畢業(yè)論文（設計）1kg級高效動磁式線性壓縮機的研制

1、1kg級高效動磁式線性壓縮機的研制摘要：空間應用對脈沖管制冷機提出了輕量化、小型化的需求。木文利用熱動力聯(lián)合仿真技術，將氣體彈 簧力和負載力串聯(lián)至圧縮機動力設計中，實現(xiàn)熱力參數(shù)和動力參數(shù)的聯(lián)合仿真獲得帶冷指負載下的高匹配 壓縮機設計；使用硅鋼疊片工藝，減少內外磁軌屮的渦流損失，捉高壓縮機效率。最終設計制造出質量小 于1.15kg,工作頻率120hz的壓縮機，兀配冷指后壓縮機電機效率均80% （只考慮銅損）。34w/c輸入功 時脈管制冷機提供1w8ok冷量。關鍵詞：熱動力聯(lián)合仿真；渦流損失；超高頻；電機效率0前言近年來微型化制冷技術迅速發(fā)展，其應用領域主要包括對微型衛(wèi)星上紅外探測器的冷卻 1】、

2、對地血及空間的高溫超導器件（如超導濾波器和超導量子干涉儀squid）進行冷卻以 及對微電子機械系統(tǒng)（mems）的制冷習。其應用溫區(qū)較高（如一般僅需要冷卻至70150 k）, 需求冷量較?。ㄈ?3 w）,但是對制冷機的尺寸和質量有著近乎苛刻的要求（如部分應用 需要整機質量滿足1 kg以下），并要求制冷機具有較高的可靠性。提高頻率是減小制冷機體積和質量的有效途徑。對于一定的制冷量需求，隨著頻率的增 加，聲功密度增大，脈管制冷機的尺寸會減小。本文微型脈管制冷機正是運用高頻以及高的 充氣壓力等各方面的配合,在制冷量和制冷效率不被大幅消減的同時，高效的減小了壓縮機、 回熱器以及脈管的尺寸。國內外各單位的

3、微型脈管制冷機性能詳情匯總于表1。表1微型化脈管制冷機的性能比較年份單位頻率(hz)重量（g）制冷量輸入電功（wac）2008ngas41008571.3w77k49.1nist 1500.53w120k362012理化所1002.68w77k44.5(pv)2014locklieedgrumman 1003280.4wl25k0.69w150k25國內在微型脈管制冷機的研究方面還處于起步階段，尤其是壓縮機與脈沖管冷指的匹配 是實現(xiàn)高整機效率的最大障礙。本文研究了針對高頻脈管負載的壓縮機匹配設計方法，研制 了一臺lkg級高效動磁式線性壓縮機，最終設計制造出質量小于1. 15kg,工作頻率120

4、也 的壓縮機，兀配冷指后壓縮機電機效率85% （只考慮銅損）。25wac輸入功吋脈管制冷機提供 0. 8w100k 冷量。2壓縮機的研制2. 1熱動聯(lián)合仿真設計本文采用了熱動力聯(lián)合仿真技術，導出熱力設計軟件的計算結果，將冷指的氣體力作為 壓縮機負載，獲得動力設計吋對應的氣體彈簧剛度和氣體阻尼系數(shù)，將氣體彈簧力和負載力 串聯(lián)至壓縮機動力設計軟件中，實現(xiàn)熱力參數(shù)和動力參數(shù)的聯(lián)合仿真。圖1是熱動力聯(lián)合仿 真原理圖。諧撮公式kc運動控inpower電機設計圖2活塞受力矢量圖cj與設計值比對圖1熱動力聯(lián)合仿真設計2. 2熱動力學參數(shù)熱動力聯(lián)合仿真技術，即將氣體彈簧力和負載力串聯(lián)至壓縮機動力設計中，實現(xiàn)熱

5、力參 數(shù)和動力參數(shù)的聯(lián)合仿真獲得帶冷指負載下的高匹配壓縮機設計。在壓縮機設計之初，將冷 指正常工作下的負載參數(shù)：平均壓力“0、壓比幾、壓力波與位移的相位差、動壓幅值/p、 行程xc、活塞直徑d、工作頻率結合壓縮機的其他參數(shù)，利用運動控制方稈求出對應的 動力學參數(shù)：壓縮機的諧振頻率人、動子質量加、等效氣體彈簧剛度儀、機械彈簧剛度人、 等效氣體阻尼系數(shù)cgasofn =、kg + kc因為當壓縮機的工作頻率和諧振頻率一致時，電功的轉換效率達到最人，且為了與制冷機能夠成功耦合，壓縮機的工作頻率須等于制冷機的工作頻辛七舉此/三/；其中齊由下式 決定：巧 a平衡位置兀二0 壓縮活塞處于壓） 縮反方向，壓

