（化工过程机械专业论文）动磁式直线压缩机理论与试验研究.pdf

浙江大学博士学何论文：动磁式直线压缩机理论与试验研究 摘要 本论文从开发高效制冷压缩机以实现电冰箱环保和节能的需要出发，以动磁式直线 压缩机为主要研究对象，在查阅国内外大量文献，吸收相关学科的新思想、新理论、新 方法、新技术的基础上，研制了一台电冰箱用动磁式直线压缩机样机，并采用理论研究、 计算机仿真与实验研究相结合的研究方法，系统地进行了压缩机动力学分析、设计、优 化、控制和相应的技术基础研究与试验研究。 在分析直线电动机机电能量转换规律的基础上，分别采用等效磁路法和基于等效体 电流密度的磁场解析法两种方法，建立了动磁式直线振荡电动机数学模型，描述了电机 电一磁一力之间的内在关系，重点推导了电机磁链与电磁推力公式，并与有限元数值分 析进行了对比验证。 在分析动磁式直线压缩机工作原理的基础上，建立了压缩机的动力学模型，分别采 用简单线陛化和描述函数法两种方法对气体力进行了线性化，并与非线性的动力学模型 进行了比较。采用描述函数法对气体力进行线性化得到的系统当量线性模型能基本反映 系统的真实性能，从而有利于进一步分析压缩机的一些动态特性，为建立压缩机一套完 整的设计和控制方法奠定了基础。在系统当量线性模型基础上进行的压缩机系统振动特 性分析表明：动磁式直线压缩机必须工作在动子共振区域才能最有效地吸收激振能量。 在对动磁式直线压缩机理论分析的基础上，建立了一套动磁式直线压缩机的理论设 计方法。重点对弹簧谐振频率、线圈电流密度、永磁体工作点的选择方法及其对压缩机 功率和效率等主要性能的影响进行了分析，并推导了压缩机系统主要结构参数的计算公 式。在此基础上研制了一台样机，并对样机进行了空载与负载试验，试验表明动磁式直 线压缩机具有较高的效率和节能潜力。 在分析动磁式直线压缩机排气量调节原理和方法的基础上，介绍了通过绕组线圈磁 链对压缩机活塞位置进行估计的方法，在此基础上提出了一套采用无位置传感器的压缩 机系统控制方法，以实现压缩机活塞行程、余隙、乎衡位置以及排气量的自动调节。 论文最后对主要研究成果和创新点进行了总结，进一步展望了未来的研究工作。 关键词：动磁式直线振荡电动机，动磁式直线压缩机，动力学分析，线性化， 描述函数法，设计方法，控制方法 塑坚查堂竖主兰笙笙苎! 垫堡壅皇垡垦堕垫里堡兰鲨丝! 茎 a b s t r a c t t h er e s e a r c ht h e m eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h ed e s i g n i n gt h e o r yo fam o v i n gm a g n e t l i n e a rc o m p r e s s o r ( m m l c ) a n di t sc o n t r o ls c h e m ei no r d e rt od e v e l o ph i g he f f e c t i v e c o m p r e s s o rt om e e tt h en e e do fr e f r i g e r a t o r sh i g he f f i c i e n c ya n ds a v i n ge n e r g y b a s e do na g r e a td e a lo fd o m e s t i ca n do v e r s e a si n f o r m a t i o n 、t h eo r i g i nt h o u g h t s 、n e wt h e o r i e sa n d t e c h n o l o g i e so fc o r r e l a t i v es u b j e c t s ，am m l ci sm a d ef o rr e f r i g e r a t o r t h ed y n a m i c s 、 d e s i g n i n g 、o p t i m i z a t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g ya sw e l la ss o m ek e yt e c h n o l o g i e so ft h em m l c a r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yb yc o m b i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s 、c o m p u t e rs i m u l a t i o nw i t h e x p e r i m e n t b a s e do na n a l y z i n gt h em e c h a n i c a l e l e c t r i c i t ye n e r g yt r a n s i t i o nl a w so ft h el i n e a r m o t o r s ，t h em a t h e m a t i c sm o d e lo fm o v i n gm a g n e tl i n e a ro s c i l l a t i n gm o t o r s ( m m l o m ) i s b u i l t ，w i t he q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i ta n dm a g n e t i cf i e l dr e s o l u t i o nb a 。