直线压缩机在制冷领域中的应用

直线压缩机在制冷领域中的应用

1直线电机在压缩机驱动方式中的应用目前，国内外研究和开发的大部分活塞式压缩机采用旋转电机，并通过倾斜弹簧、杆连接机枪等机械传动系统将电机的旋转运动转换为动态直线运行。这类压缩机技术成熟、性能可靠、工作寿命长,但其活塞行程较短、往复频率高、结构复杂,特别是能量传递环节多,振动和噪声大,致使整机难于控制,机械效率很低(一般为30%～40%)。由于进一步提高该类压缩机的效率很难取得突破,而采用新的压缩机驱动方式是一条很好的途径。直线电机是近十多年来发展起来的一种新型电机。早在19世纪末20世纪初就有人从事直线电机的研究,但未获得成功。20世纪50年代中期以来,控制与材料科学技术的飞速发展和新型控制元器件的不断出现使得直线电机的理论和应用获得了迅速的发展,在国民经济的许多部门中,凡需要用直线运动的场合均可用直线电机来完成。与旋转电机不同,采用直线电机作为驱动源,不需要曲柄机构、凸轮机构和偏心轮机构等中间传动机构,就能直接推动工作部件作往复直线运动,具有结构简单、控制容易、精度高、振动小、噪音低等优点。直线电机具有的这些优点为人们开发新型结构的压缩机、改善压缩机性能、大幅度提高压缩机的效率以及节约能源提供了机遇和条件。直线压缩机主要是利用直线电机驱动技术驱动压缩机活塞作往复直线运动,由于它可以克服传统压缩机采用旋转电机驱动压缩机活塞作往复直线运动的缺点,逐步成为国内外的研究热点。2几种直线压缩机外对于直线压缩机的研究已有几十年的历史,主要应用于航天或军事领域的小型低温制冷循环系统,作为斯特林型制冷机和脉管型低温制冷器的压力波发生器,比较有代表性的是荷兰飞利浦公司开发的作为斯特林制冷机用的动圈型直线振动压缩机以及美国Sunpower公司开发的一种作为脉管型低温制冷器用的磁铁可动型直线压缩机,这两种压缩机具有结构紧凑、体积小、重量轻、振动小、效率高等特点。随着人们对直线压缩机认识的不断加深,将其研究逐步从航天或军事领域转向民用领域,许多发达国家相继开展研究,其中,法国BARTHALON公司在20世纪70年代中期首先研制成功了一种电磁振动式空气压缩机,日本也成功制造一台A105-0920型空气压缩机。英国华人张卫民1996年发明了一种制冷压缩用直线压缩机,这种压缩机能够大大降低活塞移动的摩擦阻力及其磨损,能够通过气体的排出压力调整活塞的冲程,通过磁偶合理安排能够改善压缩机的能量效率,通过压缩机的串级连接可以输出高压气体。1998年,巴西船用压缩机有限公司的迪特马尔.E.B.莉莉等成功开发一种船用线性马达驱动压缩机。近年来,韩国和日本对直线压缩机的研究工作较为活跃,如:韩国LG株式会社朴贞植等成功研发的一种动磁式直线压缩机,具有结构紧凑、动力大和效率高等特点;日本松下冷机株式会社山本秀夫等于1998年研发了一台动磁式直线压缩机,该机型有利于制造和提高电动机的功率;另外,这两家公司还对直线压缩机的直线电动机、弹簧共振系统以及控制装置的结构和性能分别进行了改进和提高。目前,国外对直线压缩机的研究和试验处于领先地位,已形成了一套较完整的设计方法(主要应用于制冷领域)。相比之下,国内对直线压缩机的研究还比较少,尤其在理论设计控制研究方面做的工作很少,大大限制了直线压缩机的应用范围。20世纪80年代,国内在对国外直线压缩机技术进行引进、吸收的基础上进行过一些研究和开发,比如,汕头液压件厂生产的DCQ系列空气压缩机,北京小型压缩机厂生产的电磁吸引橡胶膜片式系列压缩机等,由于受技术水平所限,虽然体积小、使用方便,但排气压力小、效率不高且价格昂贵,无法取代当时的传统型压缩机。梁嘉麟于1986年发明了一种长行程低往复频率活塞式压缩机,解决了直线电机驱动时必须解决的活塞换向启动和行程控制这两大关键问题,电机功率只与活塞直径有关而与活塞行程无关,进而能够通过尽量加长活塞行程来达到增加工作压缩比和排气效率的目的,该机型尤其适用于简化工程上现有的多级压缩系统,为变多级压缩系统为单级压缩系统创造了条件。