（机械设计及理论专业论文）直线电机驱动的活塞式压缩机的特性分析与研究.pdf

摘要 摘要 分析了不同类型的活塞式压缩机存在的不足，提出了双筒复合次级直线电机 驱动的活塞式压缩机的新构想。其直线电机具有内外两套定子，结构紧凑，产生 的电磁推力大；压缩机采用分体式结构，气缸行程较短，具有较高的往复频率， 提高了排气量；整机采用p l c 控制，使其往复控制更加可靠，在同类压缩机中无 此结构，属于首创。建立了压缩机运行的相关理论，研究了压缩机缸内气体的瞬 时泄漏量、温度、压力、进气量、排气量、及缸体间的传散热等热力学规律、活 塞的动力学规律和气阀阀片的动力学规律，导出了其数学表达式，并对所导出的 方程用m a t l a b 进行了数值解析；理论分析表明：该电机产生的电磁推力较大， 压缩机的机械效率高，“强制换向”控制方式提高了压缩机的往复频率和压缩机的 排气量。讨论了该压缩机的设计方案和控制方式，提出了直线电机驱动的活塞式 压缩机主要设计参数的确定原则。论述了压缩机整机的安装调试和测试过程及应 注意的事项，测试结果表明该压缩机在理论上、技术和结构上完全可行，可以满 足实用化的要求。本文属于机电一体化技术应用基础研究范畴，为丌发结构更合 理，效率更高，质量更好，成本低的轻便型活塞式压缩机奠定了理论基础，具有 重大的理论意义和实际意义。 关键词：直线感应电动机，活塞式压缩机，特性分析，数值解析 a b s t r a c t c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa n ds t u d yo f p i s t o n c o m p r e s s o r d r i v e nb vl i n e a ri n d u c t i o nm 0 t o r a b s t r a c t d e f l c i e n c ye x i s t e di nd i f f b r e mp i s t o n c o m p r e s s o ri sa n a l y z e d ，p i s t o n c o m p r e s s o r d r i v e nb yd o u b l ec y l i n d r i c a lc o m p o u n ds e c o n d a r y1 i n e a ri n d u c t i o nm o t o ri sd e s i g n e d ，a t p r e s e n t ，t h e r ei sn ot h i ss t m c t u r ei ns i m i l a rc o m p r e s s 0r w h i c hb e l o n g st oi 1 1 i t i a t e t h e i i n e a ri n d u c t i o nm o t o rh a sd o u b f es t a t o ro fi n n e rs t a t o ra 1 1 do u t e rs t a t o r w h i c hm a k ei t s s t m c t u r em o r ec o m p a c ta 1 1 dm m s tf o r c eg e n e r a t e db y 廿1 ei r m t o rm o r eh i g h t h e c o m p r e s s o ra d o p t s d i v i d e d s t r u c t u r e ， t h es t r o k eo fc y l i n d e ri s s h o r t ，a ：n da i r 出s p j a c e m e n ti sh i g h e lp l ci sa d o p t e dt oc o m r 0 1t h em o t o rt om n ，w h i c hm a k e st h e c o n t r o lo ft h em o t o re a s i e lr e l e v a n tr u n n i n gt h e o r yo ft h ec o m p r e s s o ri sc o n s t m c t e d ， m a t h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no ft h e r m o d y n a n l i c sl a wo ft h e g a s i n c y l i n d e ls u c ha s i n s t a n t a n e o u s 】e a l ( a g er a t e ，t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，a i ri 印u t ，撕rd i s p l a c e m e n t 柚ds oo n ， a n dm a t h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fd