线性压缩机用动磁式直线电动机

线性压缩机用动磁式直线电动机研究摘要：讨论了一种新型直线压缩机驱动用动磁式直线振动电机的研制过程。通过对直线电机结构特点的分析和抽象，建立了磁路物理和数学模型。求解电机动子的动力学方程和驱动电路和电压方程，得到了驱动电压与动子位移的关联式并分析了电机参数对动子运动特性和电机性能的影响。为了进一步对电机的电磁场进行优化，运用电磁场理论和有限元方法，求解得到的磁通分布为设计提供了指导同时也揭示了电磁力产生的机理。最后，利用研制的直线电机样机静态特性实验数据验证了数值分析的有效性。数据的分析还揭示了动磁式直线电机的力-位移-电流之间的关系，为压缩机的整体和电机控制系统设计奠定了基础。关键字：动磁式直线电机磁路分析动态特性电磁场分析0前言压缩式制冷循环是制冷的主要方式之一，在冰箱、冷冻冷藏、空调、以及低温系统中有着广泛的应用。由于直线压缩机在结构上省去了运动转换装置，直线电机动子直接驱动活塞运动，而且其行程可以由电压直接控制，使其具有结构紧凑、效率高、寿命长等优势，国内外众多机构投入力量对其进行研发[1]。作为直线压缩机的驱动部分，直线电机的性能直接影响整个压缩机的性能。直线电机主要利用电磁力和机械共振原理,直接推动活塞往复振动进行工作。按照电磁驱动方式可以分为：动圈型、动铁型及动磁铁型，其电机类型属于同步振荡型直线电机。动圈型直线电机，其直线驱动电机励磁采用永久磁铁提供，或者采用线圈通直流电产生，运动线圈通过支撑件与活塞、弹簧连接在一起，置于强磁场中。运动线圈通以交流电，在磁场中就能切割磁力线，推动气缸中的活塞作轴向往复运动。当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运动[2]。这种压缩机设计容易，能较好地控制活塞行程，并且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，但由于磁路的气隙小，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，存在联接动圈的飞线，使其在长时间运行时的可靠性下降，一般不适用于较大功率的压缩机。目前大多数的直线压缩机均采用了这种电机形式。动铁型直线压缩机，其直线驱动电机由静子上励磁线圈产生，动子用铁心材料做成，通过支撑件与活塞、弹簧连接在一起，置于强磁场中。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往复运动。这种压缩机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，但这种压缩机在气隙中的运动是不稳定的，容易偏离气隙中心轴线，在活塞上产生很大的径向力。动磁铁型直线压缩机，其驱动直线电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。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，产生轴向的驱动力，进而推动活塞往复直线运动。这种压缩机与前面两种压缩机相比，能使压缩机结构更紧凑，体积更小，动力更大，因而效率更高。而且，由于励磁线圈位于定子磁轭中，减小了由于动圈式电机铜线由于受热引起的有机成份的散发，有利于保持工质的纯净，这一点对于空间用斯特林和脉冲管制冷机意义重大。总之，动磁式直线电机推力大，动子质量小，结构简单可靠，更适合于制冷低温用直线压缩机。本文首先利用线性化磁路法对动磁式直线电机的磁路进行了分析，得到了适用于电机设计的电机力和反电势与电机尺寸和励磁电流的表达式。在此基础上，结合直线压缩机的工况，对电机动子动力学特性进行了分析。为了进一步优化电机电磁场，通过对Maxwell方程的数值解，对磁路进行再组织的同时对电机性能进行了分析。最后，对所研发的动磁式直线电机性能进行了实验分析，并与数值分析结果进行了对比，结果证明本文研制的直线电机能够满足直线压缩机的要求。1动磁式直线电机的研制1.1动磁式直线电机样机结构和工作原理图1：动磁式直线压缩机结构示意本文根据直线压缩机的实际性能需求和特点，设计了一台动磁式直线往复电机，样机的结构和主要组成部分如图1所示。图中由轻质金属制成的活塞与电机动子通过螺钉联接形成整体后与柔性弹簧相连。径向充磁的永久磁体处于由内外磁轭构成的气隙中，当励磁线圈通过正弦波交流电时，气隙中形成交变的气隙磁场，永磁体受到交变的电磁力，从而推动电机动力往复运动，与柔性弹簧形成一谐振系统。进排气阀均布置在机座上，气体通过进气阀进入压缩腔，被压缩后由排气阀排出气缸。1.2直线电机磁路设计图2:动磁式直线电机磁路分析动圈式直线电机由永磁体产生气隙磁场，载流导线在稳恒磁场中受安培力的作用，其磁路、力、电特性相对简单[3]。而对于动磁式直线电机，其力的产生依赖于电流励磁磁场与永磁体磁场的相互作用，其表达式不能用安培力（F=Bil）简单的表达。由于磁路涉及到两个场的迭加，因此磁路的组织和磁通变化对励磁电路的影响相对复杂。通过分析，运用磁电类比原理，动磁式直线电机的磁路可以抽象成如图2所示。图中将分布的气隙和磁轭磁阻参数等价为集总参数，而且涉及到的频率及尺寸使麦克斯韦方程中的位移电流项可以忽略，并且假设不存在漏磁通[4]。