1991年顾兆林等成功开发的电磁线性驱动高压压缩机,能够连续提供高压纯净空气,用于制冷系统,不仅节省了大量充装高压纯净空气的保障设备和费用,而且具有启动方便、适时调节、可靠性高的特点。太原理工大学研制的动铁式和动磁式直线振荡电机驱动的压缩机,其性能指标:频率为50Hz,动子质量为2kg,动子行程为70mm,电机动子可以在0.25Hz范围内平滑地调节振动频率和振幅。1998年王建生等对复合次级直线电机驱动的活塞式压缩机进行了较深入的研究,着重分析了组合式和分体式两种结构方案的直线压缩机的驱动特性。3直线电机驱动的压缩机种类直线压缩机的类型根据所采用的驱动源直线电机的类型来划分,主要有直线同步振荡电机驱动的压缩机(简称“电磁振动压缩机”)、复合次级直线电机驱动的压缩机(简称“直线电动压缩机”)以及直线步进电机驱动的压缩机三种类型。3.1回转轴机型压缩机电磁振动压缩机利用了电磁力和机械共振原理,直接推动活塞往复振动进行工作。按照电磁驱动方式又可以分为:动圈型、动铁型以及动磁铁型,统称为电磁振动型,其电机类型属于振荡型直线电机。动圈型直线压缩机,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。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,一般不适用于较大功率的压缩机。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。3.2直线电机的工作原理直线电动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而成,槽中交叉缠绕着环形线圈。将环形线圈中通三相交流电,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。直线电动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,且活塞运行速度和行程与电源频率无关,可按要求设计。但其活塞行程与换向控制及供电系统要比电磁式压缩机复杂。3.3电脉冲快速开环直线步进电机驱动的压缩机是一种将电脉冲信号转换成微步直线运动的驱动装置,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,在系统开环控制的条件下,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。4u3000恒磁圈式直线压缩机国内外对直线压缩机的理论研究最早是通过对冷冻制冷机的小型化和提高制冷效果的研究而展开研究的。这种直线压缩机主要是采用直线振荡电机驱动的,整个系统是由机械系统、电磁系统、热力系统、控制系统耦合而成的机电一体化系统,其运行状态可以分别用力平衡方程(式(1))和电压平衡方程(式(2))表示:md2xdt2+cdxdt+kx=F−Fl(1)md2xdt2+cdxdt+kx=F-Fl(1)u=Ri+Ldidt+dψdt(2)u=Ri+Ldidt+dψdt(2)式中m——动子和负载的质量c——粘性阻尼系数k——弹簧的刚度F,Fl——电磁力,负载力i——励磁电流u,R——励磁线圈的电压、电阻L,ψ——励磁线圈的电感、磁链在式(1)(2)两平衡方程的基础上,针对具体结构类型的直线压缩机,采用Runge-Kutta法可以求得其数值解,在此基础上,对直线压缩机的各种性能参数进行研究。国内外不少学者对直线压缩机的性能进行了理论和实验研究。荷兰飞利浦公司实验室开发出了第一台斯特林直线制冷压缩机,Haarhius等对此进行了理论研究,Davey在对直线压缩机研究的基础上开发了一台微型斯特林制冷机,所有这些都是围绕从如何获得高效率、高可靠性、小型化、重量轻、能耗低以及快速冷却等方面对直线压缩机进行研究的。