y n a m i c sl a wo ft l l ep i s t o no fc o m p r e s s o ra 1 1 dv a l v e p l a t eo fv a l v ea r ei n d u c e d ，a n du s e dm a t l a bt os o l v ea l lt h ee q u a t i o ni n d u c e db v n u m e r i ca n a j y s j s t b er e s u hs b o w sm a tt b e l j n e a rj n d u c “o nm o t o rd e s i 跚e dc a n g e n e r a t el a 略e rm m s tf o r c e ，a n dt h a tm e c h a n i c a le m c i e n c ya n dr e c i p r o c a lf r e q u e n c ya n d a i rd i s p l a c e m e n ti no n eu n i tt i m eo ft h ec o m p r e s s o ri sl l i 曲e r ，a n d 也a tt l l i sm a c h i n ec a l l m e e tp r a c t i c a la i m d e s i g nf c a t h e ra i l dc o n 打o lm e t l l o do ft h ec o m p r e s s o ri sd i s c u s s e d ， a n dd e t e m “n i s t i cm e t h o do ft h ek e yd e s i g np a r a m e t e ro fp i s t o n c o m p r e s s o rd r i v e nb y l i n e a ri n d u c t i o nm o t o ri sp u tf o n v a r d d i s c u s s e dt h ep r o c e s s i o no f m o u n t i n ga i l ds e t t i n g a n dt e s t i n go ft h ec o m p r e s s o ra n dt h em a t t e r sn e e da n e n t i o n ，t e s tr e s u l ts h o w st h a tt h i s c o m p r e s s o ri sf e a s i b l ec o m p l e t e l yi nt h e o r ya 1 1 di nt e c l l n i q u ea n di ns t m c t u r e t h ep 印e r b e l o n g st o 胁d a m e n t a lr e s e a r c hc a t e g o r yo fe l e c t r o m e c h a n i c a li n t e 盯a la p p l i c a t i o n t e c h n o l o g ) 0 i t p r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i s a n d d e s i g nb a s i s f b r d e s i g n i n gp o r t a b l e c o m p r e s s o rt h a th a sm o r er a t i o n a ls t m c t u r e ，h i g h e re m c i e n c ya n dq u a l i t y ，a n d1 0 w e r p r i c e t h e r e f o r e ，i th a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp m c t i c a ls i g n m c a n c e k e yw o r d s ：l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ；p i s t o n c o m p r e s s o r ；c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ； n u r n e “ca n a l y s i s 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：垩竺兰 z 功年月f z 日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：垩兰：兰指导教师签名：鱼暨 箩年占月二日噼 月j 2 日 1 课题概述 1 1 课题来源 1 课题概述 本课题属河南省火炬计划项目，直线电机驱动的新型活塞式压缩机，编号： 0 0 3 0 4 5 3 0 0 ( 经费：5 万元) 。 