s e do ne q u i v a l e n tb o d y e l e c t r i c a lc u r r e n td e n s i t yr e s p e c t i v e l y t h e nt h ei n n e re s s e n c ei sd e s c r i b e da m o n g e l e c t r i c i t y 、 m a g n e ta n df o r c eo fm m l o m t h ef l u xl i n k a g ea n dt h et r u s tf o r m u l a t i o no ft h em m l o m a r e d e d u c e d c o m p u t e dr e s u l t sb yt h ep r o p o s e dm o d e la r ec o m p a r e dw i t ht h o s eg e n e r a t e df r o m f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，w h i c hs h o w si ng o o da g r e e m e n t s b a s e do na n a l y z i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p a lo ft h em m l c ，i t sd y n a m i ce q u a t i o ni s e s t a b l i s h e d t h es i m p l e l i n e a r i t ya p p r o a c ha n dt h ed e s c r i b i n gf u n c t i o na p p r o a c ha r e e m p l o y e dt o l i n e a r i z et h en o n l i n e a rg a sf o r c e c o m p a r e dw i t ht h en o n l i n e a rd y n a m i c e q u a t i o n ，s y s t e me q m v a l e n t l i n e a rm o d e le s t a b l i s h e db yt h e d e s c r i b i n gf u n c t i o na p p r o a c hc a n r e f l e c ti t sr e a lc h a r a c t e r i s t i c s ，f u r t h e r m o r e ，af e wi l a i nc h a r a c t e r i s t i c so f t h e c o m p r e s s o ra r e a n a l y z i n g ，w h i c hl a yaf o u n d a t i o no nb u i l d i n gas e to fd e s i g n i n ga n dc o n t r o l l i n gm e t h o do f m m l o c m o r e o v e r , c o m p r e s s o rs y s t e mv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i ss h o w st h a t m m l o cm u s tw o r ki nr e s o n a n c ec i r c u m s c r i p t i o ni no r d e rt oa b s o r be l e c t r o m a g n e t i s m e n e r g ym u c he f f e c t i v e l y b a s e do n t h e t h e o r y a n a l y s i s o f m m l c ，as e t o f d e s i g n i n g m e t h o d i s b u i l t ，a n da m m l c i sm a d ea n dm s t i n gu n d e rn og a sf o r c ea n dg a sf o r c er e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，s e l e c t i o n i i 浙江大学博士学位论文：动磁式直线压缩机理论与试验研瓮 m e t h o do fs p r i n g sr e s o n a n c