Deuk等对斯特林制冷机(SterlingCryocooler)中的动圈式直线压缩机工作参数进行了优化,提出了直线压缩机的一些内在规律,主要包括:固有频率随汽缸中气体排气压力增大而增大;在固有频率状态下工作时,活塞冲程最大,驱动力最小,输入电流与活塞冲程相位差正好为90°,并且活塞冲程随着输入电流增大而增大;输入电流与活塞冲程之间的相位差随工作频率增大而增大;Hiroshi等对压缩机中的共振弹簧进行了研究,提出采用气体弹簧能使压缩机更加紧凑,能获得比片簧和螺旋弹簧更高的可靠性。Maurizio等对直线压缩机建立了虚拟模型,用SimulinkandAdams软件对其进行了系统数值仿真和性能预测,优化了压缩机的整体性能。Masayuki等对直线步进电机驱动的直线压缩机进行了研究,认为无需位置传感器,就能对活塞的位置进行准确的控制。王建生等对复合次级直线电机驱动的空气活塞式压缩机进行了比较深入的理论研究,分析了活塞的运动规律以及机体在各种条件下的振动规律,讨论了各种设计方案和控制方案,提出了压缩机主要结构参数和性能参数的确定原则;但这些尚不完善,国内在对直线压缩机的理论方面应加强研发力度。5直线电机控制装置直线压缩机不仅需要性能良好的直线电机与机械弹簧共振系统,还必须有能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统。为了保证压缩机能处于最有效的工作状态,必须保证压缩机的工作频率始终与固有频率一致,这样能最大限度地吸收激磁能量,获得最大的压缩机效率,因此,设计开发一套简单可靠、性能稳定的控制系统至关重要。近年来,对直线电机的控制主要集中在两个方面,一是采用矢量控制技术、变频调速器、PID控制器等已有成熟的控制技术;二是研究适合于直线电机的控制理论和控制技术。国内外不少学者对此进行了研究,尤其是应用在高速精密机床上直线电机伺服控制技术的研究。但是对直线压缩机中直线电机控制技术的研究国内目前还未见报道,国外在研究直线压缩机工作状态过程中,提出了很多有效的控制装置和方法。美国艾尔克塞尔公司的艾萨克·迪曼斯坦设计了一种电器驱动器,对直线压缩机进行频率控制,通过侧量直线电动机的电枢所产生的反电动势,确定其频率大小,并将其频率调整为接近压缩机的谐振频率,从而控制压缩机工作,提高压缩机的效率。韩国LG电子公司采用模式识别的方法来控制直线压缩机,考虑由非线性特征造成误差的情况下控制TDC(上死点),并提高线性压缩机的运行效率,这种方法主要是通过检测线性压缩机运行中产生的电流和电压,计算并输出位移,通过位移和电流轨迹来检测模式,再将检测的模式与基准模式进行比较,当它们彼此一致时输出开关控制信号,根据开关控制信号,将冲程电压施加于线性压缩机,从而提高线性压缩机效率。韩国LG电子公司还提出了一种采用线性压缩机进行制冷剂压缩的电冰箱控制装置,该装置包括一个计算压缩机工作比计算单元、一个根据压缩机活塞冲程计算压缩机制冷能力计算单元以及一个根据所述工作比和制冷能力来控制活塞冲程的控制器,从而保持工作比恒定,在电冰箱的任何工作状态下都能够获得最佳系统驱动效率。日本松下电器产业株式会社植田光男等提出了一种直线压缩机控制装置,这种装置主要是由逆变器、电流检测、电压捡测、电流幅值确定、输出功率装置、频率确定装置以及逆变器控制器等部分组成,不通过活塞的位移反馈就能有效地控制压缩机稳定地工作。与传统旋转电机驱动的活塞式压缩机相比直线压缩机具有很多优点,并且消除了许多中间传动机构的弹性变形、间隙、摩擦等因素对系统精度的影响,但是,要想最大限度地克服各种干扰因素和提高压缩效率,必须针对直线压缩机系统的具体特点,研究更加有效的控制方法。纵观各种控制技术的发展,采用智能控制技术将成为直线压缩机最重要的控制方法之一。6高能永磁型直线电机驱动的直线压缩机由于直线压缩机可以获得比传统旋转电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,重量轻,目前在制冷领域已获得了一定程度的应用。直线压缩机的性能很大程度上取决于直线电机的性能,而在各种类型的直线电机中进行选择的标准主要是效率和结构尺寸。近年来,随着高能永磁体开发成功,特别是稀土