直线压缩机的结构与效能分析

直线压缩机的结构与效能分析

0作为新型结构制冷压缩机原油是制冷系统的重要设备。与活冷设备相比，直线压缩机具有结构紧凑、体积小、能耗低、效率高的特点。引起了许多研究人员和公司的注意，并试验将其用作新型结构的冷却装置，以取代传统的交替式自动冷装置，以提高管道的性能，显著提高管道效率和节约能源。本文在分析和介绍直线压缩机的工作原理与结构的基础上,从直线压缩机的结构类型、动态特性、效能和控制方式等方面,总结了国内外研究现状、应用和发展状况,对国内研究存在的问题、研究的紧迫性、关键技术和发展前景进行了分析和展望。1驱动源直线电机的类型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,根据所采用的驱动源直线电机的类型来划分,目前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等三种类型。1.1动铁式压缩机电磁振动压缩机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。按电磁驱动方式又可以分为动圈式、动铁式以及电磁动磁铁式,统称电磁振动式,其电机类型属于振荡型直线电机。动圈式压缩机电机励磁由永久磁铁提供(永磁动圈式,见图1a),或者采用线圈通直流电产生(电磁动圈式,见图1b),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,当它加载交流电,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,一般不适用于较大功率的压缩机。动铁式压缩机电机励磁由静子上的励磁线圈产生,动子用铁芯材料做成,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他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。图2给出一种动铁式直线电机结构。动磁铁式压缩机静子由内外铁芯组成,外铁芯上缠绕着环形的励磁线圈,形成至少三个磁极。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;另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,见图3。近年来,随着高能永磁体的开发成功,少量的磁铁就能提供高的磁通量,使压缩机更加高效和紧凑化、质量小,有利于谐振弹簧的设计。但其原理复杂,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,增加了设计和开发的难度。1.2气体压力作用下的传动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,结构见图4。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。1.3可靠的部位和速度控制功能这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,它能提供优良可靠的位置和速度控制功能,但这种压缩机安装精度要求较高。直线步进电机驱动的压缩机按其电磁推力产生的原理可分为变磁阻式和混合式两类。而其中的混合式具有推力体积比大和断电自锁等特点,因此更具发展潜力。图5所示为圆筒型混合式直线步进电机的基本结构原理图,当两个励磁线圈中通入极性相反的电脉冲时,便在磁极中产生磁通的变化,根据磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻增大磁导的本性,电机定子、动子之间将产生一种使磁通通路磁阻尽量变小的倾向力,拉着电机动子到达该磁通对应的磁路磁阻最小的位置,使电机动子产生步进运动。2其他公司的直线压缩机国外对直线压缩机的研究开发已有几十年的历史,早期有代表性的有荷兰飞利浦公司开发的动圈型直线振动压缩机,以及美国Sunpower公司开发的一种用于脉管型低温制冷器的磁铁可动型直线压缩机。另外,法国BARTHALON公司在20世纪70年代中期成功研制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。90年代后期,美国Sunpower公司开发了用于家用制冷机的直线马达制冷压缩机,与现有的家用往复式压缩机相比,效率可提高15%到25%。同时,LG公司对直线压缩机实现了商用化,首次在DIOS冰箱中采用线性压缩机。日本松下、神钢、瑞典Electrolux、巴西Embraco等海外主要白色家电和压缩机生产企业也都已处在开发阶段。特别值得一提的是,国外企业都对相关技术实行了严格的封锁。随着研究的深入,直线压缩机已延伸至空调和热泵领域,经在功率为10.5kW的空调和热泵系统中测试,其性能稳定,而且压缩机能用一种稳定、低成本的控制装置对活塞运动和止点进行控制。根据公开的文献资料,有关研究主要分两条主线,一是直线压缩机基础理论的研究,以各高校和研究所的研究人员为主;二是产品开发和应用研究,主要是各压缩机生产企业,以韩国和日本的公司居多。文献信息也主要分为两类,一是期刊论文,二是专利。2.1气体弹簧和基本弹簧从国内外研究者发表的文献及专利看,结构研究主要集中于三种类型的直线电动机、弹簧共振系统以及控制装置的结构和性能的改进与提高上,目前有关直线压缩机的专利已超过数千件,主要集中在结构改进方面。尽管结构不同,但在弹簧系统方面改进较大,用于谐振的弹簧主要有片簧和盘形弹簧,但这两种类型的弹簧对大的活塞撞击不能保证高的可靠性,而且制造精度要求较高。为解决这个问题,Hasegawa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,但为防止气体泄漏,系统应增加一套气体自适应补偿机构。在活塞的密封和润滑等方面,活塞和气缸之间一般采用迷宫密封或螺旋密封,因为压缩机是整体封装的,所以制冷剂不会外泄。另外,由于活塞改用直线电机驱动后,原有的侧向力不再存在,只剩下活塞和气缸之间的轴向摩擦力,因此可以采用无油润滑或稀油润滑。采用这种润滑形式时,活塞兼有气体轴承的功能。其他附件设计,如气缸和电机的散热可采用风扇式或外壳散热片式实现。2.2工作原理及数值解系统动态特性决定着活塞的运动特性、频率响应、谐振设计和控制设计。