同地用于压缩机的共振组。

活塞和气缸组的致动器包括至少一个马达线圈6，该马达线圈6被电驱动，以产生磁场。马达线圈6必须布置成使得由此产生的磁场施加在活塞1的磁铁5的移动路径上。

因此，当马达线圈被电驱动时，其产生至少沿着空气间隙12的一部分的磁流量，该磁流量是能够根据施加在马达线圈6上的电压而变化和控制的。结果，马达线圈6由于施加在其上的电压而产生的磁场变化导致磁铁5沿着空气间隙12往复地移动，从而使活塞1远离和靠近气缸2的阀板3a和3b移动，因而压缩允许被进入气缸2内的气体。活塞1的幅度操作对应于活塞1在气缸2内的总位移幅度。

活塞1运行幅度通过致动器产生的功率与气体压缩中机构所消耗的功率和其他损失之间的平衡来调节。为了获得活塞和气缸组的最大泵送容量，必须以活塞1尽可能地靠近阀板3a、3b移动而不发生冲击或碰撞的幅度来运行。这种冲击是不理想的，因为会引起大的噪声，并且更加严重的是，在设备使用期间连续发生的接连冲击可能导致对设备的损坏。

检测由线性马达驱动的气缸和活塞之间的冲击的方法

本发明的方法由如下一种方法构成：该方法能够检测至少活塞1与气缸2之间的冲击，使得适当的控制系统能够基于该方法所提供的信息而减少发生率(incidence)并且甚至避免将来的冲击。

所述检测由线性马达驱动的气缸2与活塞1之间的冲击的方法包括第一步骤i)：在参考时间间隔Δtr期间获得与线性马达的电输出相关联的参考信号Sr。优选地，使用线性马达电压信号的电输出，但是其他的量值例如电流也可以使用。该电输出被滤波器进行处理，该滤波器仅仅允许高频范围通过。对于本发明，高频范围包括能够由气缸和活塞之间的冲击的响应所表现的频率。所述频率比压缩机的正常工作频率相对较高。因此，滤波器被调频，以将压缩机的工作频率与源自气缸和活塞之间的冲击的信号的频率分开。因此，参考信号S r是从线性马达的电输出中过滤出的信号。在图2至5中，过滤出的电信号由曲线“B”表示，而原始信号由曲线“A”表示。

参考时间间隔Δtr对应于第一时刻t 1和第二时刻t 2之间经过的“时间窗口”，其中第二时刻t2出现在第一时刻t1之后(t2＞t1)。第二时刻t2对应于活塞1达到上止点或最大点时的时刻。从图2至5的图表中能够看到，在第二时刻t2时，电压信号达到零值(电压曲线与横轴或时间轴的交叉点)。因此，在本发明中，该交叉能够用来确定活塞1在与气缸2碰撞时达到其最大点时的时刻。

第一时刻t1能够从第二时刻t2确定，使得从第二时刻t2中减去时间值，其中所述值对应于参考时间间隔Δtr的模数值。优选地，参考时间间隔Δtr的值是预先设立的。还能够使用其他的方式来确定该间隔，例如基于学习系统的智能技术。

在理想的情况下，活塞1和气缸2之间应当没有冲击，也就是说，在活塞1在第二时刻t2到达上止点之后，活塞1应当不与气缸2碰撞。然而，该情形并不总是主要通过简单的低成本方案而成为可能的，这是因为马达-气缸-活塞组经常受到难以在设计阶段就量化的干扰和外部作用。因此，冲击常常难以避免，所以本发明的该方法提供了一种解决方案用于检测该冲击，使得控制系统能够运行以致于防止/避免将来的冲击或至少减少其冲击的发生。

该方法还能够用于对用来确定活塞位置的位置传感器进行调节，例如现有技术中描述的那些传感器。

该方法的第二步骤ii)在于在第二时刻t2和第三时刻t3之间经过的检测时间间隔Δtd期间获得与线性马达的所述电输出相关联的检测信号Sd，其中第三时刻t3出现在第二时刻t2之后。正如在确定参考时间间隔Δtr时一样，检测时间间隔Δtd同样优选但不是必须是预先设立的。

本发明方法的接下来的步骤iii)在于将参考信号Sr与检测信号Sd作比较。所述比较能够利用多种技术来进行，例如识别信号、光谱分析以及其他数学技术。优选使用检测检测信号Sd的最大值(峰值)的技术，将提前对该技术进行详细说明。