ef r e q u e n c y 、w i n d i n ge l e c t r i cc u r r e n td e n s i t y 、p e r m a n e n tm a g n e t a v e r a g em a g n e t i ci n d u c t i o ns t r e n g t ha n di t si n f l u e n c eo nm m l o cp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d a n dm a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r sc a l c u l a t i n gf o r m u l ai sd e d u c e d e x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t et h a t m p m l o ch a v eh i g he f f i c i e n c ya n ds a v i n ge n e r g yp o t e n t i a l b a s e do na n a l y z i n gt h er e g u l a t i n gp r i n c i p a la n dm e t h o do ft h ee x h a u s t i n gc a p a c i t yo f m m l c ，ak i n do ft e s t i n gm e t h o do fp i s t o nd i s p l a c e m e n tu n e m p l o y e ds e n s eo r g a nb a s e d w i n d i n gf l u xl i n k a g ei sp r o p o s e d as e t o fv o l t a g ec o n t r o ls y s t e mi sb u i l tt oc o n t r o la n d r e g u l a t et h ep i s t o n sd i s p l a c e m e n t 、r e m a i n i n gd i s p l a c e m e n ta n da v e r a g ep o s i t i o nt om a k et h e a u t o - r e g u l a t i n go fe x h a u s t i n gc a p a c i t y f u r t h e r m o r e ，c o n t r o ls y s t e mi sa l s os i m u l a t e d i nt h ee n d ，t h es t u d yc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o no ft h ed i s s e r t a t i o nh a v eb e e ns u m m a r i z e d ， a n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r k sh a v eb e e nf o r e c a s t k e y w o r d s ：m m l o m ，m m l c ，d y n a m i ca n a l y z i n g ，l i n e a f i z a t i o n ，d e s c r i b i n gf u n c t i o n m e t h o d ，d e s i g n i n gm e t h o d ，c o n t r o lm e t h o d i i i 浙江大学博士学位论文：动磁式直线压缩机理论与试验研究 第一章绪论 【本章提要】本章从我国目前家用电冰箱节能与环保的要求出发，阐述了研究高效动磁式直线压缩 机的背景和重要意义，重点介绍了直线压缩机的特点、类型以及国内外的研究现状。在此基础上， 提出了本博士学位论文的主要研究内容。 1 1 课题研究背景及意义 随着我国社会主义市场经济的不断深入发展，以及我国加入世界贸易组织( w t o ) ， 国内市场国际化，国际市场一体化，家用电冰箱市场稳定增长，竞争已进入白热化，而 节能与环保已经成为市场竞争的焦点，同时也是家用电冰箱发展永恒的主题和热点。世 界各国对家用电冰箱能效要求愈来愈高，欧美等发达国家将原来的家用电冰箱能耗标准 大幅度提高，a 级能效指数由原来的5 5 提高到目前的4 5 ，并且，在国际贸易中， 更是利用能耗标准作为绿色技术壁垒制约发展中国家产品对其出口贸易”。我国已经完 成了家用电冰箱电耗限定值及能效等级国标的修改制定，并于2 0 0 3 年下半年开始 强制执行，但我国家用电冰箱产品的能效水平总体上不高，参考欧盟标准和现行的家用 电冰箱能效标准，我国的电冰箱能耗水平大多在c 级和b 级，少数为a 级产品回，因 此，尽快开发研制新型高效节能环保电冰箱，使其能耗达到国际先进水平，增强国内外 市场竞争力，并拥有自主知识产权，就成为摆在我们面前的一项紧迫任务。 