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电机制氧-剖析便携制氧机的工作原理

作者: 时间:2022-11-18 来源:ZLG 收藏

新冠肺炎肆虐全球,便携式制氧机能让病人在康复阶段随时随地吸上高纯度的氧气!无需化学物,更不用电解水,以空气为原料,通过无刷电机等加工就有氧气!

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202211/440558.htm


新冠肺炎肆虐全球,如何让病人在康复阶段随时随地都能吸到90%以上纯度的氧气,成为摆在面前的难题!便携式制氧机的横空出世完美地解决此问题。无需化学物,更不用电解水,以空气为原料,通过无刷电机等加工就能源源不断地输出氧气!本文将剖析其中的的原理!


制氧机工作原理


空气中的主要成分有氮气和氧气,并且氮气的分子直径远大于氧气。如果有一种办法将氮气过滤出来,剩下的就是高纯度的氧气了。


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图1 空气比例


利用变压吸附法即可实现!此方法利用分子筛物理吸附和解吸技术,在加压时将直径大的氮分子吸附,剩余直径小的氧分子通过分子筛被收集起来,经过净化处理后即成为高纯度的氧气。分子筛在减压时将所吸附的氮排放回环境空气中,在下一次加压时又可以吸附氮气并制取氧气,整个过程为周期性的动态循环过程,分子筛并不消耗。制氧机用的分子筛呈粉末状,是一种在分子水平上筛选物质的多孔材料,主要是由沸石材料构成。正因为它可以在分子水平上过滤不同直径的气体,人们将它装进罐中,做成为分子筛罐。


制氧机按下面的步骤循环工作:


1. 空气被过滤后进入压缩机,经过冷凝器,随后在电磁阀的选择下,轮流进入分子筛罐1和2。

2. 电磁阀让高压空气只进入分子筛罐1,不进入分子筛罐2;氮分子被分子筛罐1吸附,而氧分子直接通过进入储氧罐;同时打开分子筛罐2的排气阀,在低压下,原来被吸附的氮气分子被解吸出来,排放到大气中。

3. 电磁阀让高压空气只进入分子筛罐2,不进入分子筛罐1;氮分子被分子筛罐2吸附,而氧分子直接通过进入储氧罐;同时打开分子筛罐1的排气阀,在低压下,原来被吸附的氮气分子被解吸出来,排放到大气中。

4. 储氧罐中的高纯度的氧气通过流量计对外输出。


这样,在分子筛罐1和2轮流工作下,即可输出恒定的氧气。


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图2 制氧机框图(图片源自网络侵删)


制氧机出来的就是90%以上的高纯度氧气,人要是直接吸入这样的氧气,用不了多久,鼻粘膜就会因为太干燥而流血。所以需要在出口处通过湿化瓶,用纯净水湿润氧气,人吸氧时才会舒服。而对于便携式制氧机,因为不方便携带湿化瓶,所以采用脉冲供氧的方式,流量计测量到人要吸气时才通过单向阀对外供氧,同时也能节省电量。


便携制氧机介绍


便携制氧机是在传统插电的制氧机的基础上进行小型化。主要将传统的基于交流异步电机的压缩机,改为基于直流无刷电机的微型压缩机,工作电压在12~24V,并且使用锂电池供电,小小一个背包在身,一般可以连续4个小时以上供氧。


基于无刷电机的微型压缩机是整台便携制氧机的“心脏”,需要它在保证供养量的情况下,尽可能省电、安静。普遍采用的微型无油空气压缩机,大概拳头大,因为内部没有任何机油,保证空气不会被污染。采用直流无刷电机为动力,一般额定12V~18V/30~60W/3000RPM。需氧量越大,电机速度要越高,但耗电也越快。在遇险时,例如登山缺氧,可以将电机速度调得尽量低,虽然制氧量降低,但能延长使用时间,等待救援。


便携制氧机驱动板


致远电子针对微型无油空气压缩机,出品了便携制氧机专用的无刷直流电机驱动板,具有以下特点:


●   优化的算法,根据制氧机深度改进的无感FOC算法,传统无感FOC算法在此运行会剧烈震动、无法使用;

●   大范围转速  无感FOC算法支持低速大扭矩,能在50~3500RPM大范围转速稳定工作,制氧机能轻松实现多档位选择;其他方案一般只能在1000~3000RPM小范围转速下工作;

●   稳定的转速,ADRC算法替换传统的PID算法,在1000~3000RPM满载下,转速波动仅为5RPM左右;其他基于PID的FOC方案约50RPM;方波方案一般无法匀速,速度会受吸氧量的影响而波动;转速越稳定,震动越小,更安静、更省电;

●   优化加减速,采用工业伺服的S曲线控制加减速,换挡平顺、不抖动;

●   稳定且灵活,医疗产品级,基于高性能ARM处理器,DC12~24V/120W,1~2ms PWM脉冲输入调速,过流、过压、欠压、堵转、缺相、功率保护等等。


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图3 便携制氧机驱动板演示DEMO


下一期我们将深度剖析ADRC算法如何让制氧机稳定工作。


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关键词: ZLG 电机制氧

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