由于直线压缩机结构的特殊性,对其性能特性的研究不能直接套用旋转电机驱动的活塞式压缩机的分析方法。目前国内外对直线压缩机的理论研究在数学模型描述方面,由于系统主要由机械质量-弹簧-阻尼系统和电磁系统两部分组成,典型处理是将系统简化为二自由度系统,其运行状态可以参考文献中的力平衡方程式和电压平衡方程式表示。由于气体力是非线性的,因此应对其进行线性化处理,最后针对具体结构类型,采用Runge-Kutta法可求得其数值解。为验证理论计算的结果,实验观察和研究就显得非常重要,比较典型的有:韩国的Choe等对直线压缩机的非线性特性进行的理论分析和实验研究,他研究了非线性导致的跳跃现象并与实验结果进行了比较;韩国汉阳大学Yongkoh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;Lamantia等对直线压缩机建立了虚拟模型,用Simulink和Adams软件对其进行了动态特性仿真和性能预测,优化了压缩机的整体性能。2.3直线电机伺服控制由于没有曲柄连杆机构,压缩机活塞的止点位置需要控制系统保证,这首先需要检测活塞止点位置,早期的系统都选择位移传感器来实现,但系统中增加传感器后,一方面系统可靠性和灵敏度不能保证,另外还增加了成本,因此也就促使人们研究和开发无传感器的控制系统;另一方面,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,同时最大限度地克服各种干扰因素,获得最大的压缩机效率,因此,也需要设计开发一套简单可靠、性能稳定的控制系统。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。国内外不少人对此进行了研究,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。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,比较典型的主要有以下一些:美国艾尔克塞尔公司设计的一种电器驱动器,对直线压缩机进行频率控制;韩国LG电子公司采用模式识别的方法来控制直线压缩机,开发出了一种用于电冰箱线性压缩机的控制装置;日本松下电器产业株式会社提出的直线压缩机控制装置,可以不通过活塞的位移反馈就能有效地控制压缩机有效地工作;Huang等在研究系统动特性的基础上设计了相应的控制器,采用了一种称为PDF(pseudo-derivative-feedback)的控制算法来实现活塞位置和止点的控制;Sanada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。2.4传统压缩机回用法由于直线压缩机的结构形式多样,效能波动较大,必须进行优化设计以提高效能。LG电子继发展了134a直线压缩机后,又开发了R600a家用冰箱直线压缩机,后者能效比比前者高3%。早期尽管R600a的制冷效率比134a高4%,但由于R600a的气缸体积大,摩擦损失也较大,因此传统压缩机不能有效地利用R600a制冷剂。在应用直线压缩机后,改进的阀门系统可以获得高的能效比,与传统R600a压缩机比较,直线式能效比要高25%～30%,电机效率超过90%。在结构设计上,通过采用“Redlich”型动磁铁,配以合理的弹簧设计以减小摩擦损失,让轴向制冷剂流动路径通过活塞内部,可降低流动阻力及吸气温度,减少压缩过程热量损失,再通过间隙控制调节扫气量,能量效率达到73%。另外由于压缩机运行取决于电机特性,为获得高效率,电机参数应近于稳定,不随流体流量和活塞位置而变化。3多级压缩系统单级优化设计国内对直线压缩机的研究,自上世纪60年代就已展开,但技术上一直没有大的突破,较为成功的是由华中科技大学、原电子工业部16研究所等多家研究单位进行的斯特林制冷机研制。到80年代,汕头液压件厂试生产了DCQ系列(直线压缩机驱动)空气压缩机,北京小型压缩机厂也生产了一种电磁吸引橡胶膜片式系列压缩机等。由于当时技术水平的限制,其排气压力小、效率不高,并且价格昂贵,限制了其应用及发展。在实验开发方面,一种长行程低往复频率活塞式压缩机在浙江问世,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,为变多级压缩系统为单级压缩系统创造了条件。1991年,西安交通大学成功开发了一台电磁线性驱动高压压缩机,能够连续提供高压纯净空气,可以代替钢瓶直接联入制冷系统,具有启动方便、适时调节、可靠性高的特点。王建生等开发了复合次级式直线空气压缩机(见图4),但存在重量大,控制系统复杂,不易调谐的缺点。何志龙等设计的一种直线压缩机,采用新型直线磁阻电机(LRM)驱动,电机的动子与活塞直接相连,动子两端连着两个谐振弹簧,气缸固定在电机的定子上,缸体上装有阀板、吸排气阀片、吸排气腔和吸排气消音室等。动子在电磁力的作用下推动活塞做往复振荡运动,并在控制电流和弹簧的作用下做谐振运动,活塞余隙的止点位置控制是通过传感器和控制电路来实现的。4直接参数选取由于直线电机高效和自由活塞机构低摩擦的优点,使得直线压缩机获得了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,目前在制冷领域获得了一定程度的应用。而且由于直线压缩机具有气量调节方便的特点,可以预言的是,直线压缩机将在一定范围内取代压缩机的变频控制技术,并且将在空调(包括汽车空调)中取得应用。但通过分析也应看到,直线压缩机的性能很大程度上取决于直线电机的性能和压缩机的机构(包括控制系统)。在制冷行业,特别是家用制冷机上,直线压缩机要取得广泛应用,对国内来说还应解决以下关键的技术问题:(1)建立一套完整的设计理论由于直线压缩机结构类型较多,应针不同类型展开基础理论研究,包括电机磁场、结构,压缩机的结构、动态特性、控制方式和系统等的原理、计算理论依据、设计、优化理论及方法等问题。在理论和实验研究的基础上,从国情和实际状况出发,确定适合我国发展的压缩机类型,建立完整的设计制造方法和标准。(2)低成本取代传统的活塞压缩机,除了高的能效比和可靠性外,价格也是一个关键的因素,特别是对于冰箱压缩机,由于激烈的市场竞争,压缩机价格已达极限,处于微利和亏损边缘,因此,用于冰箱的直线压缩机的成本不应高于传统的活塞式压缩机。尽管直线压缩机结构简单,但影响其成本主要有两个因素,一是永磁材料的性能价格,特别是永磁动圈式直线同