（化工过程机械专业论文）冰箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究.pdf

摘要 y 9 0 乏6 磊0 幼磁式巍线振荡电机是一种新型结构的鹅相直线电机，与传统的旋转电枧提 比，直线电机可广泛应用予需要直线驱动的特殊场合，能够省去复杂的运动转换 提梅，可大大提毫专瞧域系绞运孬效率；与一般壹线邀辍挺魄，擎稳豹直线振荡电 机可用于直线压缩机、血泵等需要往复直线运动的场合，并且具有结构简单、效 率受离等特点。 沦文以实现电冰箱环保和节能为出发点，以直线式冰箱雁缩机驱动部分的动 磁式童线振荡电机为主要研究对象，采孺等效磁路法和有限元法相结合的手段， 对电机电磁场及电孝几各项性能参数进行了计算：在等效磁路模型分柝方法的基础 上分别建立了方型和圆筒型电机的等值电路图，推导了电磁推力计算公式，建立 了它们的动力学模型，推导了电系统逛压方程式，袋雳r u n g e k u t t a 法求褥了微 分方程组数值解；运用有限元软件建立了电机的有限元模型，求得了电机内部磁 力线戳及磁感应强藏分毒，并褥蚕了电撬魂予位移一辩窝篷线、电滚一时麓整绫虢 及推力一时间曲线。对电机各项结构参数进行了设计计算。 实验研究是验话样穰设计是否合理豹重要途径。本文建立了一套科学的测试 实验系统，通过对样机特性的研究，测试和分析了方型结构样机的位移、电压、 电流、功率、功率因数等特性。试验结果表明，直线振荡电机驱动的压缩机省去 了传统压缩枧中将彀税旋转运动转化为活塞患线运动韵趋横连抒极约，可| 蔓大大 提高电机效率及压缩机的制冷系数。而且，点线压缩机的活寨行程及余隙容积可 透过簸入邀压亲调整，扶瑟实现气豢的连续调节，爱褥压臻凝在整个王猿蓬溺肉 均能保持较商效率。 关键词：压缩机，动磁式直线振荡电机，等效磁路法，有限元法，动力学特性， r u n g e k u t t a 法 a b s t r a c t m o v i n g - m a g n e tr e c i p r o c a t i n gl i n e a rm o t o ri san e wt y p eo fs i n g l ep h a s el i n e a r m o t o lc o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a lr o t a r ym o t o r ，l i n e a rm o t o rc a nb eu s e di ns o m e s p e c i a lp l a c e s w h e r el i n e a r d r i v i n g i s n e e d e d ，c o m p l e xm o t i o n t r a n s f e r r e d m e c h a n i s m sc a nb el e a v e do u t ，a n dt h ee f f i c i e n c yc a nb ep r o m o t e dal o t ；c o m p a r e dt o t h el i n e a rm o t o r , t h es i n g l ep h a s er e c i p r o c a t i n gl i n e a rm o t o rc a nb eu s e df o ri ns o m e p l a c e sw h e r el i n e a rr e c i p r o c a t i n gm o t i o ni sn e e d e d ，s u c ha sl i n e a rc o m p r e s s o r , b l o o d p u m p ，a n ds oo n ，a n di th a sh i g h e re f f i c i e n c ya n ds i m p l e rm o r ec o m p a c ts t r u c t u r e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ee n e r g y - s a v i n gr e f r i g e r a t o ra st h es t a r t i n gp o i n t ，i tt a k e s t h el i n e a rr e c i p r o c a t i n gm o t o rf o rt h el i n e a rc o m p r e s s o ra st h er e s e a r c h i n go b j e c t ， e m p l o y i n g t h ee q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i tm e t h o d ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o da st h em a i n t o o l s ，c a l c u l a t i n gs o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so ft h el i n e a rm o t o r ：w eb u i l du pt w o e