【《动圈式直线压缩机模型的建立探析案例》3500字】

动圈式直线压缩机模型的建立分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u15974动圈式直线压缩机模型的建立分析案例 1279841.1动圈式直线压缩机原理性样机 1292621.2动圈式直线压缩机的工作原理 3177461.3动圈式直线压缩机的数学模型 383861.3.1机械系统数学模型 4250051.3.2气动数学模型 5294821.3.3电磁系统数学模型 661801.4动圈式直线压缩机的系统方程 8动圈式直线压缩机原理性样机现阶段我国对于直线压缩机的研究还不够深入，处于较为基础的阶段，目前主要集中在控制策略与结构设计。常见的几种直线压缩机中，动磁式直线压缩机尽管结构紧凑、效率高以及具有较大的驱动力，但其设计难度与研发成本高，很难在短时间内推广应用，距离民用化和商业化还有很长一段路，是未来直线压缩机发展的制高点。动铁式直线压缩机的缺陷非常明显，当压缩机工作时活塞与气缸接触过多，导致两者之间的磨损非常严重，从而十分影响压缩机的工作效率，大幅缩短使用寿命，在直线压缩机发展道路中逐渐被替代。相对比而言，动圈式直线压缩机具有结构紧凑、质量轻、惯性小、稳定性高等优势，工作时活塞行程易于控制，并且设计难度与研发成本低，使得动圈式直线压缩机成为当前主要的研究方向。南京理工大学的李宗立所设计的永磁动圈式直线压缩机的原理性样机，如图1.1所示，这台动圈式直线压缩机采用一体化结构，工作时直线电机驱动活塞做直线往复运动，取消了电机与活塞之间的曲柄连杆机构，使其效率提高的同时，压缩机结构紧凑也轻量化。直线电机对活塞产生的驱动力使活塞的运动方向沿着驱动力方向，在活塞径向就不产生额外的力，减小了活塞与气缸间的不必要接触，减小了磨损，因此提升了活塞使用寿命，其结构如图1.2所示。图1.1永磁动圈式直线压缩机原理性样机 图1.2动圈式直线压缩机结构图表1.1永磁动圈式直线压缩机的主要参数参数名称数值单位线圈回路电阻线圈自感系数直线电机力常数动子质量活塞直径弹簧刚度阻尼系数进气压力排气压力行程余隙0.661.1400.740.04722950200.10.8201ΩmHN/AKgmN/mN·s/mMPaMPammmm1.2动圈式直线压缩机的工作原理动圈式直线压缩机通过直线电机对活塞产生直线方向的驱动力，活塞受力进行往复直线运动，直线电机就如同是被展平的旋转电机，初级可以看作是定子变化而来，次级即为动子变化而来[27]。在永磁动圈式直线电机中，线圈被当作动子，永磁铁被当作定子，为了增强磁通量的密度，永磁铁必须采用一种特殊的阵列排布，因此采用Halbach阵列，同时使得直线电机紧凑轻巧，并且效率得到了提高[28]。当动圈式直线压缩机中的线圈通过电流后，通电线圈在气隙磁场中做切割磁感线轴向运动，通过左手定则判断线圈收到来自轴向的电磁驱动力Fe(t)，该驱动力Fe(t)推动活塞做轴向直线运动，克服了气体负载力、动子惯性力、线圈阻尼力、弹簧弹力以及摩擦力。只要改变通过线圈的电流大小和方向，就能够改变电磁驱动力F（1.1）式（1.1）中，Fe(t)为电磁驱动力；B为气隙磁感应强度；l为单匝线圈的有效长度；N为线圈的有效匝数；1.3动圈式直线压缩机的数学模型本文研究的是车用小型动圈式直线压缩机的控制方案，设计控制方案能够更好地分析压缩机工作参数，并且对压缩机控制系统进行优化，同时还要了解动圈式直线压缩机样机的工作原理，对其工作原理进行分析并建立相应的数学模型，其中主要的数学模型为：机械模型、气动模型、电磁模型。为了设计的需要，必须简化样机：（1）动圈式直线压缩机样机应用于汽车上，就必须安装在车架上。在压缩机中，线圈和活塞加起来的总质量为动子质量，其相比较样机静态部分的质量可以忽略不记，所以本次设计就把样机环境简化为单自由度、单质量系统环境；（2）忽略热力学要素，因为影响较小；（3）忽略直线电机饱和效应，电机使用的是线性磁路；（4）忽略样机的涡流和磁滞损耗，这两种损耗本身就不多，想计算也很难准确。