开发高效节能环保电冰箱，可以通过对电冰箱箱体进行结构设计、制冷系统优化匹 配和控制手段完善等途径来实现，从而达到减少热损失、提高制冷系统性能的目的。对 电冰箱节能技术研究表明：压缩机耗电量约占电冰箱总耗电量的8 5 以上、采用高效制 冷压缩机可以节能1 0 2 0 【3 l 。可见，研究和开发高效制冷压缩机是实现电冰箱节能的 一个非常重要的方法，对于尽快实现电冰箱高效、节能与环保，增强国内外市场竞争能 力，都具有重大的理论意义和广阔的发展前景。 目前开发高效制冷压缩机，主要基于以下两个方面考虑： 1 ) 采用新型环保制冷剂( 制冷剂的瞢代拂馥) 第一章绪论 1 9 8 5 年3 月，联合国环境规划署在奥地利维也纳召开国际会议，原则通过了保护 臭氧层维也纳公约，1 9 8 7 年9 月在加拿大又召开了蒙特利尔会议，限制使用氟利昂制 冷剂，通过了蒙特利尔会议控制可破坏臭氧层物品协定，共有3 1 个国家签字，并分 别承诺在2 0 世纪末到2 l 世纪初全面禁止生产和使用c f c 物质，我国于1 9 9 1 年6 月成 为蒙特利尔协定书的签署国，并承诺在2 0 0 5 年停止使用c f c 物质，2 0 3 0 年停止h c f c ( 低氟) 物质在生产上的应用。因此，世界各国都在寻求c f c 替代剂，至今为止，还 没有找到在经济性能和能效上超过c f c 的冰箱制冷剂【4 】。 表1 1 国内外异丁烷专用压缩机在标准工况下性能比较 商标型号 李积e r a 3帛i 腧量九。| 生能系数( c o p ) z e mh 乙6 0 a h60 08 51 1 0 z e mh 乙7 0 a h 66 59 ，12 0 2 e mh l 8 0 a h 81 11 1 312 4 d a l l f o $ st l e s 7 k6j7 609 7 d a f l f o a st l e s 8 k7 8 9 210 d 蛐t f o st l e s 9 k8 81 0 4l0 2 双龙 q d 8 0 781 0 8l0 白雪 q d g o 8 91 2 51 l 白雪q d 6 8 a 6 g8 8 1 0 5 加西贝拉 b 1 1 1 2 c y1 001 4 012 东贝 q d l 4 2 1 4216 ji2 目前，世界各国电冰箱c f c 替代主要有两种替代技术口 ：一种是以美国、日本为代 表的氟氢化合物技术( r 1 3 4 a 制冷剂) ，一种是以德国技术为代表的碳氯化合物技术( 异 丁烷r 6 0 0 a 制冷剂) 。而我国对于电冰箱工质的替代没有政策性的规定，市场上这两种 工质替代技术并存。由于制冷剂异丁烷h c - 6 0 0 a ( 代号r 6 0 0 a ，分子式c 4 h m ) 具有臭 氧损耗潜值o d p ( o z o n ed e p l e t i o np o t e n t i a l ) 和全球变暖潜值g w p ( g l o b a l w a r m i n gp o t e n t i a l ) 均为零、无毒、制冷效率较高、与水不发生化学反应、与铜质 管材和矿物润滑油完全兼容、维修过程与采用r 1 2 制冷剂的电冰箱基本相同等优点，被 我国定为首选c f c 替代剂，并且使用异丁烷r 6 0 0 a 为制冷剂的电冰箱，其耗电量和噪 声都明显低于使用其它制冷剂的产品，整机性能优越【鹋 。因此，国内外也相继开发和 2 浙江大学博士学位论文：动磁式直线压缩机理论与试验研究 使用以异丁烷以及r 1 3 4 a 为制冷剂工质的专用压缩机，表1 1 对国内外异丁烷专用压缩 机在标准工况下的性能进行了比较。从表1 中可以看出异j 。烷专用压缩机具有如下一些 特点：异丁烷压缩机的气缸容积比r 1 2 压缩机约大7 0 ，因此，在电动机不变的情况 下，可达到相同的制冷量；高低压差小，运行工况优越，可靠性良好；有较高的能效比； 较低的噪声和振动；必须使用p t c 启动器，防止电火花所产生的危险眭6 1 。 但是，由于这两种被世界各国普遍认同的环保绿色制冷剂工质，在经济性能与能效 比上都不及c f c 制冷剂，从而导致电冰箱制冷性能下降，能效比降低，根据资料显示， 下降幅度达到5 l o 。这样就提出了一个非常重要的问题：如何在开发现代电冰箱 中采用新型环保制冷剂工质后，电冰箱的制冷性能不会比采用c f c 制冷剂工质的制冷 性能低，甚至更高。其中，解决这一问题的途径在于开发专用的高效制冷压缩机，大幅 度提高制冷性能系数和能效比。 2 ) 大幅度提高徊冷性能系数( c o p 值) ( 节能的挑战) 高效制冷压缩机，通常认为是指性能系数( c o p 值) 大于相同容积往复式压缩机规定 值的1 2 倍或大于相同容积旋转式压缩机规定值的1 1 5 倍的压缩机。根据压缩机的c o p 值，高效制冷压缩机可分为三类9 ，10 】：一类是c o p 为1 2 0 至1 3 5 的普通型高效制冷压 缩机；二类是c o p 值为1 4 8 至1 5 1 ；三类是c o p 为1 7 8 至1 8 的特高效制冷压缩机。 其中，第一和第二类高效制冷压缩机主要是通过传统的机械技术改进的，如改进阀门系 统和气缸条件，改变轴承润滑和提高电机效率等，而第三类高效制冷压缩机c o p 值达 1 7 8 至1 8 0 ，则是采用了变频技术的调速压缩机( r s d ，v s d ) 。