q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i tm o d e l sf o rt h ec u b i cm o t o ra n dt h er o u n dm o t o r , b a s e do n t h ee q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i tm e t h o d ，t h e i re l e c t r o m a g n e t i s mf o r c ef o r m u l a t i o na r e d e d u c e d ，a n dt h e i rd y n a m i ce q u a t i o n ，v o l t a g ee q u a t i o na r ee s t a b l i s h e d w eg e tt h e r e s u l to ft h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n su s i n gr u n g e k u t t am e t h o d ；u s i n gs o f t w a r et o b u i l dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h el i n e a rm o t o r s ，t h em a g n e t i cl i n e sa r e c a l c u l a t e d ， a n dt h ed i s p l a c e m e n t - t i m ec u r v e ，t h ec u r r e n t t i m ec u r v e ，a n dt h ef o r c e - t i m ec u r v eo f t h er o u n dm o t o ra r ec a l c u l a t e d 。b a s e do nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ，w ed e s i g n e dt w o m o t o r s e x p e r i m e n t a t i o ni sai m p o r t a n ta p p r o a c ht ot e s tt h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n a s c i e n t i f i ct e s t i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d 。p a r a m e t e r ss u c ha sd i s p l a c e m e n t ，v o l t a g e ， c u r r e n t ，p o w e r , p o w e rf a c t o ra r eo b t a i n e df r o mt h er e s e a r c ho fc h a r a c t e r i s t i co ft h e s a m p l e i ti sp r o v e dt h a tt h i st y p eo fc o m p r e s s o rh a ss u c ha d v a n t a g e s ：l o wf r i c t i o n l o s s ，o i l - f r e eo p e r a t i o n ；c o n t i n u o u s l ym o d u l a t e do p e r a t i o n ；h i g hc o pt h r o u g h o u t o p e r a t i n gr a n g e k e y w o r d s ：c o m p r e s s o r , l i n e a rr e c i p r o c a t i n gm o t o r , e q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i t m e t h o d ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，r u n g e k u t t a m e t h o d l l 浙江大学硕士学位论文林箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 1 1 引言 第一章绪论 在冰箱制冷系统中，压缩机是其主要的耗能部件，作为制冷系统的心脏，压 缩机在系统运行中起着至关重要的作用。有关研究表明，压缩机耗电量约占电冰 箱总耗电量的8 5 以上l ”，因此压缩机性能的好坏直接影响制冷系统的能源效 益。 近些年来，国际上节能和环保的呼声越来越高，在制冷领域，根据蒙特利 尔议定书缔约国第七次会议，发展中国家将于2 0 1 0 年停止使用c f c s 工质， 而h c f c s 也将于2 0 3 0 年全面禁用，而新的替代工质无法在热力性质、毒性、溶 油性等方面与c f c s 或h c f c s 工质相媲美，这直接导致了制冷机性能的下降， 因此，寻求高效节能的压缩机就成为制冷界最紧迫的课题之一。 