1 2 项目研究论据的提出、目的和意义 1 2 1 论据的提出 从世界范围看，压缩机的发展历史悠久，具有丰富的设计制造和运行经验。在 中小排气量范围内仍以活塞式压缩机为主，据统计在1 0 0 瓦一7 ，5 千瓦的小型封闭式 压缩机中，活塞式压缩机占7 5 。至今在各个领域中依然被广泛应用发展着，在 机械、矿山、建筑、石油化工、天然气加工、运输、制冷和气体分离及其它工业 部门中占有相当重要的地位。 目前，国内外生产的活塞式压缩机中，大多数是由旋转电机带动，其需要曲 柄连杆机构将电机的旋转运动转换为活塞的往复运动，增加了中f 刈传动环节，致 使其结构复杂，额外消耗的功率较多，机械效率较低( 微型压缩机约消耗1 5 电动 机输入功率) ，整机效率一般为o 3 0 0 4 0 。 直线电机是种将电能直接转换为直线运动的机械能而不需要任何中间转换 机构的传动装置，是2 0 世纪下半叶电工领域出现的具有新原理、新理论的新技术， 并得到了飞速的发展。它所具有的突出优势，已越来越引起人们的重视，随着它 的各项技术的成熟，必将在各行各业中得到了广泛的应用”1 。 随着压缩机本身可靠性和删久性不断提高和压缩机紧凑轻量化的追求，高速 活塞式压缩机的发展是很自然的使用直线电机驱动的新一代压缩机，不存在旋转 运动和将电动机的旋转运动转变为活塞直线往复运动的转换机构，结构紧凑，体 积小，效率高，寿命长，可以轻松实现高速驱动。“。目前已经使用的有电磁振动 式压缩机，f 在进行研究的有复合次级直线电机驱动的活塞式压缩机和同步直线 电机驱动的活塞式压缩机。 ( 1 ) 电磁振荡式压缩机是利用电磁力及机械振动原理驱动，直接推动活塞作 往复运动进行工作的。按驱动方式可分为动圈式( 电动式) 和动铁式( 电磁式) ， 统称为电磁振荡式压缩机【5 ”。 统称为电磁振荡式压缩机【5 “j 。 河南理i 一人学硕十学位论文 图l 一1 为动铁式电磁式压缩 机原理图。这类压缩机由于直线 电机的电磁效率低，所以整机效 率低，且功率较小( 一般不超过 1 0 0 w ) ；行程小，排气压力低， 行程一般为1 0 m 左右，额定排气 压力不超过o 1 m p a 。目前仅用于 排气压力低；功率很小的场合。 较低，小能在工业上匝用a 图l 一2 复合次级直线电机驱动的活塞式压缩机结构 ( 3 ) 目前，浙江大学化工h 8 卜2 3 罱东嚣蹇誉篆怎祭要篇：嚣：6 7 “ 机械研究所e 在进行直线步进 1 进气阀2 排气阀3 气缸4 定了5 动子6 活皋7 储气罐 电机驱动的空气压缩机的研究， n 。“”| v 旺“”；：善2 慧2 “5 “”“6 9 i 佃” 并在理论上进行了设计”“。 图l 一3 为其设计的；参讲商 课题概述 中存在的问题，为了使直线电机驱动的活塞式压缩机达到工业应用的目的，提高 压缩机的排气量，减小其体积，设计出了双筒复合次级直线电机驱动的活塞式压 缩机，简称直线电机驱动的活塞式压缩机。该压缩机的电机采用内外双定子结构， 电机的输出轴与气缸中心线布置在同一轴心线上，电机的次级与压缩机的活塞直 接相连。 浚压缩机的特点是： ( 1 ) 结构简单，无曲轴连杆机构，机械效率高，理论上整机效率比电磁振动 式压缩机高得多，比旋转电动机驱动的活塞式压缩机约高5 以上，极易实现无油 润滑等特点； ( 2 ) 首次采用双简复合次级直线电机结构，电机输出推力大，体积小； ( 3 ) 直线电机采用青铜滑动轴承，油脂润滑，机械阻力小； ( 4 ) 采用p l c 控制，与电源频率无关，且具有超压自动保护功能。 1 2 2 项目的目的和意义 ( 1 ) 丌展对直线电机驱动的活塞式压缩机的进一步研究，对直线电机和压缩 机结构的理论设计及其电机特性、压缩机的动力特性和热力系统动态特性进行理 论研究，从理论上探讨影响其性能和效率的因素，使其在理论研究和设计上更加 成熟，为进一步研究和设计该种压缩机提供一定的理论基础。 ( 2 ) 针对目前直线电机驱动的压缩机的效率不高，性价比不高，控制系统的 安全性能还没有很好的解决方法的现状，设计并推出一种高效的直线电机驱动的 压缩机，不仅能在压缩机和直线电机理论设计上有所创新，而且能够满足市场对 新型高效轻型节能压缩机的需求，有利于能源的节省，具有较高的实用价值和市 场前景。 1 3 论文的主要工作、目标 1 3 1 论文的主要工作 ( 1 ) 建立双筒复合次级直线电机特性的求解方法，并对其推力负载特性、电 机的功率与效率等进行数值计算。 ( 2 ) 导出求解压缩机的排气量，泄漏量，排气温度，气缸内气体压力，缸内 气体温度等参数的变化规律的数学方法，也即压缩机的热力学特性；导出求解压 缩机活塞的动力学规律的数学方法；导出求解压缩机气阀的动力学规律的数学方 河南理r 人学硕十学位论文 法。并对给出的数学模型进行数值求解和研究。 ( 3 ) 完整表达压缩机结构方案特点及其供电控制方式，给出确定压缩机主要 参数的方法等。 ( 4 ) 建立模型，并进行安装调试及测试其基本性能。 1 3 2 论文的目标 ( 1 ) 设计建立压缩机的运行体系理论模型：推导精确计算该种压缩机主要性 能参数的数学模型给出数值求解方法和求解过程，并对求解结果进行分析，得 出压缩机的基本运行理论： ( 2 ) 给出整机各部分的主要设计参数的设计方法等； ( 3 ) 制作直线电机驱动的活塞式压缩机模型，并给出整机的安装调试过程及 应注意的事项。 2 直线电机驱动的活塞式压缩机的结构及电气控制原理 2 直线电机驱动的活塞式压缩机的结构 及电气控制原理 2 1 常见圆筒型直线电机的基本结构 直线电机驱动的活塞式压缩机的动力源是直线电机，直线电机的结构多种多 样，形状和性能各异。电磁振动式和电动振动式压缩机的动力源采用的是振荡式 直线电机( 这类直线电机的效率较低) 。为了提高压缩机的效率，根据活塞式压缩机 的特点，选用管型复合次级直线电机较为合理。它可以看作是将扁平型直线电机 沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒型变化而束，其工作原理与扁平型直线电 机一样。但与其它结构类型比起来，圆筒型直线电机有以下几个特点： ( 1 ) 由于圆筒型直线电机的次级是圆柱状，所以，它跟往复式压缩机的活塞 杆比较容易连接，也可以做成一体，故选用圆筒型直线电机作为压缩机的驱动装 置比较合适。 ( 2 ) 对于圆筒型直线电机，整个饼式线圈都是有效边，因此圆筒型电机不 存在绕组端部，同理，它的次级也不存在端部，这就提高了绕组的利用率，这是 圆筒型电机的一个优点。 ( 3 ) 圆筒型电机中一个饼式线圈的作用相当于扁平型电机单层绕组一条有效 边( 即半个线圈) 的作用，因此在设计计算时必须把饼式线圈的匝数作为每槽导 体数处理。由于圆筒型电机不存在绕组端部，因此也就不存在横向边端效应。 图2 1 所示为常见的圆筒型直线 电机结构示意图。定子铁芯3 由内外径 相同的圆形硅钢片组成；定子绕组2 通电后沿轴线方向产生行波磁场，磁 力线从定子铁芯穿过气隙进入次级，在 次级中产生感生电流，感生电流在行波 磁场作用下产生推力，使复合次级沿定 子行波磁场方向运动；定子绕组改变相 序后，产生反向行波磁场，复合次级产 生反向推力，在反向力的作用下，次级 反向运动。周期性地改变行波磁场方 t 圈凶凶 闼凶。闲 j 蒯f刚川岗岗测。 、v l 天扑s 图2 1 圆筒型直线电机结构 f 嘻2 - 1t h es t r u c t u r eo f c y i i n d r i c a l l i n e a rm o t o r 1 绕组骨架：2 绕组；3 铁芯：4 外壳；5 雉板；6 次级 1 w i n d i n gs k e i e t o n2w i n d i n g3s t a c k4 s h e i l5p r c s sp j a t e 6s e c o n d a r v 河南理工大学硕士学位论文 向，可使次级实现连续不断的往复运动1 2 】。 2 2 双简直线电机的结构特点 如前所述，常见的圆筒型直线电机是只有一个定子和动子的结构，结构比较 简单，单位体积内产生的推力不大，为了提高其单位体积内的推力，应设计出结 构合理的，能有效利用电机空间的电机结构。鉴于此，设计出了具有内外定子， 中间动子结构的直线电机。此种结构的电机有效的利用了电机内的空间，理论上 能产生比较大的推力。但是，电机结构比较复杂，内外定子加工工艺精度要求较 高。 根据压缩机的设计要求，最终确定该直线电机的结构如图2 2 所示。其初级 的内定子铁芯8 和外定予铁芯6 都由若干圆形硅钢片叠加而成，内外定子采用两 相绕组，绕组由铜线按图2 3 方式联绕而成，各有1 2 组线圈组成，每相为6 线 圈，3 对极。外定子由外定子线圈、铁芯、端盖、绝缘套和紧固铁片等组成，通过 紧固铁片将其结合在一起，组成一个整体，在由电机机壳5 和端盖3 固定在电机 机壳内；内定子由内定予线圈7 、铁芯8 、端盖1 3 、绝缘套和固定套1 4 等组成， 通过螺栓将端盖1 3 与固定套连接起来，从而将线圈7 和铁芯8 压紧与其组成一个 整体，再通过固定销2 将内定子固连在电机端盖上，通过保证一定的尺寸公差要 求，从而保证内定子轴心与动子同心。动子由电机次级、次级端盖、活塞杆等部 图2 2 双简直线电机结构简图 f i g 2 2 也es 钿j c t i l r eo f d o u b l ec y i i n d c a ll i n e 盯m a t o r l 电机轴2 固定销3 电机端盖4 动子端盖5 机壳6 外定子铁芯7 外定子线圈g 内定子铁苍 9 内定子线圈l o 外铜套l l 动于铁管1 2 内铜套1 3 内定子端盖1 4 内定子周定套 1s | i a f c2 矗x e d p i n3 曲dc a p o f m o t o r 4 d p o f a c l i v cc e l l5s h c l l 6g c a c k o f o u t c f 嘲t o r 7c o i l0 f o 岫s t a 吣r8s t a c k o f i 衄盯s t a t o r 9c o i lo f i n n e rs t a t o r l o d 呲盯c o p p c rs l c 劬j n 9 1 li r o n p i p co f a 嘶v cc e l l1 2h m 盯c o p p c rs l l c a 廿i i n g l 3 d p o f i 衄c rs t a t o r l 4 n x e ds i l n l i n g o f i e rs 眦o r 6 2 直线电机驱动的活塞式压缩机的结构及电气控制原理 分组成。 