6、縮腔內氣體膨脹對壓縮機機動子運用牛頓第二定律，可以得到運動控制方程為:v r d ( dxc “xc .dt2上式中7為壓縮機的動子質量，以為活塞的加速度，倫為活塞所受到的合力，包括電磁力、 板彈簧力、機械力和氣體力?？梢缘玫交钊倪\動控制微分方程：加c + fre + 以 + f螂=f° = fq sin(血)其屮彈簧力fk = kcxc,為壓縮機的板彈簧和電磁彈簧共同作用的軸向剛度；氣體力fgas = pcac;久為活塞面積人=占兀。2;機械阻尼力fre = cmxc , cm為機械阻尼系數(shù)；電 機驅動力艮=bli（t） = fosinot）,電磁力的振幅= bl",

7、為電流的幅值,a）=/為(4)(5)電流的有效值，即均方根值。co為角頻率。應用線性負載理論，能夠將非線性的氣體力表示 在活塞受力矢量圖中，如圖2所示，將活塞所受的氣體力在橫軸（位移方向）和縱軸（速度 方向）進行分解，可以得到：fgas-k = 巴4c cos 0 粉 as-use =卜 pc ac sin 0其中fg”為等效氣體彈簧力，fgas-use為等效氣體阻尼力。等效氣體彈簧力與彈簧類 似，在壓縮機運行過程中只儲存和釋放能量，近似等效氣體彈簧剛度為：(6)_ |as-k | _ a巴a© cos 0gas= xc = xc等效氣體阻尼力同機械阻尼力類似，消耗電功，并產生有用的

8、壓縮機出口聲功，進入脈 管冷指產生制冷量，近似的等效氣體阻尼系數(shù)為：_ |%as-use | _ a化川c sin &（7）加=冗=4nfxc由上述方程式可以由熱力學參數(shù)求解出壓縮機設計時所需要的動力學參數(shù)，即將冷指負載匹配至壓縮機設計中，通過反復迭代最終求出滿足冷指負載條件下的動力學參數(shù)。利用公式27最終求出冷指負載參數(shù)，根據(jù)頻率和等效氣體剛度及公式1求得動子質量, 板簧剛度。具體參數(shù)見下表。表1冷指負載及相關參數(shù)參數(shù)數(shù)值冷指工作頻率120hz氣體彈簧剛度14953 n/m氣體阻尼25.5 n*s/m板彈簧剛度10058n/m動子質量45g2.3壓縮機設計目標以表1中冷指負載及相關參

9、數(shù)為輸入條件，提出壓縮機的研制目標參數(shù)，壓縮機的工作 頻率為120hz,輸入電功不大于30w,電機效率80%,功率因子不小于0.85,并且滿足總 體尺寸小于（p55* 120mm,壓縮機質量小于1.15kg。表2 120 hz微型脈沖管制冷機的主要設計目標參數(shù)設計目標輸入電功<30 w工作頻率120 hz電機效率>80%壓縮機尺寸<(p55* 120mm壓縮機質量<1.15kg預期壽命>30000hr2. 4數(shù)值模擬分析壓縮機選用動磁式直線壓縮機。動磁式直線壓縮機是由動磁式直線振蕩電機驅動壓縮活 塞實現(xiàn)往復運動，電機的定子由內外轆鐵組成，外覘鐵上纏繞著環(huán)形的勵磁線

10、圈，在端部形 成磁極；動子由永磁鐵、活塞桿和部分板彈簧組成。電機屮的工作磁場由兩部分組成：勵磁 線圈產生的交變磁場和永磁鐵產生的恒定磁場，在兩個磁場的相互作用下，產生電磁驅動力, 在板彈簧較大的徑向剛度維持下，推動氣缸中的活塞作軸向往復運動。具體結構示意圖詳看 圖3。<8破鋼（動子圖3動磁式肖線振蕩電機結構示意圖借助電磁分析軟件，將2.2中求得的各項動力學參數(shù)數(shù)值、負載參數(shù)數(shù)值代入分析軟件， 作為分析計算的前提條件（即電機在滿足冷指負載條件下），對電機模型中內外磁轆、磁鋼 的外形尺寸以及繞組的直徑、匝數(shù)進行變參數(shù)設計。以電機的效率、電機的功率因子、電機 的比推力為判斷依據(jù)，最終選擇合適的