由直线电机驱动的直线压缩机是一种新型结构的压缩机，它抛弃了传统往复 活塞式压缩机的曲柄连杆机构，可大幅度的降低摩擦力，提高整机效率；并且活 塞行程及余隙均为可调，在变工况下能保证较高的效率。因此，直线压缩机在近 些年来引起了业界的广泛关注，有希望取代现有的往复活塞式压缩机【2 】，成为新 一代的制冷机被普遍采用。 1 2 直线电机的发展历史及应用现状 1 2 1 直线电机的发展历史嘲 自1 8 4 0 年惠特斯顿( w h e a t s t o n e ) 提出并试制了人类历史上第一台直线电 机至今，已有1 6 0 多年的历史，在这不算短的历史过程当中，直线电机经历了探 索实验、开发应用和实用商品化三个阶段。 1 探索实验阶段( 1 8 4 0 1 9 5 5 年) 从1 8 4 0 年到1 9 5 5 年的1 1 6 年期间，直线电机从设想到实验再到部分实验性 应用，经历了一个不断探索，屡遭失败的发展过程。1 8 9 5 开始出现了关于直线 电机用在织布机上的专利，这也是有关直线电机最早的一个专利。1 9 0 5 年，也 有人曾提出用直线电机作为机车的推进机构的想法。但这两者都停留在试验论证 阶段。1 9 1 7 年出现了第一台圆筒型直线电动机，人们试图把它作为导弹发射装 置，但其发展并没有超出模型阶段。在以后很长的一段时间内，科研人员致力于 浙江大学顼学位论= 盘= 钵蒋羝缩帆驱动爝动磁式窟线振荡电机硪究 将直线电机理论及各种设想模澎予以证实的工彳乍，即实验研究工作，蘸有少量的 研究成果，但都未超出试验阶段。 从美蹦专利上看，二十世纪三、四十年代，赢线电机进入实验研究阶段，科 研人员获取了大量的实验数据，从箍对己有理论裔了更深一层的认识，奠定了直 线电橇在数麓熬瘟矮基疆。 1 9 4 0 + 1 9 5 5 年期问，世界一些发达国家的科研人员，在实验的基础上，又进 行了一些实验应用工作，如意线电机牵引的飞机弹射器、电磁泵、发射导弹器。 直线电机的发展与当时社会的生产力水平有蔫密切的关系。其发展缀慢主要 舂戳下足令方嚣熬原因： 1 ) 壹线彀械的电磁气醵与极躐的比值通常高于捐成的旋转电机，导致麓激磁电 流较大。另外由于铁芯两端开断，存在着特有的边端效应，使得威线电机的 效率和功率因数比同容最旋转电机的低。而当时的传统概念是以效率和功率 因数来衡量电机的，因此，传统观念牢固地束缚了直线电机的应用。 筠当嚣懿王建发震只是瘸辊羧装萋来我替手工搽馋，并不据晦鬣成本、萤能等 作为更高的要求，而直线电机均可用相应的旋转电机加上传动梳构米代替， 没有找到直线电机独特的通用领域。 3 ) 直线电机的应用总是和自动控制技术及其控制元器件有关。当时的开关技术 承平低下，电气系统的成本太高，因此，不完饕控制线路及其装嚣费用成为 宅发展懿漳薅。 4 1 直线电机理论发展缓慢。内于它的独特结构，使其存在着旋转电机所没有的 边端效应，这样，旋转电机的理论不能直接应用到直线电机上，而鼠直线电 机的设计过程仍然存在很多缺陷，因此无法对巅线电机的应用起到促进和预 见搀题，健褥人们对直线魄枧一度失去信心。 2 ，器淡旋精阶段( 1 9 5 6 1 9 7 0 年) 二十蛾纪五十年代以来，科学技术水平的发展带动了半导体技术和自动控制 技术的飞道发展，新型控制元器件的不断出现为直线电机的广泛应用打汗了方便 之门。人们的观念也发生了变化，认为直线电机静较低效率可以用增加熬个装置 熬簧动效零袋蛰偿，在不连续镁羯豹绩提下，效率逡媸第二篷，整令装爨戆筵单 和经济显示了直线电视酶德越。入们蕊念静改变更键进了直线电辊斡发麓。 英国策斯维特( e l a i t h w a i t e ) 教授等人在强调商线电动机基础研究的情况 下，取得了不少研究成果，1 9 5 6 年莱斯维特出版了介绍直线电机的专著( ( i n t r o d u 2 巍汪大学颈士学链论文落籍艇缩机驱动用动域戏建线振荡电机研究 t i o nm a c h i n e sf o rs p e c i a lp u r p o s e s 。1 9 6 2 年，w e s t 和j a y a w a n t 设计了作为铁 磁谐振器的单相直线电动机。 到1 9 6 5 年以后，随着控制技术和材料性能的照箸提高，应用直线电机的实 用设备被逐步开发出来铡如采用奁线电枫的磁流体m h d 泵、自动绘嬲仪、磁 关定位驱动装鐾、逄唱援、缝绥穰、空气压缭辍、输送装置等。 3 实用商品阶段( 1 9 7 1 年嫩今) 这一时期，直线电机进入了独立的应用时代。世羔界各国出现了许多赢线电机 的产品，它们不仅广泛应用于工业生产中，而且也逐步进入到人们的日常生活中。 锲如：工传转送车，螺线管( a c t u a t o r s ) ，萃饕甬车，电动门，窑帘瓿簿。在运 输方瑟，豫为攘迸系统，己在译多国家实现了运输车辆系统。圈露，蠹绞式静特 种电机也猩不断发展，广泛应用予自动绘图仪、扫椭式记录仪、直线式电位器等 新的领域。 近年来，童线电机的发展熏装有以下几个方面的特点： 1 ) 壹线壤雾l 瑟产品磅毒l 较多。鞠基本吉潺电气公避磷麓戆超导塞线毫辍；美国 植特替璐机电公司研制的微步距直线电视：重庆蒋力机电控制研究掰研制的 5 7 b y g 型直线当量电机等。 2 ) 新原理赢线电机不断出现。近年来随着电子技术的发展，办公、家庭自动化 设备等熬迅速发展，使缛新鞭理直线电机的应爝获褥很大进展。