目前国际先进水平的压 缩机c o p 值为1 5 左右，国产高效制冷压缩机( 包括r 6 0 0 a 压缩机在内) c o p 值基本 在1 2 1 3 之间；8 0 以上的品种c o p 值小于等于1 2 。 理论分析证明c o p 值等于压缩机效率、机械效率、指示效率和压缩机在a s h a r e 工况下理论能效比( 单位质量制冷剂通过蒸发器的理论制冷量与压缩机把单位质量制冷 剂从蒸发压力压缩到冷凝压力的理论功耗的比值) 的乘积。因此，无论对使用任何制冷 剂工质的普通旋转式压缩机，提高c o p 值均可采取下列措施 1 1 - 1 3 1 ： 1 ) 提高电机效率，目前按r s i r 运行的单相电机经济效率为o 7 0 0 7 5 ；按c s i r 和c s r 运行的较高效率为0 7 8 - - 0 ，8 2 ；采取一切可能的措施后，其最高效率约o 8 5 左 右。 第一章绪论 2 ) 提高机械效率，主要措施在于减小运动系统各轴承功率损失和黏性阻力损失； 降低活塞往复运动的摩擦损失。目前机械效率一般为o 8 4 0 8 7 ：较高水平可达o 8 5 0 9 0 。 3 ) 提高指示效率，减少吸气过程、压缩过程、输气过程和吸排气阀的启闭特性不 良所造成的功率损失。在目前电冰箱采用的往复式活塞制冷压缩机基本结构和加工条件 下，使得旋转电动机效率达到0 7 5 、机械效率达到0 8 5 、指示效率达到0 8 0 ，从而使得 工质为r 6 0 0 a 的制冷压缩机的实际c o p 值达到1 4 8 ，比较经济合理。但是，采取一切 可能的改进措施后，让目前的旋转电机驱动的活塞式制冷压缩机的c o p 值达到1 7 0 1 8 0 很困难，并且其成本和价格也会大幅度上升。 4 ) 采用变频调速技术，能大大提高压缩机的c o p 值，能够达到1 7 01 8 0 。目前 国际上著名的压缩机公司如丹佛斯、恩布拉科等都在开发生产这种变频压缩机，但这种 技术主要是采用直流永磁无刷旋转电动机，要求解决低速运转时的振动和润滑油供给、 高速运转时的轴承负荷、摩擦和磨损等问题，控制系统也比较复杂，大大增加了压缩机 整机设计和制造成本，不经济实惠i ”】。 2 34 56 78 9 1 吸气阙2 排气阀3 阀板及缸头4 气缸5 活塞 6 。活塞杆7 十字滑块8 连杆9 。曲轴 图1 1 旋转式电动机驱动的往复式活塞压缩机原理图 从以上分析可知，传统的电冰箱用压缩机大多是采用旋转电动机驱动的往复式活塞 压缩机，如图1 1 所示，近几年发展较快，性能指标也得到了很大提高。目前国内生产 电冰箱用压缩机厂商通过引进国外先进技术和生产线，经过多年的研究和开发，在制冷 压缩机领域具备了较高的设计和生产能力，如加西贝拉压缩机有限公司、广州万宝集团 有限公司、上海海力集团一日立电器等等企业，特别是加西贝拉压缩机有限公司生产的 z b s l l l 4 c y 和z b c l l l 4 c y 压缩机通过了省级技术创新项目及省级新产品的鉴定，c o p 4 浙江大学博士学位论文：动磁式直线压缩机理论与试验研究 值在1 7 0 以上，特别是z b s l l l 4 c y 压缩机达到了1 7 8 【1 5 ，成为了国内电冰箱用压缩机 行业的排头兵。 传统的往复式活塞压缩机，发展历史悠久，技术成熟，性能可靠，但存在着较多的 结构、润滑、密封、与制冷工质匹配等方面的缺陷，主要表现在以下几个方面 1 6 - 1 9 1 ： ( 1 ) 结构复杂、成本高。曲轴、连杆、轴瓦以及滑块等制造工艺复杂，d h t 成本高， 体积大，易损件多。 ( 2 ) 整机动力性能差，噪声大。由于曲柄连杆机构将电动机的旋转运动转换为活塞 的往复直线运动，机体受到周期性的往复力和倾覆力矩，从而引起较大的振动和噪声。 ( 3 ) 排气系数小。考虑到整体结构的紧凑性，曲柄连杆尺寸不宜过大，且相对余隙 容积较大，导致排气系数较低，微型活塞式压缩机的排气系数一般在o 6 o 7 左右。 ( 4 ) 机械效率低。电动机将电能转变为旋转机械能，通过曲柄连杆机构将旋转运动 转变为活塞的往复运动，能量传递环节多，十字滑块和活塞受侧向力作用，产生较大的 摩擦力，且不可避免地存在旋转摩擦功耗，因此，整机的机械损失较大，机械效率较低。 ( 5 ) 对旋转电动机的设计制造提出了更高的要求。电冰箱压缩机绝大部分为全封闭 式，即压缩机与驱动电动机封闭在同一壳体内，容量小，但运转速度快，需要频繁起动 和停止，这样电动机往往会出现主轴过度磨损、温升严重以及电动机漏电等情况。 正是由于传统的往复式活塞压缩机具有以上一些缺陷，要想再大幅度提高其性能已 很困难，虽然目前采用变频技术能大大提高压缩机的c o p 值，但不经济实惠。因此， 必须研究和开发一种新型高效制冷压缩机，才能从根本上大幅度提高现有电冰箱的制冷 性能和能效比。 随着现代电力电子学、计算机技术、永磁材料的发展，直线电动机逐步发展起来， 为压缩机活塞往复直线运动提供了新的驱动方式，这种采用直线电动机直接驱动的往复 式活塞制冷压缩机( 简称“直线压缩机”) ，能够大幅度提高电动机效率和机械效率， 从而达到大幅度提高往复式活塞制冷压缩机的性能系数和能效比的目的。