第四(最后)步骤iv)在于，当步骤iii中的比较结果表明检测信号Sd表现出源于气缸2和活塞1之间的冲击的变化时，记录冲击的发生。该表明(冲击发生确定)是通过在参考信号Sr与检测信号Sd之间的容许变化上考虑预先设立的公差而实现的。显然，所述公差直接取决于用于步骤iii的比较技术。

尽管该方法优选基于在时域上检测气缸2与活塞1之间的冲击的发生，但是可选地，也可以基于其他样本空间域，例如相域。

检测最大值的技术

如前所述，优选使用检测检测信号Sd的最大值(峰值)的技术，这是因为实施(开发和制造)起来容易，并且不需要复杂或高成本的硬件平台。

在所述技术中，在步骤iii中计算参考信号Vr的峰值Vp与参考信号Sr的参考值Vr之间的模数(绝对值)的差值。因此，在步骤iv中，当步骤iii中的计算结果大于预先设立的公差值δ时，记录冲击的发生，该公差值δ则反过来可以通过试验来确定或者考虑噪声或信号干扰来计算。

参考信号Sr的参考值Vr在步骤i中获得，也就是说，在参考时间间隔Δtr期间获得。马达的所述参考值Vr优选在第一时刻t1或第二时刻t2获得。然而，参考值Vr能够在包括在参考时间间隔Δtr中的任何时刻获得，并且公差值δ根据参考值Vr的变化而变化。

检测信号Sd的峰值Vp在步骤ii中获得，也就是说，在检测时间间隔Δtd期间获得。所述值应当在模数上来考虑，也就是说，峰值Vp关于图表的横轴而确定。

在图2中，能够观察到，峰值Vp是第二时刻t2的电压值，因为在检测时间间隔Δtd期间，第二时刻t2的电压值对应于检测信号Sd的最大值(峰值)。由于在第一时刻t1获得的参考值Vr与公差值δ之间(对模数)求和的结果大于峰值Vp，所以能够得出气缸2与活塞1之间未发生冲击的结论。

在图3中，能够观察到检测时间间隔Δtd期间出现的峰值Vp。由于在第一时刻t1获得的参考值Vr与公差值δ之间(对模数)求和的结果小于峰值Vp，所以能够得出气缸2与活塞1之间发生冲击的结论。图5示出了相似的情形，然而，冲击发生在电压信号的正侧。

注意到，在图2至5中，峰值仅仅在已过滤的电信号(曲线B)中是明显的。

存在多种实施本发明方法的方式，其中一个可能的实施例包括归结于参考值Vr，参考信号Sr的最大值(出现在参考时间间隔□tr期间)，并且当检测信号Sd(出现在检测时间间隔□td期间)的水平达到参考值Vr与公差值δ之和时检测冲击。

可替代地，可能通过以下的子步骤来确定峰值Vp：

a)对参考信号Sr的有限数目个比较值Vc进行取样；

b)计算每个比较值Vc与检测信号值Sd之间的差值的模数；

c)在子步骤b中计算出的所有值中进行比较；

d)选择子步骤c中获得的最高值；以及

e)将子步骤d中获得的值归结作为峰值Vp。

确定和获得与发生冲击的时刻相对应的电信号的值(峰值Vp)允许对能够与用于特定压缩机模型的气缸和活塞组相关联的位置传感器进行调节。如上所述，该电信号值是在活塞1在气缸2内到达其最大位置(即，上止点)的情形下获得的。结果，在调节位置传感器的过程中，峰值Vp能够用作如下值，即：在该值下，位置传感器应当理解为与活塞在气缸内达到的最大位置相对应的值。

可选地，通过应用本发明的方法，可以使用其他传感器调节技术来测量活塞1在气缸2内的位置。类似地，该方法还能够用来调节能够估测活塞1在气缸2内的位置的装置，而非位置传感器本身。

气缸与活塞之间的冲击的检测器

本发明的方法能够通过包括硬件平台的检测器装置来实施，所述硬件平台诸如具有能够执行该方法的步骤的部件和/或微型处理器的电子板。因此，该方法能够通过完全由形成电子电路的模拟和/或数字部件构成的电子板来实施，从而省略了软件(在微型控制器或微型处理器中进行处理)的使用。此处不对所述实施进行详细描述，因为这对本领域技术人员是公知的知识。检测器的优选实施例示意性地示出在图6中。