如日本电气 公司疆露l 貔压电驱动式煮线奄橇；霾奉末家耨童工鲎公司开始实爱纯磷究豹 超声波蠢线电机，还有薄戚蠢线电视等相继出现。 3 ) 微特型殿线电机发展较快。随着自动控制技术和微型计算机应用的发展，用 在计算机外围设备、自动化仪器仪表、以及需骤点线位移及运动的机械设备 中豹微姆型直线电机，由于蒺具有耪度高、反疲灵敏、快速等特点，使褥仪 器设餐憨俸维稳篱萃，薅辍奎，藏本稳，因露，徽特鍪壹笺毫穰怒一耱大有 发展前途的直线电机。 4 ) 直线电机在交通运输业、建筑业中的应用和研究正在兴起。如德国研究的常 导吸浮型磁悬浮列车、日港研究的超导斥浮型磁悬浮列车都实现了试验运 彳亍：上海溱东磁悬浮列车线浆璃德国技术，建成瑟将成炎燕界土第一祭齑业 运幸亍线。在盔线毫穰驱动豹魄梯方瑟，基率逶露了大量的疆究，莠露产品己 实用化。 5 ) 直线电机理论发展也取得了很大的发展，在直线电机的电磁场理论研究和控 制策略的研究方面的文章有陆续报导。 3 浙江大学硕士学位论文林箱矾缩帆驱动j _ f j 动磁式直线掘荡电机研究 4 ，巾国直线溉枧的发蕊苈史 我国对直线电机的研究起步较晚，1 9 7 2 年才有了第一本有关威线电机的译 文集巍线感应嘏动机。国内开展纛线电机成用研究的单位主要商中国科学院 电工研究所、西安交遂大学、浙江大攀、上海大学和焦幸譬工学院等，主要研究成 果有磁憋浮列车、直线电机驱动窗帘机、拉伸机、冲压机、粒子加速器、矿山运 输系统等。我国纛线电枫磺究虽然也敬褥了一定残绩，爨与国乡 耀魄，其推广黩 用方面尚存在很大差距。 1 2 2 囊线电机豹结构类型筒贪 直线电机可以认为是旋转电机在结构上的一种演化，它可以看作是一台旋转 邀掇滏径自蠢l 嚣，然磊将毫糗戆霾周袋成壹线，这群藏餐爨了盘旋转毫辍演变惹 来的最原始的直线电机。图1 1 给出t 一种扁平型直线电机的演变示过程【3 1 ，由 定予演变丽来的侧称为扔级，由动予演变丽来的一侧叫次级。 定子( 犍绥) 圈1 1 由旋转电机演变为扁平烈直线电机的过程 圈1 2 内旋转电机演变为圆筒裂直线电机的过程 4 垂 干 一7垂，t弋 转、，=丘 一 黼 浙江大学硕上学位论文林箱蚝缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 图1 2 给出了旋转电机演变为圆筒形直线电机的过程【3 】。圆筒形直线电机是 将扁平型单边直线电机沿着纵轴轴线方向卷绕起来而形成的。它的初级不存在端 部绕组，因而也就不存在横向端部漏磁通和附加阻抗，并且在圆柱型次级上也不 存在总径向力，从而减小了直线轴承所承受的应力。 此外，直线电机还有圆弧型和圆盘型结构，所谓圆弧型结构，就是将平板型 直线电机的初级沿运动方向改成弧形，并安放于圆柱形次级的柱面外侧，如图 1 _ 3 所示。 图1 4 是圆盘型直线电机，该电机把次级做成一片圆盘，将初级放在次级圆 盘靠近外缘的平面上，圆筒型直线电机的初级可以是双面的，也可以是单面的。 圆弧型和圆盘型直线电机的运动实际上是一个圆周运动，但由于它们的运行 原理与设计方法都与扁平型直线电机结构类似，因此仍把它们归类为直线电机。 图1 3 圆弧型直线电机结构图1 4 圆盘型直线电机结构 盘 在直线电机中，产生高频往复直线运动的电机称之为直线振荡电机。直线振 荡电机被广泛的应用于小型空气压缩机，照相机电磁快门、扬声器、电锤机、搅 拌机、电磁泵等推进机构，本文的研究对象即为直线振荡电机的一种。图1 5 给 出了一种直线振荡电机驱动的斯特林制冷机【4 j 。 直线电机的结构型式多种多样，应用范围十分广泛，对各种类型的直线电机 的研究已经成为当前电机领域研究的一大热点。 5 浙江大学硕上学位论文林箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 图1 5 直线振荡电机驱动的斯特林制冷机 1 2 3 直线电机的应用现状 直线电机的特殊结构决定了其在很多特殊场合都有所应用，其中比较前沿， 应用较为广泛的有以下几种： 1 直线电机在交通运输业中的应用 磁悬浮列车采用直线电机驱动技术，依靠磁力悬浮车体，改变了传统轨道车 辆靠轮轨摩擦力推进的方式，使列车在轨道上浮起滑行，在交通技术发展上是一 大突破。直线电机驱动的磁悬浮列车与常规列车相比，其突出的优点为：速度快， 可达5 0 0 k m h 以上；安全，无翻车或脱轨的危险；无污染，乘坐舒适，无轮轨接 触的振动和噪声；对复杂地形适应能力强，爬坡能力强，转弯半径小；造价不高， 整体结构易维修，节能。 图1 6 直线电机驱动的磁悬浮列车 图1 7 直线电机驱动的芯片封装测试平台 6 浙江大学硕士学位论文协箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 2 直线电机驱动的x y 工作台 现在激光机械、半导体制造设备上用的x y 工作台，对其速度和精度的要 求越来越高，在这种情况下国外一些知名的研究结构研制开发了由直线电机驱动 的工作平台，如图1 6 所示，该平台在移动距离为5 m m 时，移动精度可达3 9 m ， 并且在5 0 m s 内走完。 3 直线电机进给的精密机床 传统的机床进给传动由驱动电机、滚珠丝杠、齿轮齿条或带轮等传动元件实 现，并已经在机床制造业广发应用，但其精度及响应速度很难再有大幅度提高。 而采用直线电机驱动的话，可以省去机械传动部件、无冲击、无磨损、噪声低、 同时具有最优的受力流线、高的刚度、出色的精度和装配简单的优点。 