電機制氧-剖析便攜制氧機的工作原理

新冠肺炎肆虐全球，便攜式制氧機能讓病人在康復階段隨時(shí)隨地吸上高純度的氧氣！無(wú)需化學(xué)物，更不用電解水，以空氣為原料，通過(guò)無(wú)刷電機等加工就有氧氣！

新冠肺炎肆虐全球，如何讓病人在康復階段隨時(shí)隨地都能吸到90%以上純度的氧氣，成為擺在面前的難題！便攜式制氧機的橫空出世完美地解決此問(wèn)題。無(wú)需化學(xué)物，更不用電解水，以空氣為原料，通過(guò)無(wú)刷電機等加工就能源源不斷地輸出氧氣！本文將剖析其中的電機制氧的原理！

制氧機工作原理

空氣中的主要成分有氮氣和氧氣，并且氮氣的分子直徑遠大于氧氣。如果有一種辦法將氮氣過(guò)濾出來(lái)，剩下的就是高純度的氧氣了。

圖1 空氣比例

利用變壓吸附法即可實(shí)現！此方法利用分子篩物理吸附和解吸技術(shù)，在加壓時(shí)將直徑大的氮分子吸附，剩余直徑小的氧分子通過(guò)分子篩被收集起來(lái)，經(jīng)過(guò)凈化處理后即成為高純度的氧氣。分子篩在減壓時(shí)將所吸附的氮排放回環(huán)境空氣中，在下一次加壓時(shí)又可以吸附氮氣并制取氧氣，整個(gè)過(guò)程為周期性的動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程，分子篩并不消耗。制氧機用的分子篩呈粉末狀，是一種在分子水平上篩選物質(zhì)的多孔材料，主要是由沸石材料構成。正因為它可以在分子水平上過(guò)濾不同直徑的氣體，人們將它裝進(jìn)罐中，做成為分子篩罐。

制氧機按下面的步驟循環(huán)工作：

1. 空氣被過(guò)濾后進(jìn)入壓縮機，經(jīng)過(guò)冷凝器，隨后在電磁閥的選擇下，輪流進(jìn)入分子篩罐1和2。

2. 電磁閥讓高壓空氣只進(jìn)入分子篩罐1，不進(jìn)入分子篩罐2；氮分子被分子篩罐1吸附，而氧分子直接通過(guò)進(jìn)入儲氧罐；同時(shí)打開(kāi)分子篩罐2的排氣閥，在低壓下，原來(lái)被吸附的氮氣分子被解吸出來(lái)，排放到大氣中。

3. 電磁閥讓高壓空氣只進(jìn)入分子篩罐2，不進(jìn)入分子篩罐1；氮分子被分子篩罐2吸附，而氧分子直接通過(guò)進(jìn)入儲氧罐；同時(shí)打開(kāi)分子篩罐1的排氣閥，在低壓下，原來(lái)被吸附的氮氣分子被解吸出來(lái)，排放到大氣中。

4. 儲氧罐中的高純度的氧氣通過(guò)流量計對外輸出。

這樣，在分子篩罐1和2輪流工作下，即可輸出恒定的氧氣。

圖2 制氧機框圖（圖片源自網(wǎng)絡(luò )侵刪）

制氧機出來(lái)的就是90%以上的高純度氧氣，人要是直接吸入這樣的氧氣，用不了多久，鼻粘膜就會(huì )因為太干燥而流血。所以需要在出口處通過(guò)濕化瓶，用純凈水濕潤氧氣，人吸氧時(shí)才會(huì )舒服。而對于便攜式制氧機，因為不方便攜帶濕化瓶，所以采用脈沖供氧的方式，流量計測量到人要吸氣時(shí)才通過(guò)單向閥對外供氧，同時(shí)也能節省電量。

便攜制氧機介紹

便攜制氧機是在傳統插電的制氧機的基礎上進(jìn)行小型化。主要將傳統的基于交流異步電機的壓縮機，改為基于直流無(wú)刷電機的微型壓縮機，工作電壓在12~24V，并且使用鋰電池供電，小小一個(gè)背包在身，一般可以連續4個(gè)小時(shí)以上供氧。

基于無(wú)刷電機的微型壓縮機是整臺便攜制氧機的“心臟”，需要它在保證供養量的情況下，盡可能省電、安靜。普遍采用的微型無(wú)油空氣壓縮機，大概拳頭大，因為內部沒(méi)有任何機油，保證空氣不會(huì )被污染。采用直流無(wú)刷電機為動(dòng)力，一般額定12V~18V/30~60W/3000RPM。需氧量越大，電機速度要越高，但耗電也越快。在遇險時(shí)，例如登山缺氧，可以將電機速度調得盡量低，雖然制氧量降低，但能延長(cháng)使用時(shí)間，等待救援。

便攜制氧機驅動(dòng)板

致遠電子針對微型無(wú)油空氣壓縮機，出品了便攜制氧機專(zhuān)用的無(wú)刷直流電機驅動(dòng)板，具有以下特點(diǎn)：

●   優(yōu)化的算法，根據制氧機深度改進(jìn)的無(wú)感FOC算法，傳統無(wú)感FOC算法在此運行會(huì )劇烈震動(dòng)、無(wú)法使用；

●   大范圍轉速  無(wú)感FOC算法支持低速大扭矩，能在50~3500RPM大范圍轉速穩定工作，制氧機能輕松實(shí)現多檔位選擇；其他方案一般只能在1000~3000RPM小范圍轉速下工作；

●   穩定的轉速，ADRC算法替換傳統的PID算法，在1000~3000RPM滿(mǎn)載下，轉速波動(dòng)僅為5RPM左右；其他基于PID的FOC方案約50RPM；方波方案一般無(wú)法勻速，速度會(huì )受吸氧量的影響而波動(dòng)；轉速越穩定，震動(dòng)越小，更安靜、更省電；

●   優(yōu)化加減速，采用工業(yè)伺服的S曲線(xiàn)控制加減速，換擋平順、不抖動(dòng)；

●   穩定且靈活，醫療產(chǎn)品級，基于高性能ARM處理器，DC12~24V/120W，1~2ms PWM脈沖輸入調速，過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、堵轉、缺相、功率保護等等。

圖3 便攜制氧機驅動(dòng)板演示DEMO

下一期我們將深度剖析ADRC算法如何讓制氧機穩定工作。

來(lái)源： ZLG