11、電機結構尺寸，觀察在最優(yōu)結構尺寸下的電機的磁密 云圖，檢驗該尺寸是否造成磁飽和現(xiàn)象。圖4為2維電機的磁感線圖、圖5為2維電機的磁 密云圖。圖4活塞受力矢量圖atwiiai11圖5電機的磁密云圖3直線電機制造工藝改善在直線電機中，如果対繞線線圈通直流電時，其功率損耗僅為銅損耗pg。當線圈中通 交流電時，電機的損耗除了銅損耗pcu之外，還有鐵芯損耗be。無論是銅損耗還是鐵芯損耗， 都將轉化為熱量散發(fā)出去，導致電機溫度升高，影響電機效率。電機中的銅損通常由pcu = ”r求得，計算吋結合電阻率隨溫度的變化率，按電機實際工作溫度下的電阻值進行 計算。鐵芯損耗分為兩部分：磁滯損耗和渦流損耗。其屮渦流損耗

12、與內外純鐵的制造工藝有 很大的關系，且由于本文屮的壓縮機為超高頻壓縮機，渦流損耗的經驗公式為：(8)peddy =丘刖氓式中忍為軌鐵的渦流損耗系數(shù)；7為軌鐵的體積；t為軌鐵的疊片厚度；f為壓縮機的工作頻 率，從上式不難看出渦流損耗與壓縮機的工作頻率的平方成正比，因此在超高頻的運行情況 下降低壓縮機的渦流損耗則尤為重要。若內外轆鐵是整塊的，則它們的電阻很小，渦流很大， 由渦流而損耗的焦耳熱就很多。為了減小渦流損失，直線電機的內外軌鐵可以釆用疊片狀的 硅鋼片制作而成，并使硅鋼片平面與磁感應線平行，使得磁生電流方向垂直于硅鋼片平面。 一方面因為硅鋼片本身的電阻率較大，另一方面由于各片之間存在絕緣材料

13、，這樣就把渦流 限制在各片之內，使渦流大為減小，從而能減小電機的損耗，提高電機的效率。圖7為實際 的疊片工藝。圖7疊片工藝圖8為壓縮機實物圖。電機的軸向長度為115mm,直徑重量為1.15kg。圖8壓縮機實物圖4實驗結果將壓縮機與冷指、氣庫連成整體。實驗時對壓縮機進行風冷，冷指熱端采用20°c水冷。 分別對壓縮機的最優(yōu)工作頻率、定輸入功條件下不同溫區(qū)制冷量下壓縮機的性能進行了實驗 測試。116118120122124126128頻率(hz)050505050838282818180807979604 2()活«鼻耳08642086圖6不同頻率下制冷溫度電機效率圖6為34wa

14、c輸入功下1w制冷量時，壓縮機不同工作頻率下的最低制冷溫度及壓縮 機的電機效率。從圖中可以看出在120hz處制冷溫度曲線出現(xiàn)最小值：79.25k,此時電機 效率為82% （只考慮銅損）；124hz處壓縮機的電機效率曲線出現(xiàn)最人值：83% （只考慮銅 損），均優(yōu)于設計目標80%o壓縮機效率在設計頻率120hz附近達到最高，與設計目標中的 壓縮機工作頻率120hz基本吻合，即說明使用熱動聯(lián)合仿真技術進行計算能夠在帶冷指負 載下進行高匹配的壓縮機設計。1035 01 2制冷fi(w)5q505q5055 & 4435221邕810005101520253.0制冷最(w)5m38 8 8 ()

15、*»丘 m圖7制冷機全性能圖圖8不同工況下的電機效率圖7、圖8為120hz下全性能圖及對應的電機效率情況圖，匹配冷指后電機效率最低點 為制冷性能80k2w時，此時壓縮機電機的性能為55wac,電機效率為80.5% （只考慮銅 損）；電機效率最高點為制冷性能130k0w時，此時壓縮機的性能為6wac,電機效率為 87% （只考慮銅損）。電機效率均滿足設計目標。5結論與展望本文介紹了熱動力聯(lián)合仿真技術及其理論基礎，并利用熱動聯(lián)合仿真技術將氣體彈簧力 和負載力串聯(lián)至壓縮機動力設計屮，實現(xiàn)熱力參數(shù)和動力參數(shù)的聯(lián)合仿真獲得帶冷指負載下 的高匹配壓縮機設計；并且為了減少內外磁軌中的渦流損失，提高

16、壓縮機效率，在加工制造 時使用硅鋼殼片工藝。最終設計制造111質量為1.15kg,外形尺寸為©52x123mm,工作頻率 120hz的壓縮機。電機效率最低點為制冷性能80k2w時，此時壓縮機電機的性能為55wac, 電機效率為80.5% （只考慮銅損）；電機效率最高點為制冷性能130k0w、1w時，此時壓 縮機的性能為6wac,電機效率為87%（只考慮銅損）。因此匹配冷指后壓縮機電機效率均a80% （只考慮銅損），滿足設計目標。后續(xù)將對電機中的鐵損進行實驗測量，進一步明確電機效率。參考文獻1. t. troller, j. tanchon, y. icart, et al. 150

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