4 直线电机驱动的人工心脏 直线电机在医疗仪器中的应用比较突出的一例，是原日本信州大学山田一教 授与他的助手们完成的直线电机驱动的人工心脏吼这种人工心脏在实现人体血 液循环方面有着非常突出的优点。 图1 8 直线电机驱动的精密机床图1 9 直线电机驱动的人r , b 脏 5 直线电机驱动的电梯 传统的电梯采用的是悬吊的绳式电梯，当提升高度增大时，在总的垂直载荷 中，钢丝绳所占比例增加；另外，绳式电梯一般一个井道内只允许运行一个轿厢， 如果要限制候梯时间，就必须增加电梯台数，是的建筑物的经济性大大降低。而 直线电机驱动的无绳电梯将能改变这种状态，打破绳式电梯的界限。直线电机驱 动的电梯与传统的电梯相比，具有结构简单，占地面积少、高速、高层、节能、 可靠性高等特点。 7 浙江大学顾士学位论文林箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 图1 1 0 直线电机驱动的电梯样机 1 3 直线电机应用于冰箱压缩机的结构类型及研究现状 直线电机应用于压缩机，使得压缩机摒弃了传统往复活塞式压缩机的曲柄连 杆机构，从而使压缩机结构更加简单、紧凑。总的来看，与传统压缩机相比，直 线压缩机主要有以下几个方面的优点： 1 ) 采用直线电机驱动活塞，结构简单紧凑，不需要曲柄连杆机构，可大大降低 磨擦，提高效率； 2 1 电机的轴对称结构使得侧向力互相抵消，也从很大程度上降低了磨擦力； 3 ) 活塞行程可变，可有效防止在吸进油或制冷剂液体时发生液击，也可以通过 控制系统的输入对压缩机的排气量进行连续的调节，实现连续运转，因此稳 定可靠，寿命长； 4 1 由于采用直线电机驱动，使得压缩机的反应速度快、随动性好，这是其它传 统驱动装置无法竞争的优点。 正是因为直线压缩机的诸多优点，吸引着国内外众多的学者对它的驱动部分 即直线电机进行了大量的研究。从目前查到的文献来看，应用于冰箱压缩机的直 线电机主要有三种类型：动圈式，动铁式和动磁式。 1 3 1 动圈式直线压缩机的结构原理及研究现状 动圈式直线压缩机是利用通电导线在磁场中受到安培力作用的原理而设计， 图1 1 1 为一种典型的动圈式直线压缩机的结构简图【4 】，其动子部分由线圈、支架 和活塞构成，并由弹簧夹持定位，静子部分由永久磁铁构成，当线圈中通以交流 8 浙江人学硕士学位论文j 冰箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 电时，在永久磁铁磁场作用下，会产生交变的往复力，从而带动活塞压缩工质做 功。 图1 1 1 动圈式直线压缩机结构简图 动圈式直线压缩机的优点主要有以下几点：磁路简单，易于分析和设计：气 隙磁通的绝大部分是产生推力的有效磁通1 5 】，而产生侧向力的轴向磁通较少，使 得摩擦力较小；永磁体可以提供稳定的磁通，因而不存在磁滞损耗。 鉴于动圈式直线压缩机有众多的优点，国内早期对冰箱用直线压缩机的研究 均集中在动圈式，其中包括西安交通大学何志龙等研制的动圈式直线压缩机【6 】， 如图1 1 2 所示，以及浙江大学化工机械研究所研制的动圈式直线压缩机原理性 样机，如图1 1 3 所示。 动圈式直线压缩机的动子部分由线圈构成，工作时需要通以交流电，因此必 须设置有引线装置，而且必须保证引线装置在密封环境下，稳定工作十五年不出 现断路或短路的情况，而压缩机的结构十分紧凑，没有足够空间设置复杂的引线 装置，因此制约了动圈式直线压缩机的商品化，就目前的研究成果来看，虽然动 圈式直线压缩机有着优良的性能，但其引线装置，已经成为了制约其发展的瓶颈。 图1 1 2 西安交大动圈式直线压缩机图1 1 3 浙江大学动囤式直线压缩机 9 浙江大学硕二睢 位论文林箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 1 3 2 动铁式直线压缩机的结构原理及研究现状 动铁式直线压缩机的驱动电机实质上是一种感应电机，其结构示意图如图 1 1 4 所示，磁场由励磁线圈产生，在励磁线圈通入交变的电流进而在气隙中产生 交变的磁场，交变的磁场使得铁心中产生交变的感应电流，进而在磁场作用下产 生往复运动，压缩气体做功。 动铁型结构是在以前永磁材料价格昂贵时出于减少成本的考虑被提出来的。 并且其制造成本较低，因此曾一度引起人们的重视。但是，随着永磁材料生产技 术的飞速发展，这种结构的直线电机应用越来越少，逐渐淡出了历史舞台。 图1 1 4 动铁式直线电机示意图图1 1 5 动磁式直线振荡电机 1 3 3 动磁式直线压缩机的结构原理及研究现状 动磁式直线压缩机由动磁式直线振荡电机驱动，图1 1 5 是动磁式直线振荡 电机的一种典型结构。由图可以看出，动磁式直线振荡电机的定子部分一般由内 外轭铁及励磁线圈组成，动子部分由永久磁铁支架组成，也由弹簧夹持，当线圈 中通以交流电时，会在内外轭铁的气隙中产生交变的磁场，磁铁在这一磁场作用 下产生往复运动，带动活塞压缩气体做功。 与以上两种型式的直线压缩机相比，动磁式直线压缩机有着不可比拟的优越 性：由于动磁式直线压缩机的动子部分由永久磁铁构成，使得动子部分的结构可 以设计的非常紧凑，并且能够提供较大的比推力。 动磁式直线压缩机的磁路结构比较复杂，并且设计时需考虑非线性磁导、边 端效应、电涡流损失等，给设计计算带来很大困难，但经过合理的设计，能使结 构更紧凑、体积更小、动力更大，效率更高，是目前最有发展前途的一种直线压 缩机。 