線性壓縮機用動磁式直線電動機

線性壓縮機用動磁式直線電動機研究摘要：討論了一種新型直線壓縮機驅動用動磁式直線振動電機的研制過程。通過對直線電機結構特點的分析和抽象，建立了磁路物理和數(shù)學模型。求解電機動子的動力學方程和驅動電路和電壓方程，得到了驅動電壓與動子位移的關聯(lián)式并分析了電機參數(shù)對動子運動特性和電機性能的影響。為了進一步對電機的電磁場進行優(yōu)化，運用電磁場理論和有限元方法，求解得到的磁通分布為設計提供了指導同時也揭示了電磁力產(chǎn)生的機理。最后，利用研制的直線電機樣機靜態(tài)特性實驗數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值分析的有效性。數(shù)據(jù)的分析還揭示了動磁式直線電機的力-位移-電流之間的關系，為壓縮機的整體和電機控制系統(tǒng)設計奠定了基礎。關鍵字：動磁式直線電機磁路分析動態(tài)特性電磁場分析0前言壓縮式制冷循環(huán)是制冷的主要方式之一，在冰箱、冷凍冷藏、空調、以及低溫系統(tǒng)中有著廣泛的應用。由于直線壓縮機在結構上省去了運動轉換裝置，直線電機動子直接驅動活塞運動，而且其行程可以由電壓直接控制，使其具有結構緊湊、效率高、壽命長等優(yōu)勢，國內外眾多機構投入力量對其進行研發(fā)[1]。作為直線壓縮機的驅動部分，直線電機的性能直接影響整個壓縮機的性能。直線電機主要利用電磁力和機械共振原理,直接推動活塞往復振動進行工作。按照電磁驅動方式可以分為：動圈型、動鐵型及動磁鐵型，其電機類型屬于同步振蕩型直線電機。動圈型直線電機，其直線驅動電機勵磁采用永久磁鐵提供，或者采用線圈通直流電產(chǎn)生，運動線圈通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起，置于強磁場中。運動線圈通以交流電，在磁場中就能切割磁力線，推動氣缸中的活塞作軸向往復運動。當系統(tǒng)的共振頻率與交流電源頻率一致時，就能以最小的電磁力來驅動活塞在要求的行程范圍內運動[2]。這種壓縮機設計容易，能較好地控制活塞行程，并且動圈上不存在徑向力和扭矩，沒有空載時的軸向力存在，磁場能提供穩(wěn)定的磁通，不存在磁滯損耗，但由于磁路的氣隙小，行程長時，驅動力相對較小，行程短時，驅動力則增大，而且，線圈通電要消耗一部分能量，致使效率有所下降，存在聯(lián)接動圈的飛線，使其在長時間運行時的可靠性下降，一般不適用于較大功率的壓縮機。目前大多數(shù)的直線壓縮機均采用了這種電機形式。動鐵型直線壓縮機，其直線驅動電機由靜子上勵磁線圈產(chǎn)生，動子用鐵心材料做成，通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起，置于強磁場中。當勵磁線圈通以交流電，就能產(chǎn)生交變的磁場，從而吸引鐵芯軸向運動，進而推動氣缸中的活塞往復運動。這種壓縮機與相同體積的其它壓縮機相比能產(chǎn)生較大的驅動力，壓縮比也較大，但這種壓縮機在氣隙中的運動是不穩(wěn)定的，容易偏離氣隙中心軸線，在活塞上產(chǎn)生很大的徑向力。動磁鐵型直線壓縮機，其驅動直線電機靜子由內外鐵芯組成，外鐵芯上纏繞著環(huán)形的勵磁線圈，在端部形成磁極，動子由永久磁鐵組成，通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起。工作磁場由兩部分組成，一部分是由勵磁線圈產(chǎn)生的交變磁場，一部分是由永久磁鐵產(chǎn)生的恒定磁場，在兩個磁場的相互作用下，產(chǎn)生軸向的驅動力，進而推動活塞往復直線運動。這種壓縮機與前面兩種壓縮機相比，能使壓縮機結構更緊湊，體積更小，動力更大，因而效率更高。而且，由于勵磁線圈位于定子磁軛中，減小了由于動圈式電機銅線由于受熱引起的有機成份的散發(fā)，有利于保持工質的純凈，這一點對于空間用斯特林和脈沖管制冷機意義重大?？傊瑒哟攀街本€電機推力大，動子質量小，結構簡單可靠，更適合于制冷低溫用直線壓縮機。本文首先利用線性化磁路法對動磁式直線電機的磁路進行了分析，得到了適用于電機設計的電機力和反電勢與電機尺寸和勵磁電流的表達式。在此基礎上，結合直線壓縮機的工況，對電機動子動力學特性進行了分析。為了進一步優(yōu)化電機電磁場，通過對Maxwell方程的數(shù)值解，對磁路進行再組織的同時對電機性能進行了分析。最后，對所研發(fā)的動磁式直線電機性能進行了實驗分析，并與數(shù)值分析結果進行了對比，結果證明本文研制的直線電機能夠滿足直線壓縮機的要求。1動磁式直線電機的研制1.1動磁式直線電機樣機結構和工作原理圖1：動磁式直線壓縮機結構示意本文根據(jù)直線壓縮機的實際性能需求和特點，設計了一臺動磁式直線往復電機，樣機的結構和主要組成部分如圖1所示。