此外，在电机轴1 和外定子端盖3 间装有滑动轴承，以减少电机轴的机械 摩擦阻力。通过保证动子与电机轴、电 机轴与滑动轴承、滑动轴承与端盖外圆、 端盖外圆与电机壳内圆、机壳内圆与外 铁芯外圆之间的尺寸和配合公差，保证 外定子、动子、内定子和电机轴同心， 从而保证均匀的气隙。电机装配时，先 安装一端，然后再安装另一端。 a b x y 图2 3 线圈绕组展开图 f i 2 2 3w i n d i n gd i a 日o f c o j l 2 3 直线电机驱动的活塞式压缩机的结构特点 直线电机次级直接与活塞联接，大大简化了压缩机的结构。根据直线电机与 气缸之间的相置关系，通常有整体式和分体式两种结构。它们的共同特点是直线 电机与气缸一般在同一轴心线上。 整体式压缩机的次级和活塞做成一体，次级兼做活塞；其在电磁力、气体力 和控制系统的控制下作往复运动，实现压缩机的气缸的吸排气功能，活塞往复一 次可实现两次吸气和排气动作】。由于次级和活塞做成一体，所以这种压缩机存 在散热困难，电机效率低，气缸的材料选择困难，气体工作容积小及整机结构复 杂，各部件要求的加工精度和装配精度高等缺点，致使这类压缩机仅适合于排气 压力低、工作时间短、功率小的场合。所以整体式压缩机结构不适合本项目的设 计要求。 所以，本压缩机采用分体式结构，如图2 4 所示。其结构特点是电机与气缸 分体组装而成，活塞分别安装在电机两端的输出轴上( 或跟输出轴做成体) ，两 个气缸对称布置，无传动系统，唯一机械损失是活塞与气缸、活塞与电机端盖间 的摩擦阻力损失，与整体式结构相比起来，分体式压缩机具有如下特点： ( 1 ) 散热效果比较好。气缸与电机相分离，使由压缩过程产生的热量直接经 气缸散热，而不再传给电机，从而提高了电机的效率和使用寿命。 ( 2 ) 效率高。由于气缸与电机相分离，电机定子的尺寸不再考虑其它因素， 因而电机定子的尺寸可以按其最优值进行设计，从而提高电机的电磁效率。 河南理工大学硕士学位论文 图2 4 双简直线电机驱动的分体式压缩机结构简图 f i 舀2 - 4n l cs 咖c n jo f d m d e dp i s t o m c o m p r e s s o rd r i v e nb yl i n e 盯m o t o r i 进气润；2 排气阀：3 缸盖；4 气缸；5 活塞；6 活塞杆( 电机输出轴) ；7 电机端盖；8 次级； 9 内定子；l o 外定子；】1 赭气罐及底座 1 _ m 俄v a l v c 2o u t 盯v a l v e3c y l i l l d c r c a p 4c y l i i i d 口5p i s c o n 6 p i s t o n t 0 d 7e n dc 婶o f m o t o r8s e c o n d a f y 9 i l i n 盯s 6 a 幻r l o o u 甜s c 曲盯1 j 鼬c 彻缸i 艏虹 ( 3 ) 结构简单，各零部件加工装配相对比较容易，不存在选材困难闯题。 ( 4 ) 气缸工作容积比较大，由于气缸的设计不再受电机尺寸的限制，所以其 容积可以有更大的设计空间，主要受电机推力和设计要求的限制。 2 4 压缩机的电气控制系统原理 为了实现压缩机活塞的往复运动，由电机定子绕组产生的行波磁场必须相应地 周期性改变方向，这就要求供电电源周期性地改变相 序；同时为了使压缩机在排气压力低于o 4 m p a 时能 自动起动工作，而排气压力大于o 8 m p a 时能自动停 止工作，这就要求必须设计一套相应的控制系统来完 成这一过程。 这里采用单片机控制三组可控硅来实现此功能。 图2 5 电机的电气控制系统方案图。当刑可 控硅导通，册可控硅截至时，电机的供电相序为a b ，电机定子线圈产生一个正向的行波磁场；当接 到一个反向的电信号后，z 阳可控硅截至，丁船可控 硅导通时，电机的供电相序为b a ，电机定子线圈 产生一个与前者反向的行波磁场。当再次接收到换向 8 图2 5 电机控制系统方案 飚2 - 5c o 帅dm 劬0 do f m 咖r 2 直线电机驱动的活塞式压缩机的结构及电气控制原理 信号后，重复上述过程。周期性的接受到换向信号定子线圈就产生一个周期性 变化的行波磁场。换向信号可由位置传感器得到触发信号后，传给p l c ，由p l c 发出。可控硅， 用于控制电机的通电和断电，当其导通时，电机通电，截至时， 电机断电。 