直线压缩机作 为一种高效制冷压缩机的替代机型，国外己进行了大量的研究 2 0 - 2 4 】，而国内对直线压缩 机的研究和开发起步较晚，只有少数研究机构进行了研究，并且以动圈式直线压缩机研 究和开发为主，对于动磁式直线压缩机的研究还没见报道。因此，本论文以“动磁式直 线压缩机”为主题，采用理论分析、计算机数值仿真与实验研究相结合的方法进行研究。 所谓“动磁式直线压缩机”，就是采用动磁式直线振荡电动机驱动活塞作往复直线 第一苹绪论 运动的一种往复式活塞制冷压缩机。本文研究的目的主要在于探索和分析这种新型制冷 压缩机运行的内在机理，在此基础上建立一套动磁式直线压缩机产品的设计和开发方 法，为该种压缩机产品的开发生产和推广应用奠定基础。 目前，我国冰箱压缩机行业经过1 0 余年的努力，已拥有2 0 多家生产企业，年生产能 力2 0 0 0 万台，并且每年以1 6 的速度增长，市场需求正向无氟、高档次、大型化、多门、 多温、多功能、电子化和节能型方向发展。据统计，冰箱用电现在已占居民用电的5 0 ， 按照目前的冰箱能耗和生产水平，在今后1 5 年内生产的冰箱将在其预期寿命内消耗6 0 1 0 亿度电，这些冰箱将需增力n 5 7 0 0 m w 的发电量，消耗4 0 0 多亿元的投资，同时排放大量 的c 0 2 年n 温室气体。如果每台电冰箱节电0 1 k w h 2 4 h 1 0 0 l ，全国每年节电量价值将达 l o 亿多元口“。直线压缩机的研究和开发，正是在这一背景下逐步发展起来的，它能够大 幅度提高压缩机的效率，提高家用电冰箱的能效比，促进c f c q - 质的替代，是目前最简 便、成本最低的降低电冰箱能耗的措施之一，对于大大缩短我国在制冷工业领域与发达 国家的差距，促进我国冰箱、空调等制冷工业的节能和发展具有重大的社会意义和现实 意义，具有广阔的发展应用前景。 1 2 直线压缩机的工作原理与分类 直线压缩机主要是伴随着直线电动机驱动技术的发展而逐步发展起来的。直线电动 机是一种能将电能直接转换成直线运动的机械能的动力装置，是一种能够提供大功率、 高推力的主要驱动元件，是2 0 世纪下半叶出现的具有新理论、新原理的直线驱动新技 术 2 6 ，在工业、军事、民用等领域中得到了广泛的应用。由于它能直接产生连续单向或 往复短行程的直线机械运动，改变以往以链条、钢丝绳、传送带、齿条丝杠、涡轮蜗杆 和曲柄连杆机构等传统的中间机械传动变换环节，克服了传统机械转换机构的传动链 长、体积大、效率低、响应慢、精度低等缺陷，从而为往复式活塞制冷压缩机提供了一 种新的驱动方式，也直接推动了其新原理与新结构的创新与发展。直线电动机根据工作 原理的不同，可以有很多种类型。从原理上来说，任何一种直线电动机( 直线感应电机， 直线直流电机、直线同步电机、直线步进电机) 都可以用作直线往复运动的驱动和执行 器，从而作为直线压缩机的驱动源。根据驱动源直线电动机的类型来划分，目前直线压 缩机主要有以下三种类型：电磁振动压缩机、直线电动压缩机以及直线步进电机驱动的 直线压缩机等三种类型。 6 浙江大学博士学位论文：动磁式直线压缩机理论与试验研究 1 ) 电磁振动压缩机 电磁振动压缩机主要是采用直线同步振荡电动机驱动的往复式活塞压缩机，它是利 用电磁力和机械弹簧共振原理，直接推动活塞作往复直线运动，其动子的振荡频率严格 受交流电源频率的控制。按照直线同步振荡电动机驱动方式的不同，电磁振动压缩机又 可以分为动圈式直线压缩机、动铁式直线压缩机以及动磁式直线压缩机三种类型。 图1 2 动圈式直线同步振荡电动机示意图 图l - 3 动铁式直线同步振荡电动机示意图 其中，动圈式直线压缩机主要是采用动圈式直线同步振荡电动机( 如图1 2 所示) 驱动的往复式活塞压缩机。根据动圈式直线同步振荡电动机励磁方式的不同，动圈式直 线压缩机又可以分为线圈通电励磁以及永久磁铁直接励磁的两种结构型式的直线压缩 机，分别如图1 4 和1 5 所示。 1 激磁线圈2 ，轭铁3 阀板组件 4 。吸气阀5 排气阀6 括塞 图1 4 电励磁的动圈式直线压缩机 1 轭铁2 动圈3 阀板组件4 吸气阆 5 排气阀6 活塞7 永久磁铁 图1 5 永久磁铁励磁的动圈式直线压缩机 动圈式直线压缩机主要是将直线同步振荡电动机中缠绕着线圈的动子通过支撑件 第一章绪论 与活塞、弹簧连接在一起，当线圈通以交流电时，在磁场中就能切割磁力线，产生电磁 推力，从而推动气缸中的活塞作轴向往复直线运动。当压缩机整个系统的共振频率与交 流电源频率一致时，就能以最小的电磁力来驱动活塞在要求的行程范围内作往复直线运 动。这种动圈式直线压缩机一方面具有动子质量轻、惯性小、振荡频率高、反应灵敏、 起动电流低、能量损失小、结构简单、制造费用低等优点，并且设计容易，能较好地控 制活塞行程，动圈上不存在径向力和扭矩，没有空载时的轴向力存在，磁场能提供稳定 的磁通，不存在磁滞损耗。另一方面，由于磁路的气隙小，行程长时，驱动力相对较小； 行程短时，驱动力则增大；而且线圈通电，要消耗一部分能量，致使效率有所下降，限 制了动圈式的使用，一般不适用于较大功率的压缩机。 动铁式直线压缩机主要是采用动铁式直线同步振荡电动机( 如图1 3 所示) 驱动的 往复式活塞压缩机。