1 0 浙江大学硕士学位论文林箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 目前国际上应用于冰箱的直线压缩机已经有产品问世，其中商品化最早的以 韩国l g 电子公司的动磁式直线压缩机为代表，该种型式的压缩机已成功地应用 于l g 公司的d i o s 双开门系列冰箱，如图1 1 6 、图1 1 7 所示。值得一提的是， 采用新型直线压缩机后比l g 公司传统压缩机的电冰箱节电约1 6 ，比惠尔浦、 g e 及其它公司同类电冰箱节电约4 0 i ”。为此l g 公司投入了6 0 多位研究人员、 4 0 0 亿韩元，历经8 年研制成功，同时获得5 0 0 项专利技术”。在冰箱用直线 压缩机的成功开发基础上，l g 电子也开始研发空调器用直线压缩机。文献 1 2 1 中介绍l g 已为分体式热泵空调开发了一款使用r 4 1 0 a 为制冷剂的高效直线压 缩机。其直线电动机效率已达到9 2 以上。在额定工况下，直线压缩机机械效率 大于9 5 ，同时，与传统压缩机相比摩擦可靠性也有了较大的提高。而且随着输 入电压的改变，它的排气量能够调节，以得到更高的系统效率。但是随着排气量 的调节，效率只是有很小的变化。 图1 1 6l g 公司的动磁式直线压缩机图1 1 7l g 商用冰箱 s u n p o w e r 公司还设计了洁净气体压缩机、特种气体压缩机【1 3 】，。如图1 1 8 所示的洁净气体压缩机，针对低压缩比的、压缩气体有洁净要求的、气量可调的 情况而设计，一般用于实验室、医疗、化工等特殊用途。图1 1 9 所示的是另一 款特种气体压缩机，针对气体有净化要求( 不能有润滑油污染等) a n 缩比又比较 高的情况而设计的。该机即采用动磁式直线振荡电机驱动，长约1 6 3 m m ，直径 为1 3 5 m m 。输入功率1 0 w 5 k w 范围内可调，最大压比为2 6 ：1 ，最大排气压力 可达2 8 巴( 约为2 8 m p a ) 。适用于新的替代制冷工质，这种压缩机整体性能上 已经优于传统的压缩机，达到了商业应用的要求。 在l g 、s u n p o w e r 等公司动磁式直线压缩机商品化的激励之下，国内众多的 研究机构都展开了对动磁式直线压缩机的研究，可以预见，在不久的将来，动磁 式直线振荡电机驱动的压缩机必将取代传统的冰箱压缩机，成为新一代的制冷 机。 浙江大学硕士学位论文林箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 图1 1 8 洁净气体压缩机图1 1 9 特种气体压缩机 1 4 永磁电机电磁场分析方法综述n 4 】 动磁式直线振荡电机的动子，即驱动部分由永磁体组成，因此将其归类为永 磁电机。当前所采用的永磁电机电磁场的分析方法有等效磁路法、磁网络法、场 路结合分析法、电磁场解析分析法和电磁场数值分析法。 1 4 1 等效磁路法 等效磁路法是传统的电机分析方法，将永磁体处理成磁势源或磁通源，其余 按照通常的电机的磁路计算来进行。其优点是形象、直观，计算量小。但由于永 磁电机磁场分布复杂，仅依靠少量集中参数构成的等效磁路模型难以描述磁场的 真实情况，使得一些关键系数如极弧系数、漏磁系数等，只能借助于经验数据或 曲线，而此类数据或曲线大都是针对特定结构尺寸和特定永磁材料的，通用性较 差。因此磁路计算只适用于方案的估算、初始方案设计和类似方案比较，要得到 高精度的结果必须采用其它的分析方法。 1 4 2 等效磁网络法5 ，1 田 等效磁网络法早在上世纪6 0 年代就被有关学者提出，但由于受当时计算条 件的限制，未能加以推广。等效磁网络法根据电机的几何结构和预测的磁通走向， 把磁场区域划分为若干串联或并联支路，每条支路由磁导或者磁势源等单元组 成，单元之间通过节点相联，构成磁网络。该方法是一种介于等效磁路法和有限 元法之间的分析方法，原理简单，实现方便，计算精度高于等效磁路法，所需计 算机内存容量及c p u 时间比有限元法要少。但是在建立磁网络时，电机结构要 做一定的简化，而且等效磁网络模型是建立在磁场预测结果的基础之上的，难免 带来一定的误差，尤其是对永磁电机复杂的电机结构误差更大。 浙江大学硕士学位论文林箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 1 4 3 电磁场解析分析法 电磁场解析分析法具有很长的历史，在早期有就有很多文献论述电磁场解析 分析永磁电机的磁场参数以及性能。g uq i s h a n 等发表了采用解析方法计算永磁 电机电磁场的文章【1 7 9 1 ，对永磁电机气隙磁场、永磁体边缘效应及开槽效应进 行了研究，为永磁电机磁场解析分析奠定了基础。z h uz q 等在i e e e 上发表了 一系列文章【2 0 仍】，采用解析方法对永磁无刷直流电动机的空载磁场、电枢磁场、 开槽效应以及负载磁场进行了全面的研究，是运用解析法研究永磁电机最具有代 表性的研究成果，对解析计算向工程应用迈进作出了巨大的贡献。但是由于解析 法不能处理复杂的电机结构，对磁场饱和不能够有效处理，而电磁场数值计算是 进行精确性能分析的有效途径。 1 4 4 电磁场数值计算法 电磁场数值计算方法包括有限差分法，有限元法和积分方程法和边界元法等 四种基本类型，以及近年来发展产生的有限元法和边界元法相结合的混合法。