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装从上述的磁路膜及电路分析可闻以看出，动磁英式直线电动机熔设计中需要考斑虑的问题沫是倦:1.旬泰为了提高效率怨，可以加大电映动机的磁负荷添，也即选用性唉能更好的永磁疯材料和导磁材布料；选用更好谢的支撑材料和械工艺，尽量减宣小电机的气隙宇；减小电动机挂的电负荷及选产用导电率更高猴的材料沉。底2.状性欲增加电动机停功率，可以加铜大电动机的电侵磁负荷，但增准加电磁负荷会部导致电机发热尝，因此必须对划动磁式直线电繁机进行合理的完热设计馒。志3.珍宣直线电机的设挎计必须考虑压贸缩机的热力学编工况。础2临辱永磁直线电动糟机的电磁场分肯析乳以上分析了永援磁直线电机的摊磁场和动力学所特点，其中对淋磁路的分析采三用了集总参数吧模型，为了对龙永磁直线电动冤机的性能进行酿优化设计，并旅考虑涡流、漏成磁对性能的影让响，需要对电讯动机的电磁场害进行深入的分蚕析。可2.1过嚼电机电磁场有郊限元分析方法兼本文电动机结输构较为复杂，板而且存在永磁高材料和非线性竿永磁材料。蒸在胜Ansoft岗Maxwe声ll橡好软件平台下采生用有限元分析果方法对电动机慈的电磁场分布趁，电动机性能末进行了分析，刺为电动机的结递构优化和性能表提高提供了研仪究基础和理论其依据。截电机中的电磁软场问题可由偏芝微分方程边值庭问题得到一个欠能量泛函的积丹分式，在第一穗类边界条件的玩前提下取极值井，即构成条件跟变分问题。同布时，将场的求越解域树剖分成有限个码单元，并在单昨元中构造出合低适的插值函数净。然后，将能要量泛函离散化覆为多元函数，题根据极值原理挺，将得到的方传程组由第一类袍边界条件作修醉正并借助于电访子计算机求琴解先[7误]很。伯2.2宴绵电机电磁场数愈学模型怎电磁场的经典远描述是麦克斯而韦方程组，电摘机电磁分析一粗般采用位函数主表示，位函数奴比场量本身更吃容易建立边界鼠条件。而使用华矢量磁位可以扁很方便的绘出然磁力线分布并孟求出磁通。妥图确3滑：动磁式直线匙电动机数学模食型卵图什4形：电机电磁场扎网格剖分图贝3度切动磁式直线电鞭机样机及静态就性能烟图幕5蚂：动磁式直线笼电机样机（定诉子）旱图泛6阶：实验装置示捧意图箱本文测试的直倘线电机如损图决5敲所示。定子外玻径蹄120mm如，长度苹65mm许，质量姨2.21Kg呀；动子外径拢73mm猾，长度难86mm犁，质量汁0.41Kg骄。永磁体采用讲高性能航的鹰NdFe3位5输永磁材料。固在不改变励磁重电流方向的状棍态下，直线电沈机动子所受的眨水平推力与动危子位置之间的孔关系称为静态藏力衰-蛛位移特性。对谷于线性压缩机废而言，由于气痰缸内气体弹簧鼓刚度与活塞行京程之间的非线表性关系，使得列电机在整个压菊缩过程中必须结提供与之匹配裕的推力。电机塌动子位移和力卷的关系是分析弃电机性能的重散要指标。帽图名6膏是动磁式直线辣电机静态灵力辅-填位移特性测试干实验装置图。掘整个测试鞠在竹C620低H跃型号机床上完雄成。机床可以奔保证良好的对折中性能，而且张也便于对位移吧的控制与测量砖。百分表用于板测量位移立，姻TK-1鼓0宏型测力计用于嗓测量电机拉力凳。蚊实验时，利用卸专用的测试模女具将电机固定践，将电机动子状与轴相联。由粥直流电源给电枯机的线圈通恒匀定的直流电。乐转动手轮，螺竞杆前进，动子狗移动，待稳定尺后，记录紧顶走在动子上的百桐分表及拉力传割感器的计数，妥通过换算就可德以得到动子的嘉位移和所受的仍推力。调节励确磁电流的大小翻和动子的位置陶即可测出静态团力券—托位移特性曲线撞。4结论竹1寄）本文设计的捧新型动磁式直咐线电机电磁场撒分布合理，动羞子质量小，推悔力大，能够满部足直线压缩机椅的需要。愧2烫）提出的直线纳电机磁路及动量力学分析模型厦，能够较好的头用于直线电机吓的性能分析和催对设计的指导君。有限元分析践模型能够有效深的预测电磁场盈的分布，揭示把了动磁式直线胸电机电磁力产宁生的机理为进予一步的优化设走计提供指导。璃3刃）通过实验和役理论分析，揭肤示了动磁式直吓线电机的扶力丙-悔位移和电乳流垃-剥力特性，这一蝶特性对于压缩偶机的整体设计锤十分重要。参考文献泼[1]之柔谢洁按飞验,腥金贱涛晶,稼童水光蚁,礼直线压缩机的辫研究现状与发到展趋登势壤[J],20顺0码4西年俭第品3鸟2滥卷就第鸦1津2茂期谢,队流体机焰械延,31-35钩[2]等墙阎治仙安海,瞒高小哲赟内,奸易萍练虎誓,况压缩机驱动用贝直线永磁电动译机的研址究逝[J]青,岗西安交通大学装学安报蓝,御第斗9委卷，动第辨2醋期脱,200条5瞧年磨2冷月浇,191-1岸95苗[3]助歪黄声尤华拌,灌陶醒朱世辰,厦傅光说洁刮,针音圈电机的数拌学模型及仿召真喂[J]戴,厌华中理工大学陕学末报初,滴至第弦2旋4雾卷增佳刊塑(含Ⅱ块),199易6朱年抛8鞋月率68-71贿[4]A.肆Poorni梅ma,T.治S.Hsu,凭movin夕gmagn僚etlou镇dspeak芬ersyst愈emwit库helec处tronic丑compe口nsatio各n[J],泳IEEPr袜oc-Cir卷cuits撑Device齿sSyst嘱.Vol.1冬48,No钱.4.Aug呈ust20扛01邪[5]A.猜E.Fita室gerald迅,Char属lesKi宴ngsley铜,elec摇tricma皱chiner名y(six招thedi柳tion)火[M],p储ublish剩ingho决useof言elect寒ronic