其动子用铁心材料做成，通过支撑件与活塞、弹簧连接在一起，当 励磁线圈通以交流电，就能产生交变的磁场，从而吸引铁芯轴向运动，进而推动气缸中 的活塞作轴向往复直线运动。这种压缩机动子质量轻、惯性小、振动频率低，与相同体 积的其它压缩机相比能产生较大的驱动力，压缩比也较大，但动子在磁场气隙中的运动 是不稳定的，容易偏离气隙中心轴线，从而在活塞上产生很大的径向力 2 8 - 2 9 ，增加了活 塞与气缸之间的摩擦和磨损，应用中性能无法与其它类型的压缩机相比，将逐渐被淘汰。 图1 6 动磁式直线同步振荡电动机示意图 动磁式直线压缩机主要是采用动磁式直线同步振荡电动机( 如图1 6 所示) 驱动的 往复式活塞压缩机。其振荡电动机静子由内外铁芯组成，外铁芯上缠绕着环形的励磁线 圈，在端部形成磁极，动子由永久磁铁组成，通过支撑件与活塞、弹簧连接在一起，如 图1 7 和图1 8 所示。振荡电动机工作磁场由两部分组成，一部分是由励磁线圈产生的 交变磁场，一部分是由永久磁铁产生的恒定磁场，在两个磁场的相互作用下，产生轴向 的电磁驱动力，进而推动气缸中的活塞作往复直线运动。 浙江大学博士学位论文：动磁式直线压缩机理论与试验研究 1 活塞2 内铁芯3 外铁芯 4 动磁铁5 线圈6 板簧 图1 7 动磁式直线压缩机一 1 非线性导杆2 柳级铁芯3 线圈4 铁磁 图1 8 动磁式直线压缩机- 。 这种压缩机动子质量和振动频率介于前两者之间，设计时需要考虑非线性磁导、磁 场的边端效应、电涡流损失等因素的影响，大大增加了分析设计的难度田 ，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。 表1 2 直线压缩机3 种电机型式的比较 项目 动圈式动铁式 动永磁式 动体线圈铁芯( 强磁性体)永磁体 电磁力电动力磁动力磁动力 惯性小大大 上限频率 2 06 06 0 2 ) 直线电动压缩机 3 0 - 3 4 】 直线电动压缩机主要是采用直线感应振荡电动机驱动的往复式活塞压缩机。用圆筒 型直线感应电机代替电磁式压缩机的电磁弹簧共振动力系统，电机次级铁芯直接固定在 活塞上，初级由开槽的圆形硅钢片叠压形成，槽中交叉缠绕着环形线圈。将环形线圈中 通以三相交流电，在气隙中产生恒定的行波磁场，使铁芯在恒定的电磁力作用下，推动 活塞沿气缸轴线向一个方向运动，运行速度随气缸内气体压力变化而变化，气体压力越 高，活塞运行速度越低。当活塞运行到限位传感器时，次级铁芯与活塞在气体压力作用 下减速、停车、反向运动；当活塞反向速度达到某一值时，电机初级线圈反向通电，次 级铁芯及活塞反向继续运行，直至再次碰到限位传感器后，开始重复循环运行。这种压 缩机改善了性能和结构，整机效率高，活塞行程长，往返频率低，降低了运行噪声，活 9 第一章绪论 塞运行速度和行程与电源频率无关，可按要求设计。但压缩机活塞行程与换向控制及供 电系统要比电磁式压缩机复杂。 捌 、 n n 园n n 月n n 圈r u l 、 岫：l瓣簿 u u l 且九r u l u m 枷 胡瓣 n 几r u v 叽几n 们删 |w 圆1 严留w r ills| | ” | 吸气阀2 排气阀3 气缸目活塞5 支撑弹簧5 运动轴7 直线步进电动机8 支座 1 9 直线步进电机驱动的直线压缩机 ) 直线步进电机驱动的直线压缩机( 3 5 - 3 7 】 是一种将电脉冲信号转换成微步直线运动的驱动装置，如图1 9 所示。只要输入 个较小的电脉冲，就能产生一个较大的推力和微步直线运动，无需位置传感器，在系 环控制的条件下，就能提供优良可靠的位置和速度控制功能，简化了压缩机的控制系 ，扩大了压缩机的使用范围，降低了制造成本。但这种压缩机安装精度较高，目前处 研究开发阶段。 3 直线压缩机的特点 于传统的往复式活塞压缩机，长期以来，其活塞的往复直线运动仍然是“旋转电 机+ 曲柄连杆机构”。近几年来，直线电机驱动技术逐步发展起来，并得到了日益广 的应用，这为制冷压缩机活塞的往复直线运动提供了新的驱动方式。根据前面关于直 压缩机的工作原理和类型的分析，直线压缩机是通过直线振荡电动机以电磁共振方式 作的，不同于常规往复式活塞制冷压缩机是通过旋转电动机以机械连接方式驱动，具 与传统旋转电动机驱动的活塞式制冷压缩机不可比拟的优点，主要表现在以下几个方 m 2 4 t 8 3 蚋： ) 由于直线压缩机是将提供驱动力的直线电机与压缩机做成一体化的机电产品， 去了将旋转运动转变为活塞直线往复运动的中间转换机构，支承部件大为减少，从而 其总体结构紧凑，体积小，并且减少了中间转换机构所引起的摩擦损失。 0 第一苹绪论 塞运行速度和行程与电源频率无关，可按要求设计。但压缩机活塞行程与换向控制及供 电系统安比电磁式j 矗缩机复杂。 2 崩一 醐2 丌1 1 吸气阑2 排气阀3 气缸4 话塞5 支撵弹簧6 运瓣自t ，直线步进电跏帆8 支虚 图l9 直线步进电机驱动的直线压缩机 3 ) 直线步进电机驱动的直线压缩机。3 7 】 它是一种将电脉冲信号转换成微步直线运动的驱动装置，如图1 , 9 所示。只要输入 一个较小的电脉冲，就能产生一个较大的推力和微步直线运动，无需位置传感器，在系 开环控制的条件下，就能提供优良可靠的位置和速度控制功能，简化了压缩机的控制系 统，扩大了压缩机的使用范围，降低了制造成本。但这种压缩机安装精度较高，目前处 在研究开发阶段。 