其 中有限元法适应了当今工程电磁问题分析的需要，己获得了广泛的应用1 2 4 。j 。 有限元法最主要的特点是根据该方法编制的软件系统对于各种各样的电磁计算 问题具有较强的适应性，通过前处理过程能有效地形成方程并求解。它能方便地 处理非线性介质特性，如铁磁饱和特性等。它所形成的代数方程具有系数矩阵对 称、正定、稀疏等特点，所以求解容易，收敛性好，占用计算机内存量也较少。 这些正是有限元法能成为电气设备计算机辅助设计核心模块的优势所在。工程设 计和科学研究对电磁计算精确度要求的不断提高，促进了有限元法的发展及其在 电气工程方面的广泛应用。而计算机资源的不断开发又为有限元法电磁计算的发 展创造了必不可少的条件。 综上所述，永磁电机几种性能分析方法各有特点，也有着各自应用场合。等 效磁路法可以帮助我们理解电机各参数之间的内在联系，而有限元法在电磁场数 值计算精度方面又优于其它计算方法，所以本论文采用等效磁路法与有限元数值 计算方法相结合的手段对对动磁式直线振荡电机的电磁场及电机性能做了深入 研究，为动磁式直线压缩机的设计提供了理论基础。 1 5 本文研究的主要内容 本论文的项目背景是浙江大学化工机械研究所与浙江省嘉兴市科技局合作 开发项目直线式冰箱压缩机的研究与开发，项目要求从理论与技术两个层面 浙江大学硕上学位论文林箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 上对一种新型高效制冷压缩机“电冰箱用直线压缩机”展开全方位的研究， 最终目标要实现冰箱用直线压缩机的商品化。 本论文的主要任务是在总结前人经验的基础上，采用理论研究、计算机仿真 与实验研究相结合的研究方法，对直线压缩机驱动用动磁式直线振荡电机的电磁 场、动力学模型、电系统压方程式进行研究，给出基于等效磁路模型和有限元模 型的两种电机设计方法，对电机结构设计进行探讨，并针对方型结构动磁式直线 振荡电机建立了实验系统，对其性能进行了测试。 本文着重在以下几个方面展开了工作： 第二章中，以电机设计中普遍采用的等效磁路法对方型和圆筒型两种结构的 动磁式直线振荡电机进行了研究，推导了电机推力计算公式，并建立了电系统电 压方程式以及机械系统动力学模型，在m a t l a b 环境下编制了数值计算程序，由 r u n g e k u t t a 法求得了微分方程组的数值解，并给出了一套基于等效磁路模型的设 计方法。 第三章中，以电机电磁场理论和有限元分析方法为基础，对动磁式直线振荡 电机电磁场进行了设计计算，得出了电机磁场分布，并得到了圆筒型电机的推力 曲线、电流曲线及位移曲线，给出了基于有限元的电机设计方法。 第四章中，以第二、三两章的计算结果为基础，对动磁式直线振荡电机的结 构型式进行了探讨，对一些关键结构参数对电机性能的影响进行了计算，最后确 定了电机的关键结构参数。 第五章中，针对所研制的方型结构动磁式直线振荡电机进行了实验研究，实 验测试了电机的稳定工作时的电压特性，及串联电容对电机性能的影响。指出了 影响电机效率的关键因素，并提出了优化方向。 第六章对全文的工作进行了归纳总结，提出了有待进一步研究的问题。 浙江大学硕t 学位论文冰箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 第二章基于等效磁路模型的动磁式直线振 荡电机设计方法研究 2 1 引言 冰箱的工作环境决定了冰箱压缩机必须具有体积小、效率高、噪音低、振动 小、寿命长及可靠性高等特点，而直线振荡电机作为压缩机驱动的驱动机构，直 接影响了压缩机的结构、性能和可靠性，如何建立直线振荡电机的数学模型，是 直线压缩机性能分析和设计计算的基础。 直线电机内部工作磁场的分析计算是直线电机机械结构、工作性能与控制设 计的基础，与传统的旋转电机相比，直线电机电磁场的分析设计显得尤为复杂， 这主要是由于直线电机的铁芯是长直的、两端开断的铁芯，因而存在较大的纵向 边端效应和横向边端效应，而且直线电机的磁路结构较为复杂，其设计计算缺乏 经验系数的修正。因此，对直线电动机电磁场进行精确分析和计算存在较大困难。 目前应用于直线压缩机驱动直线电机的设计方法主要有两种：基于集中参数理论 的等效磁路法和基于分布参数理论的有限元法 3 】o 本章针对方型和圆筒型两种结构的动磁式直线振荡电机模型，对其基于等效 磁路的设计方法进行了研究，对两种结构的电机模型做了简化分析和计算，得到 了其等值电路图，推导了推力及电感计算公式，建立了振荡电机的动力学模型， 推导了电系统电压方程式，并由r u n g e k u t t a 法求得了微分方程组的数值解，得 到了电机的推力、工作电流等性能曲线，为我们了解电机工作时各参数之间的内 在关系及电机的结构参数设计提供了理论基础。 2 2 机电能量转换原理 为了计算机电能量转换过程中的净力，本节采用基于能量守恒原理的能量 法，针对一个理想的无损磁场储能系统的机电能量转换关系进行了研究。 为了揭示电机运行原理，采用简化的物理模型十分重要，图2 1 中，基于磁 场的机电能量转换装置被表示成一个无损的二端口磁场储能系统，电端有两个端 口变量，即电压e 和电流f ，机械端也有两个端口变量，即位移互和力，e 。 浙江大学硕士学位论文冰箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 电端 机械端 图2 1 ( a ) 基丁- 磁场的机电能量转换装之：( b ) 简单出力装置 电端与机械端的相互作用是以储能磁场为媒介进行的。