麦克斯韦方程的磁准静态形式使磁场与产生磁场的电流相关联[5]。通过磁路分析法可得到电磁力与绕组电流、电机几何尺寸、永磁体性能有关。在略去的非线性项中，电磁力还与动子的位移有关，并表现出电磁力当动子在平衡位置时力大，在振幅顶端时减小的变化特性。由于非线性力项的大小比式(1)所示的要小很多，所以式(1)作为初步设计的表达式其精度是可以满足需要的。（1）1.3直线电机动力学设计对于如图1所示的阻尼振动系统，用动子的运动方程和励磁电路的电压方程来描述整个系统的动态特性[6]。（2）（3）式中，v0(t)为输入电压，i为励磁电路电流，R励磁电路电阻，Ψ为磁链()，M为往复运动部分的质量，K为机械刚度（Ke）和压缩腔气体刚度（Kg）的和，D为振子运动阻尼为压缩腔当量气体阻尼（Dg）和机械阻尼(De)的和，ffld(x,i)为电气推力。对式（2），（3）求解可以得到电动机的动力学特性。1.4设计中要考虑的其它因素从上述的磁路及电路分析可以看出，动磁式直线电动机设计中需要考虑的问题是:1.为了提高效率，可以加大电动机的磁负荷，也即选用性能更好的永磁材料和导磁材料；选用更好的支撑材料和工艺，尽量减小电机的气隙；减小电动机的电负荷及选用导电率更高的材料。2.欲增加电动机功率，可以加大电动机的电磁负荷，但增加电磁负荷会导致电机发热，因此必须对动磁式直线电机进行合理的热设计。3.直线电机的设计必须考虑压缩机的热力学工况。2永磁直线电动机的电磁场分析以上分析了永磁直线电机的磁场和动力学特点，其中对磁路的分析采用了集总参数模型，为了对永磁直线电动机的性能进行优化设计，并考虑涡流、漏磁对性能的影响，需要对电动机的电磁场进行深入的分析。2.1电机电磁场有限元分析方法本文电动机结构较为复杂，而且存在永磁材料和非线性永磁材料。在AnsoftMaxwell软件平台下采用有限元分析方法对电动机的电磁场分布，电动机性能进行了分析，为电动机的结构优化和性能提高提供了研究基础和理论依据。电机中的电磁场问题可由偏微分方程边值问题得到一个能量泛函的积分式，在第一类边界条件的前提下取极值，即构成条件变分问题。同时，将场的求解域剖分成有限个单元，并在单元中构造出合适的插值函数。然后，将能量泛函离散化为多元函数，根据极值原理，将得到的方程组由第一类边界条件作修正并借助于电子计算机求解[7]。2.2电机电磁场数学模型电磁场的经典描述是麦克斯韦方程组，电机电磁分析一般采用位函数表示，位函数比场量本身更容易建立边界条件。而使用矢量磁位可以很方便的绘出磁力线分布并求出磁通。图3：动磁式直线电电动机数学学模型图4：电机电磁场网网格剖分图图3动磁式直线电机样机及静态性能图5：动磁式直线电电机样机（定定子）图6：实验装置示意意图本文测试的直线电机如图5所示。定子外径120mm，长度65mm，质量2.21Kg；动子外径73mm，长度86mm，质量0.41Kg。永磁体采用高性能的NdFe35永磁材料。在不改变励磁电流方向的状态下，直线电机动子所受的水平推力与动子位置之间的关系称为静态力-位移特性。对于线性压缩机而言，由于气缸内气体弹簧刚度与活塞行程之间的非线性关系，使得电机在整个压缩过程中必须提供与之匹配的推力。电机动子位移和力的关系是分析电机性能的重要指标。图6是动磁式直线电机静态力-位移特性测试实验装置图。整个测试在C620H型号机床上完成。机床可以保证良好的对中性能，而且也便于对位移的控制与测量。百分表用于测量位移，TK-10型测力计用于测量电机拉力。实验时，利用专用的测试模具将电机固定，将电机动子与轴相联。由直流电源给电机的线圈通恒定的直流电。转动手轮，螺杆前进，动子移动，待稳定后，记录紧顶在动子上的百分表及拉力传感器的计数，通过换算就可以得到动子的位移和所受的推力。调节励磁电流的大小和动子的位置即可测出静态力—位移特性曲线。4结论1）本文设计的新型动磁式直线电机电磁场分布合理，动子质量小，推力大，能够满足直线压缩机的需要。2）提出的直线电机磁路及动力学分析模型，能够较好的用于直线电机的性能分析和对设计的指导。有限元分析模型能够有效的预测电磁场的分布，揭示了动磁式直线电机电磁力产生的机理为进一步的优化设计提供指导。3）通过实验和理论分析，揭示了动磁式直线电机的力-位移和电流-力特性，这一特性对于压缩机的整体设计十分重要。参考文献[1]谢洁飞,金涛,童水光,直线压缩机的研究现状与发展趋势[J],2004年第32卷第12期,流体机械,31-35[2]阎治安,高小赟,易萍虎,压缩机驱动用直线永磁电动机的研究[J],西安交通大学学报,第9卷，第2期,2005年2月,191-195[3]黄声华,陶醒世,傅光洁,音圈电机的数学模型及仿真[J],华中理工大学学报,第24卷增刊(Ⅱ),1996年8月68-71[4]A.Poornima,T.S.Hsu,movingmagnetloudspeakersystemwithelectroniccompensation[J],IEEProc-CircuitsDevicesSyst.Vol.148,No.4.August2001[5]A.E.Fitagerald,CharlesKingsley,electricmachinery(sixthedition)[M],publishin