1 3 直线压缩机的特点 对于传统的往复式活塞压缩机，长期以来，其活塞的往复直线运动仍然是“旋转电 动机+ 曲柄连杆机构”。近几年来，直线电机驱动技术逐步发展起来，并得到了日益广 泛的应用，这为制冷压缩机活塞的往复直线运动提供了新的驱动方式。根据前面关于直 线压缩机的工作原理和类型的分析，直线压缩机是通过直线振荡电动机以电磁基振方式 工作的，不同于常规往复式活塞制冷压缩机是通过旋转电动机以机械连接方式驱动，具 有与传统旋转电动机驱动的活塞式制冷压缩机不可比拟的优点，主要表现在以下几个方 面e 2 0 - 2 4 3 & ”l ： 1 ) 由于直线压缩机是将提供驱动力的直线电机与压缩机做成一体化的机电产品， 省去，将旋转运动转变为活塞直线往复运动的中间转换机构，支承部件大为减少，从而 使其总体结构紧凑，体积小，并且减少了中间转换机构所引起的摩擦损失。 使其总体结构紧凑，体积小，并且减少了中问转换机构所引起的摩擦损失。 1 0 浙江大学博士学位论文：动磁式直线压缩机理论与试验研冗 2 ) 由于直线电机提供的驱动力始终与活塞的运动方向一致，作用在活塞上的侧向 力非常小甚至为零，大大减小了往复摩擦力，降低了气缸与活塞之间的磨损和噪声，提 高了压缩机的效率，延长了使用寿命，易于实现无油润滑。 3 ) 由于直线压缩机的活塞行程属于自由活塞行程，不受机械结构的限制，通过控 制系统极易实现对压缩机排气量进行连续的调节。 4 ) 由于直线压缩机的驱动系统是非刚性的，可避免内部机构的碰撞而造成的零部 件损坏，同时运动部件的减少降低了成本，提高了压缩机的可靠性。 5 ) 直线电机容易做到无刷无接触运行、反应速度快、随动性好、适应性强、容易 密封、控制方便、定位精确。 正是由于直线压缩机具有以上一些优点，使得它获得了比传统旋转电动机驱动的往 复式活塞压缩机更高的效率，并且结构紧凑、体积小。 近几年，随着高能永磁体开发成功，特别是稀土永磁材料钕一铁一硼( n d f e b ) 高能 永磁体发展迅速，价格越来越便宜，能使赢线压缩机结构更加高效和紧凑；而且，少量 的n d f e b 在电动机中就能获得高的能量强度和较高的效率，并且相对于其它压缩机， 其运动部件的质量要轻的多，有利于谐振弹簧的设计。因此，采用高能永磁型直线振荡 电动机驱动的直线压缩机，能使体积更小，效率更高。但其压缩机原理复杂，系统设计 需要考虑永久磁铁的非线性磁导、磁场的边端效应、电涡流损失等因素的影响，因而增 加了设计和开发的难度。其中，动磁式直线压缩机就是采用这种赢能永磁型直线振荡电 动机作为驱动源的直线压缩机的典型代表，正是由于动磁式直线压缩机具有结构更紧 凑、体积更小、动力更大、效率更高的特点，将其作为现代电冰箱的核心驱动源，必将 大大提高电冰箱的制冷性能和能效比，这也是本论文将其作为主题进行研究的重要原 因。 1 4 直线压缩机的研究现状 1 4 1 国外直线压缩机的研究现状 国外对直线压缩机的研究，主要是伴随着直线电动机的发展而逐步发展起来的。 早在1 9 世纪末与2 0 世纪初就有人从事直线电动机的研究，1 8 4 0 年英国人惠斯顿 4 0 1 ( c h a r l e s w h e a t a t o n e ) 发明了世界上第一台直线电动机4 “，由于气隙过大，效率很低。 第一章绪论 当时研究直线电动机的目的有两个，其一想用来推动织布机上的梭子，其二想用它作为 推动列车的动力，但均未获得成功。在以后的一段时期内，虽有少量的研究成果，但都 未进入实用阶段。直至上世纪5 0 年代，随着核动力的发展，需要抽吸钠钾混合物之类 液态金属，1 9 5 4 年，美国率先成功研制了作为核工业用的利用直线感应电动机原理的电 磁泵，1 9 5 6 年英国的l a i t h w m t e 等发表了有关直线电动机的理论。1 9 6 6 年英国出版了 l a i t h w a i t e 的著作特殊用途感应电动机，为直线感应电动机理论奠定了基础。还有， 日本的山田一教授撰写了多本有关直线电机的著作 4 2 - 删。 随着2 0 世纪5 0 年代直线电动机的研制成功，许多人在此基础上将直线电动机作为 压缩机活塞往复运动的驱动源，并申请了相应类型压缩机的发明专利，当时有 n a h a m a nc 4 引、r i m s t a d 46 1 、g i l b e r t t 47 1 、v o nd e l d e n 4 8 1 和s a r v e d 4 9 1 等人申请了动圈式直线压 缩机专利。这一时期，直线压缩机得到了较快的发展，比较有代表性的直线压缩机有两 种，分别称为d o e l z 压缩机和c h a u s s o n 压缩机。d o e l z 压缩机是一种单作用双气缸的动 圈式直线制冷压缩机，是1 9 5 4 年由德国人h e i n r i o nd o e l z 申请的美国专利”0 1 。c h a u s s o n 压缩机是1 9 5 5 年由法国人l a v i g n e 口l 】在他的法语专著“e l e c t r o m a g n e t i cc h a u s s o n c o m p r e s s o r ”中介绍的一种动磁式直线压缩机，并由p e r r o n n e 【5 2 推出了其商业化样机，