1.3.1机械系统数学模型本次设计的机械系统数学模型主要是动子线圈的往复直线运动。以动子线圈的角度研究，将一定的电流施加在线圈中，通电线圈会产生电磁力Fe(t)，同时受到气体负载力Fg(t)、动子惯性力和阻尼力，分析线圈在这过程中的所有受力，运用牛顿第二定律解决了动圈式直线压缩机机械系统在数学表述方面的问题，其表达式：（1.2）式（1.2）中：m为动子线圈质量；c为系统阻尼系数；X(t)为动子线圈的运动位移；Xs为动子线圈初始位置；Xd为动子线圈动平衡位置；式（1.1）中，因为线圈匝数N、磁感应强度B、线圈的有效长度l为常量，电流I为变量，所以FeF（1.3）式（1.3）中：Ke为动圈式直线电机的力常数，也称为比推力，Ke=40N/A物体所受摩擦力是一种非线性力，根据物体运动状态的不同摩擦力可以被分为滑动摩擦力和静摩擦力。两个物体保持相对静止，其中一个物体受到的合力大小小于最大静摩擦力，此时静摩擦力大小就等于这个合力大小，其运动方向与物体运动趋势方向恰恰相反；反之，物体受到的合力大小大于最大静摩擦力，两物体间产生的摩擦力为滑动摩擦，其相对运动状态改变，摩擦力方向与运动方向相反。动圈式直线压缩机机械系统摩擦力Fm(t)计算公式如式（（1.4）式（1.4）中：为滑动摩擦力；为最大静摩擦力。活塞与气缸的摩擦力忽略不计，因为它们之间的摩擦系数很小，且所受正压力几乎为零。气动数学模型由于气缸内外存在压强差，这个压强差作用在活塞上会产生一种负载力，这种负载力被称为气体负载力，用Fg（1.5）式（1.5）中：A为活塞横截面积；Pc(t)为气缸内气体压强；由于活塞不断地进行着往复式直线运动，从而改变了气缸内气体压强Pc（1）进气、排气过程中，忽略由气阀振动造成的气压波动；（2）进、排气阀阻力较小，可忽略此阻力；（3）考虑到压缩机制造精度影响，需要忽略一定设计制造产生的缺陷，包括气缸在运行时的泄漏。（4）压缩、膨胀过程中的气压变化由相对恒定的热力状态方程来表示，因此忽略这两种过程中热交换损失;由以上的分析与简化，缸内气压Pc（1.6）式（1.6）中：Pd为排气口排气压力；n为压缩排气过程的多变指数；S为活塞的行程；S0P—V图（压力—气缸内气体体积）可以用来描述气缸内的压力变化[8]，活塞横截面积为确定常数，因此缸内气压变化可以通过P—X图（压力—活塞位移图）来表述，如图1.3所示。x(t)为活塞位移，Pd为排气压力，图1.3直线压缩机简化示功图电磁系统数学模型动圈式直线压缩机的电磁系统主要由线圈和永磁铁组成。施加电压U(t)后，线圈两端存在电势差，因而产生电流，这就构成了一种磁场。在这个磁场中，线圈产生感应电动势εi，感应电动势εi由自感电动势εL（1.7）动生电动势εd（1.8）式（1.8）中，N为动子线圈匝数，d∅(x)为单匝线圈磁通量改变量，dt为时间的变化。在动圈式直线压缩机的电磁系统中，永磁铁与通电动子线圈均能产生磁通量，在不考虑磁漏等因素的条件下，单匝线圈磁通量改变量d∅(x)可以由下式表示：（1.9）式（1.9）中，为永磁体产生的磁通量变化，dΦi(x)为动子线圈所产生的磁通量变化。考虑到在整个直线压缩机工作过程中动子线圈移动的行程很小，因此可以将d∅（1.10）假设空气中的磁场强度相同，则单匝线圈磁通量的改变量dΦd（1.11）式（1.11）中，Be为气隙中的磁场强度，ds为动子线圈横截面直径，dx为动子位移的变化。分析式（1.8）与式（1.11），可以为动生电动势εd（1.12）令le=Nπds，（1.13）因为线圈中的电流变化，从而改变线圈周围的磁场，磁通量由周围磁场的变化而导致变化，所以就产生了自感电动势εL。自感电动势ε（1.14）必须考虑铁芯损耗，将铁芯中线圈的直流电下的电阻与铁芯损耗视作等效电阻Re，因此铁芯线圈可以