由于储能系统无损 耗，可以很容易的求得磁场储能w 对时间的变化率，它等于输入电功率( 即电 端电压与电流之积) 减去输出的机械功率： 警刊一f e m 生d t ( 2 - - 1 )出 设该系统磁链为，一般定义电感l 为1 2 6 1 ： l ：坐( 2 2 ) f 则线圈感应电动势： e = 鲁；警( 2 - - 3 ，弘五) 5 言 所以有： d w = i d a ：一只。d x ( 2 - - 4 ) 磁共能被定义为i 和工的函数，且磁共能与磁场储能之和等于磁链与电流之 积【2 6 1 ，因此有： 两边求导得到： 把式2 4 代入，得到 w o 。( f ，x ) = 砂一似，x ) ( 2 - - 5 ) a r v o 。a ，工) = i d a ：+ f ，硪一d 彤( 2 - - 6 ) a w o 。( f ，x ) = q o d i + 只。d x ( 2 - - 7 ) 又因为磁共能仅为i ，x 的函数，因此有 浙江人学硕士学位论文冰箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 d 彬。( i ，z ) ：掣虮a w e md x d 慨 与式2 - - 7 相对应，可得： t 。：粤 曲：监 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 对式2 - - 1 0 积分可以得到磁共能的表达式： 睚。= 上赡，圳“2 ( 2 - - 1 1 ) 2 3 方型动磁式直线振荡电机的等效磁路模型 方型结构的动磁式直线振荡电机是在永磁体结构及充磁方式受加工水平限 制时被提出来的，作为一种过渡样机，它具有制造成本低，加工方便等特点。因 此本文设计并制作了一台方型结构的动磁式直线振荡电机，该种结构的电机能提 供较大的比推力，而且其结构紧凑，效率高，性能有很大的提升空间。 2 3 1 方型动磁式直线振荡电机结构及工作原理 图2 2 方型动磁式直线振荡电机样机原理图 图2 2 为方型动磁式直线振荡电机结构图，电机定子部分由硅钢片叠成的内、 外定子铁芯及励磁线圈绕组组成，依靠上下底板穿夹定位：动子部分，永久磁铁 为片状长方体，置于内外轭铁之间，通过支架与活塞相连，支架与上下底板之间 通过定位杆和直线轴承进行连结、定位，以保证气隙均匀度。两谐振弹簧在上下 1 7 浙江大学硕士学位论文冰箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 地板与支架间预聪紧安装。当励磁绕缎中通以交流电时，会在内乡 辍铁及气默当 中产生交变磁场，置于气隙磁场中的永久磁铁即会受到一交变推力，带动傈撩架 和活塞产生往复赢线运动，压缩气体做功。四根定位杆基本保证了磁铁与内外轭 铁闫豹气骧均匀发亵黠黎发，茨撂垂囊予运动方蠢兹穗囱力较，l 、，爨主要露麓予 定位杆上，这样就大大降低了气缸与活塞之间的摩擦损耗。 2 3 。2 方型动磁式直线猿荡毫橇懿等效磁路搂鍪 动磁式直线振荡电机的溅路是由静定子铁蕊、气隙、动子上的两块永久磁铁 及内寇：子铁芯组成，而激磁磁势刚由电激磁磁动势和永磁体磁动势两部分组成。 假设内外定子铁芯的磁阻、磁滞和涡流不计，永磁体的漏磁忽略不计，温度对磁 铁稼秘鹣影旗不诗。考虑动磁式直线缀荡宅凌壤络掏对豁瞧，其蕈迭磁路结椽潮 如图2 3 所示，等值电路图如图2 4 所示。 f m 瓣魏l髓隧 辩f 靛 一卜= ”_ jh i ：b 匕h 二h = = 坪1 。f “艄 s 靴 站 朗骶i r ：- “i ： ：一j 一= = _ = ：卜 二3 一 = 二二卜 卜( 二 t 二= ： 列! f 一“”一一+ 一；一n “r 一一一l f l 翌2 3 电魏磁耱结掏图踅2 4 动磁瓮壹线振落电动较等菝毫路强 1 ) 电激磁磁动势 设线罄酶匝数为，流过线鹜瓣魄濂为f ，翊线闺懿嘏激磁磁动势： 垃=n(2-12) 2 ) 永久磁铁等效磁动势 设永磁镕矮霰力为馥，究磁方囊簿度为矗m ，鬟l 有： f m = 日囊m ( 2 1 3 ) 3 1 气隙磁阻与永磁体内限 永磁体在往复运动过穰中与定予铁芯的摆对位置不断发生变化，每个磁极下 气隙磁黼也不同，即各个磁极下气隙磁阻是永久磁铁运动位置的函数。 设g 为气隙宽度，占为永磁体沿运动方向长度，口为永磁体宽度，抛为气空 m ，8 | 争 曙一霹黑 醛，圳叫+。酬磁叫 一謦一 浙江大学硕士学位论文林箱压缩机驱动用动磁式直线振荡电机研究 r 2 币g ( 2 _ 1 4 p o 口t = + x ， r 2 丙g ( 2 - - 1 5 )o 口l = 一工j 马5 丙g ( 2 - - 1 6 )p o 口【= 一z ， r 44雨g(2-17)0a-i- pt = 工j 永磁体与外定子三个磁极相对应部分的磁阻也随其运动位置变化而变化，相 4 ) 线圈磁通 2 面h 丽m 肛o p 一【= + x ， 2 忑h 5 m 卢。口，l = 一工j ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 设绕组线圈磁通为中，永久磁铁上半部分磁通中。，下半部分磁通中：，利 用电机等值电路图2 4 ，根据磁路欧姆定律，可列出其磁路方程组： 求解方程得 ( 2 2 0 ) 卟志c e 吲c 知 ( 2 _ 2 1 ) 雎 ( 2 2 2 ) 釉呦