改变电源相序时，定子线圈会产生一定的冲击电流和电压，其值虽然比普通 旋转电机低的多，但仍由可能将可控硅击穿，故在可控硅两端设置有r c 阻容保护。 电机的换向方式采用强制换向方式，强制换向是一相可控硅断电后，另一相 可控硅立刻导通不延时。该种控制方式的特点是： ( 1 ) 活塞换向速度快，可以加快压缩机的往复频率，从而提高单位时间内压 缩机的排气量。 ( 2 ) 电机起动电流比较大，电压冲击也比较大，能耗较高，效率较低。 图2 6 为压缩机的供电控制原理简图。图中a 、b 、c 、d 都是位置传感器， 用于控制电机次级的往复运动，e 、f 为压力传感器，用于控制压缩机的自动供电 和断电。 当压缩机工作时，压缩机向其储气罐中输送气体，当储气罐中的气体压力小 于0 4 m p a 时，压力传感器e 便发出信号给p l c ，p l c 接到信号后，便向可控硅 r 发出导通信号，压缩机自动起动工作；当储气罐中的气体压力大于o 8 m p a 时， 压力传感器e 便发出信号给p l c ，p l c 接到信号后，便向可控硅，阳发出断电信 号，压缩机停止工作。 图2 6 压缩机的供电控制原理简图 f 适2 - 6c 呲n ts u p p l y & c o n t r o lp r i n c i p l eo f c o m p r e s s o r 河南理r 大学硕十学位论文 若起初压缩机的动子向左运行，可控硅r 导通，供电相序为a b ，行波磁 场向左；当动子运行到位置传感器b 的位置后，传感器b 便发出信号给p l c ，p l c 接到其信号后，便向可控硅丁阳发出断电信号，向可控硅r 阳发出导通信号，电 机的供电相序便改变为b a ，行波磁场变为向右，电机推力也变为向右，此后， 动子经过减速，反向加速，向右运动；当动子运行到位置传感器c 后，传感器c 便发出信号给p l c ，p l c 接到其信号后，便向可控硅r 发出导通信号，向可控 硅丁比发出断电信号，电机的供电相序再次改变为a b ，行波磁场变为向左，电 机推力也变为向左，此后，动予经过减速，反向加速，动子再次向左运动：反复 重复上述过程，就实现了压缩机活塞的往复运动。位置传感器a 、d 为安全保护 丌关。 1 0 3 直线电机的特性分析 3 直线电机的特性分析 直线感应电动机特别适应于低速、短行程的场合，根据其结构特点，其稳态 特性的计算基本上可以沿用旋转感应电机的等效电路。但直线感应电动机的气息 长度可达一般感应电动机的1 0 2 0 倍，励磁电流极大，当然r 型等效电路是不能 适用的，只有采用t 型等效电路。不过，沿用t 型等效电路，把初级电路看作是 平衡的，并且忽视边端效应的损耗，结果它的计算值仍是不能表达实际特性的。 但是就初级电路的不平衡而邑随着极数的增加，不平衡度在减少，极数在6 极 以上可以忽视这一因素1 。因此，采用t 型等效电路计算直线感应电机的特性时， 所产生的误差因素可以看作仅仅是边端效应的损耗。将这一损耗引入等效电路， 就可以得出直线感应电机的等效电路。 3 1 等效电路 对于实际的双简复合次级直线感应电机电路理论十分复杂，目前还不可能推 导出精确的理论计算式，因此，在工程计算上，经常采用近似计算，并作如下假 设： ( 1 ) 忽略铁芯饱和及铁芯中感应的涡流的影响； ( 2 ) 忽略次级集肤效应的影响； ( 3 ) 忽略等效电路中的高次谐波，只计算基波； ( 4 ) 由第二章可知，对于双简直线感应电机的次缴，由铜一钢一铜三层组成， 由于集肤效应的影响，外定予的磁场对内铜套的影响很小，所以计算外定子磁场 引起的磁力时，不考虑内铜套的影响：同理，对于内定子部分，也不考虑外铜套 的影响。 ( 5 ) 分开计算内外定子磁场引起的磁力，不计算内外磁场对次级的相互影响，采 用同一等效电路。 通过以上假设后，双筒复合次级直线感应电机的等效电路如图3 1 所示m 1 。 图中r i 、为初级的电阻和漏磁电抗；为激磁电抗；z c 。、z f 。为铜次级和铁次 级的阻抗在初级中的折算值：r c 。，为铜次级在边端作用中有效部分功率等效电阻初 级折算值，r c 为铜次级在边端效应中无效部分功率等效电阻初级折算值，r c 。为 铜次级在边端效应中消耗功率的等效电阻初级折算值，它们的关系为：r c 。才r c 。， = r c u ：r 阿为铁次级在边端作用中有效部分功率等效电阻初级折算值，r f c f 为铁次 河南理l 人学硕十学 _ i ) ：论文 图3 - 1 般筒复合次级直线感应电动机等效电路图 f i g 3 一le q u i v a l e n tc i r c u j to f d o u b l e - c y l j n d r i c a l m p o u n ds e c o n d a r yl i n e a rm o t o r 级在边端效应中无效部分功率等效电阻初级折算值，r f 。为铁次级在边端效应中消 耗功率的等效电阻初级折算值，它们的关系为：r f r 附= r f c 。 3 2 等效电路中主要参数的确定 1 ) 初级绕组电阻五 ：墼生生堕茎：型：( 3 1 ) = = - 一 l j lj j k f k d p ，f z 式中： 段。