因此，该硬件平台是包括至少一个滤波器201的调节电路(处理)200，所述滤波器201构造成选择来自马达的电信号的高频范围，从而阻挡中频和低频信号。

调节电路200还包括至少一个比较装置202，该比较装置202与滤波器201电连接，并且比较装置202构造成将来自滤波器201的参考信号Sr与同样来自滤波器201的检测信号Sd作比较。

参考信号Sr是在第一时刻t1和第二时刻t2之间经过的参考时间间隔Δtr期间获得的，其中出现在第一时刻t1之后的第二时刻t2对应于活塞1到达上止点的时刻。

检测信号Sd是在第二时刻t2和第三时刻t3之间经过的检测时间间隔Δtd期间获得的，其中第三时刻t3出现在第二时刻t2之后。

调节电路200还至少包括与比较装置202的输出相关联的电信号监视装置203，监视装置203构造成接收冲击发生的信息。可选地，监视装置203和比较装置202可以包括在单个部件或装置中。

通过监视装置203来检测冲击发生在比较装置202表明在考虑了预先设立的公差情况下，检测信号Sd表现出关于参考信号Sr的变化时。

优选地，比较装置202通过从检测信号Sd中减去参考值Vr来进行比较，其中参考值Vr对应于参考信号Sr的预先设立值。通过监视装置203来检测冲击发生在检测信号Sd的水平超过参考值Vr与预先设立的公差值δ之和时。

结果，检测器作为传感器的等同装置而工作，并且其主要目的是识别活塞1与气缸2的冲击是否发生在最大点或上止点。

如图1所示，由线性马达驱动的气缸2和活塞1以及与马达电连接的调节电路200形成完整的气体压缩机设备100，该气体压缩机设备100也是本发明的标的。

控制系统

仍然参照图1，根据本发明的活塞和气缸组的活塞1连接于磁铁5，该磁铁5在包括形成于支撑部分4和联接于定子10的马达线圈6之间的空气间隙12的位移路径中移动。磁铁的该运动导致活塞1在气缸2内交替地运动，从而对通过吸气阀3a引入到气缸2内的气体进行压缩，并通过排气阀3b将高压气体排出。

线性压缩机安装在底盘11内。形成在压缩机和底盘之间的空间构成低压室13，低压气体容纳在该低压室13中。气缸2的吸气阀3a与低压室13连通并允许气体进入气缸2内。气缸2的排气阀3b将通过活塞1的压缩运动而在气缸2内被压缩的高压气体排出到低压室的气密隔离的高压区域。

活塞1在气缸2内的位移幅度能够由适当的控制系统来控制。

就此而言，冲击检测器能够由与传感器类似地工作的控制系统所包括，如图7的框图所示。如上所述，所述系统控制由线性马达驱动的气缸2和活塞1组。所述系统包括至少一个可操作性地连接于马达的控制器，并且冲击检测器电连接于所述控制器。

可以始终以防止和/或减少活塞1和气缸2之间冲击的发生的出发点来使用多种已知的控制技术，例如PID控制。

优选地，控制变量是马达的电压，然而，可以使用其他的参数来控制活塞1的位置(如果这些参数适于该应用的话)。

该控制系统表现出良好的精度，因为该系统间接基于根据压缩机的个体行为的学习系统，并且从发生的碰撞获得的信息被存储并用来防止/减少将来的碰撞。

结果，根据本发明的压缩设备能够运行以使其压缩容量达到最优，这是因为其具有显著减小的抗碰撞安全距离，结果还使设备的功耗达到最优。

因此，如从前面的描述能够清楚理解的那样，本发明能够免除测量活塞1在气缸2内的位移幅度的需要，从而表现出高精度。

另外，用于检测活塞1在气缸2内的位移幅度的设备是完全简单的，因为它基本上由定位在任何适当位置的电子板构成，并且该板产生的信号或该信号经历的特定变化足以表明活塞1已经与气缸2碰撞。因此，所述设备省略了传感器的使用，由此降低成本。

已经描述了优选实施例的示例，应当理解的是，本发明的范围包括其他的潜在变型，并且仅由附加在此的权利要求的内容限制，其他可能的等同设置也包括在其中。