铜的电阻系数，q - 辨：窜，每极每相植数； d 。初级绕组平均直径，卅：肌。电源相数： k ，一槽距与槽宽比“，= 每；一初级铁芯槽间距，珊 k 。曹深与槽宽比，k 。：垒；虬槽宽，用： d 州， 。初级每相总匝数；6 。槽深，删。 k ，槽满系数；p 。极对数： r 极距，朋： 2 ) 初级漏磁电抗 式中： x 2 冗“n 。d 。a ! n ： p 。q ， ( 3 2 ) 3 直线电机的特性分析 胁空气磁导军：电源圆频率，= 2 巧。，s ： 工电源频率，h z ；五。槽型系数，兄。= 丧杨( 1 + 3 岛) ； 。以极距的分数形式表达的绕组节距，即端距系数，对于整距绕组取 成2 1 3 ) 激磁电抗 z ：! 竺! ：些! ：竺：! 丝! ：笠! ：! ! 生! !( 3 3 ) “m 一7 i i 广 ”“ 冗p ，。g k ；k ： 式中 k 。初级绕组系数，对于集中、整距绕组耿k 。= l p 定子平均直径，m ；g 气隙长度，肌 k 。磁饱和系数，取k ，一1 ； k 。卡特系数，实际气隙与k 。的积即为有效气隙长度。对于开口槽初级 卡特系数计算式为： k ：坠坠兰! 竺! =( 3 4 ) = 一 i 一* j 6 村( 5 9 + 6 ，。) 一6 ：， 4 ) 次级铜层阻抗折算到初级侧的值z 。 由文献可知： z 。：- ，丝型型 以 丛竺 !壁k ( 3 5 ) 墨* t a n h ( 足。6 。，) r 式中：k 。= ( ，脚：- 。q 。+ 2 ) j 吼。铜的电导率：k 。横向边缘效应系数； 6 ( 。铜次级厚度，m ；d ( 。铜层的平均直径，卅 2 次级感应电流角频率，2 = s 胁 s 滑差率；= 刀z _ 5 ) 次级铁层阻抗折算到初级侧的值z 。 河南理1 人学硕十学倪论文 由文献可知： z ! ：j ! ! ：! 型! 茎! z 坐也 !至堕 ( 3 6 ) “。 p 。k nt a n h ( 彭6 h ) f 式中： k ，= ( ! - 胁。- 吒。十2 ) 2 ： 。为铁的相对磁导率；盯。为铁极的电导率： d 。为次级铁芯的平均直径，m ；k 铁次级厚度，肌： 6 ) 铜层在边端效应中消耗功率的等效电阻初级折算值r 。 根据相关文献，经推导对于铜一铁复合次级其铜层在边端效应中消耗功率的 等效电阻初级折算值为： 瓦砘志 1 ) 式中： 、8 k p 【h - d n ；n h p2 _ 。 ( p + 占) 2 y = 嘉： 。= 0 2 0 4 之削； 。每相每对极初级匝数；p 每相极数： 其中，边端效应有效部分功率等效电阻初级折算值为： 吨器 c 。1 a ， 边端效应无效部分功率等效电阻初级折算值为： 砘鲁并 7 ) 铁层在边端效应中消耗功率的等效电阻初级折算值r n = 。南 式中：坠型等坠盟垃丛 t 。0 s p ，。铁的电阻系数 ( 3 7 b ) ( 3 8 ) 3 直线电机的特性分析 其中，边端效应有效部分功率等效电阻初级折算值为： 魂。器 - s 们 边端效应无效部分功率等效电阻初级折算值为 等等 3 3 特性分析 ( 3 8 b ) 3 3 1 单相特眭分析 根据电路知识，由图3 1 可知，电机铜一铁复合次级的等效阻抗为： 1 z2 1 1 t _ 。+ r( 3 9 ) j xmz n ? z jl 。r r l 。 从而可得该电路的总阻抗为： z = z + 1 + i = ( n + ) + ( j + x 。) ( 3 1 0 ) 等效电路的总电流为： ，：!( 3 一1 1 ) ( - + ) 2 + ( x l + 。) 2 功率因数 c o s p ：了粤兰兰亏 ( 3 一1 2 ) ( 1 + ) 2 + ( i + x 。) 2 感应电动势为： e l = ，1 弩+ 。2 ( 3 1 3 ) 电路中各电流大小为： ，c m = 砉 叫t ， k t = 专 叫s ， 。矿去 _ 1 e ， k ：= 去 c 。叫， 从而可得电机的每相输出电磁功率，它有中心区功率和边端区功率两部分组 成，其值分别为： 中心区：j f = ，己r e z ：。 + ，忌，r e 【z i 。 ( 3 1 8 ) 河南理1 人学硕十学位论文 边端区：只。= ( ，己：r 。+ ，乞：r m ) 每相通过气隙传递的功率为：厶。= 只。+ 只。 每相输入功率：鼻= 明，c o s 伊 同步效率：叮一2 等1 0 0 d 电机每边输出电磁功率为：p = 2 只。 ( 3 一1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) pp 电机每边输出电磁力为：气e = 2 等十百孑与) ( 3 2 v v 1 l jj 式中：v 。电机的同步速度，耐s 3 3 2 整机特性分析 根据该电机的结构特点可知，该电机所能产生的总的电磁功率为每边功率之 和，即为： p 。= p 。m + p 。t 式中：p 一总的电磁功率： p 。内绕组产生的电磁功率； 只。外绕组产生的电磁功率。 电机产成的电磁推力为每边电磁推力之和； f ：= f 。，+ f n 。 式中：f 。内绕组产生的电磁推力； c 。外绕组产生的电磁推力。 电机的机械功率为：只= j p ( 1 一j ) 电机总的同步效率为：即。芴去 电机的机械效率7 7 。= ( 1 一s ) 刁 ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) 3 直线电机的特性分析 3 4 数值计算 3 4 1 初始数据 参照第二章设计的电机结构特点及设计参数，从而可以确定其初始数据如下 表3 1 所示： 所有表中跟温度有关的数据均是按照在3 8 4 k 下的温度值，即摄氏7 5 下的温 度取值，这主要是考虑电机稳定运行时，要产生一定的热量，从而使电机机内温 度升高。 表3 一l 初始数据 t a b l e3 一li n i t i a ld a t a 项目内绕组外绕组项目内绕组外绕组 铜的电阻系数d 乙 2 0 5 5 1 0 “( 3 8 4 k )电源相数跏。 22 每极每相槽数g 。 1 1 漕距w o 0 1 5o 0 1 5 初级绕组平均直径d 。 o 0 8 7o 1 8 6 憎宽6 。 o 0 0 7 5o 0 0 7 5 槽距与槽宽比k 。 2 2 情深屯， o 0 2 3o 0 2 4 槽深与槽宽比世， 3 0 6 73 2 憎满系数k 。 0 5 6o 5 4 初级每相总匝数 2 1 01 5 0极距f o 0 3 0 o 0 3 0 每相极对数p 。 33 空气磁导率风 4 1 0 1 电源频率f 5 05 0电源圆频率3 1 4 1 5 93 1 4 1 5 9 端距系数。 il 漕型系数无 1 0 2 2 3 1 0 6 6 7 初级绕组系数k 。 11 磁饱和系数彪 11 定子平均直径d 。 o 1 0 30 1 6 7 卡特系数k 1 4 2 8 61 4 2 8 6 铜的电导率盯。，4 8 6 6 1 0 。( 3 8 4 k )滑差率s o 10 1 横向边缘效应系数k 。 ii口= 万r1 0 4 7 2 0 1 0 4 7 2 0 铜次级厚度眈。 o 0 0 3o 0 0 3铁次级厚度6 j o 0 l o o o l o 铜层的平均直径口。 o 1 2 lo 1 4 7 铁的电导率o k 8 0 1 9 1 0 6 ( 3 8 4 k ) 次级感应电流角频率， 3 1 4 1 5 9 s 占 0 30 3 铁的相对磁导率。 1 0 0 0每相匝数口 2 l o 1 5 0 铁次级的平均直径d ；。 o 1 3 4 铁的电阻率p r 1 2 4 7 1 0 “ 每相每对极初级匝数。7 0 5 0 气隙长度g o 0 0 l0 o o l 河南理工大学硕士学位论文 3 4 2 数值计算 根据表3 1 中给出的数据，运用姒t l a b 的数学工具箱对电机的特性进行计 算，其计算结果如下： 图3 2 为电机推力一滑差率图，从图中可以看出电机的推力随着动子的滑差 率的减小而逐渐减小，其中，由外绕组产生的电磁推力大于内绕组在动子上产生 的推力，当动予滑差率为零时最大，此时，电机的推力约为1 5 8 0 n 。 图3 3 为电机复合次级各层输出的视在电磁功率和电机输出的总的视在功 率。由图中可以看出，电机铜层输出的电磁功率远比铁层输出的电磁功率大，且都 随着电机滑差率的减小而减少。 图3 4 为电机的总的是在功率、中心区功率和边端消耗的功率跟电机次级滑 差率的关系图。从图中可以看出边端效应消耗掉的功率很小，在一般的计算中可 以忽略不计。 滑差率 图3 2 电机推力图3 3 电机功率 f i g 3 - 2t 1 l r u s tf o r c eo f m o t o r f i g 3 2p o w e ro f m o t o r 图3 5 为电机在不同滑差率下输出的机械功率和内外绕组分别输出的机械功 率。由图3 2 可以看出，随着滑差率的增大，电机的速度减小，而电机的推力增 大；初始阶段，由于电机推力增加的幅度大于速度减小的幅度，所以电机的机械 功率随着滑差率的增大而逐渐增大；滑差率增大到一定的值时( 图中约为o 4 ) ， 电机推力增加的幅度与速度减小的幅度相当，其输出的机械功率达到最大；此后， 电机推力增加的幅度小于速度减小的幅度，电机的机械效率随着滑差率的增大而 减小，当滑差率为零时，机械功率也为零。 图3 6 为电机的各绕组的功率因数，由图可知该电机的功率因数较小。 图3 7 为电机的同步效率和机械效率，由图可知电机的同步效率随滑差率的 3 直线电机的特性分析 增大而增大，机械效率在开始阶段随滑差率的增大而增大，当滑差率达到一定值 后( 图中约为o 3 2 ) 其机械效率最大，此后又逐渐减小，直到为零。 、一 卜 嚣 妊 因 龉 霄 v 甜 雷 滑差率 图3 4 电机的电磁功率 f 培3 - 4e l 献r o i n 赠皑缸p a w 盯o f m d 鼢 图3 6 电机各绕组的功率因数 f i g3 - 6p o w e rf a c t o ro f m o t o r 滑差率 图3 5 电机的机