圖中由輕質金屬制成的活塞與電機動子通過螺釘聯(lián)接形成整體后與柔性彈簧相連。徑向充磁的永久磁體處于由內外磁軛構成的氣隙中，當勵磁線圈通過正弦波交流電時，氣隙中形成交變的氣隙磁場，永磁體受到交變的電磁力，從而推動電機動力往復運動，與柔性彈簧形成一諧振系統(tǒng)。進排氣閥均布置在機座上，氣體通過進氣閥進入壓縮腔，被壓縮后由排氣閥排出氣缸。1.2直線電機磁路設計圖2:動磁式直線電機磁路分析動圈式直線電機由永磁體產(chǎn)生氣隙磁場，載流導線在穩(wěn)恒磁場中受安培力的作用，其磁路、力、電特性相對簡單[3]。而對于動磁式直線電機，其力的產(chǎn)生依賴于電流勵磁磁場與永磁體磁場的相互作用，其表達式不能用安培力（F=Bil）簡單的表達。由于磁路涉及到兩個場的迭加，因此磁路的組織和磁通變化對勵磁電路的影響相對復雜。通過分析，運用磁電類比原理，動磁式直線電機的磁路可以抽象成如圖2所示。圖中將分布的氣隙和磁軛磁阻參數(shù)等價為集總參數(shù)，而且涉及到的頻率及尺寸使麥克斯韋方程中的位移電流項可以忽略，并且假設不存在漏磁通[4]。麥克斯韋方程的磁準靜態(tài)形式使磁場與產(chǎn)生磁場的電流相關聯(lián)[5]。通過磁路分析法可得到電磁力與繞組電流、電機幾何尺寸、永磁體性能有關。在略去的非線性項中，電磁力還與動子的位移有關，并表現(xiàn)出電磁力當動子在平衡位置時力大，在振幅頂端時減小的變化特性。由于非線性力項的大小比式(1)所示的要小很多，所以式(1)作為初步設計的表達式其精度是可以滿足需要的。（1）1.3直線電機動力學設計對于如圖1所示的阻尼振動系統(tǒng)，用動子的運動方程和勵磁電路的電壓方程來描述整個系統(tǒng)的動態(tài)特性[6]。（2）（3）式中，v0(t)為輸入電壓，i為勵磁電路電流，R勵磁電路電阻，Ψ為磁鏈()，M為往復運動部分的質量，K為機械剛度（Ke）和壓縮腔氣體剛度（Kg）的和，D為振子運動阻尼為壓縮腔當量氣體阻尼（Dg）和機械阻尼(De)的和，ffld(x,i)為電氣推力。對式（2），（3）求解可以得到電動機的動力學特性。1.4設計中要考慮的其它因素從上述的磁路及電路分析可以看出，動磁式直線電動機設計中需要考慮的問題是:1.為了提高效率，可以加大電動機的磁負荷，也即選用性能更好的永磁材料和導磁材料；選用更好的支撐材料和工藝，盡量減小電機的氣隙；減小電動機的電負荷及選用導電率更高的材料。2.欲增加電動機功率，可以加大電動機的電磁負荷，但增加電磁負荷會導致電機發(fā)熱，因此必須對動磁式直線電機進行合理的熱設計。3.直線電機的設計必須考慮壓縮機的熱力學工況。2永磁直線電動機的電磁場分析以上分析了永磁直線電機的磁場和動力學特點，其中對磁路的分析采用了集總參數(shù)模型，為了對永磁直線電動機的性能進行優(yōu)化設計，并考慮渦流、漏磁對性能的影響，需要對電動機的電磁場進行深入的分析。2.1電機電磁場有限元分析方法本文電動機結構較為復雜，而且存在永磁材料和非線性永磁材料。在AnsoftMaxwell軟件平臺下采用有限元分析方法對電動機的電磁場分布，電動機性能進行了分析，為電動機的結構優(yōu)化和性能提高提供了研究基礎和理論依據(jù)。電機中的電磁場問題可由偏微分方程邊值問題得到一個能量泛函的積分式，在第一類邊界條件的前提下取極值，即構成條件變分問題。同時，將場的求解域剖分成有限個單元，并在單元中構造出合適的插值函數(shù)。然后，將能量泛函離散化為多元函數(shù)，根據(jù)極值原理，將得到的方程組由第一類邊界條件作修正并借助于電子計算機求解[7]。2.2電機電磁場數(shù)學模型電磁場的經(jīng)典描述是麥克斯韋方程組，電機電磁分析一般采用位函數(shù)表示，位函數(shù)比場量本身更容易建立邊界條件。而使用矢量磁位可以很方便的繪出磁力線分布并求出磁通。圖3：動磁式直線電電動機數(shù)學學模型圖4：電機電磁場網(wǎng)網(wǎng)格剖分圖圖3動磁式直線電機樣機及靜態(tài)性能圖5：動磁式直線電電機樣機（定定子）圖6：實驗裝置示意意圖本文測試的直線電機如圖5所示。定子外徑120mm，長度65mm，質量2.21Kg；動子外徑73mm，長度86mm，質量0.41Kg。永磁體采用高性能的NdFe35永磁材料。在不改變勵磁電流方向的狀態(tài)下，直線電機動子所受的水平推力與動子位置之間的關系稱為靜態(tài)力-位移特性。對于線性壓縮機而言，由于氣缸內氣體彈簧剛度與活塞行程之間的非線性關系，使得電機在整個壓縮過程中必須提供與之匹配的推力。電機動子位移和力的關系是分析電機性能的重要指標。圖6是動磁式直線電機靜態(tài)力-位移特性測試實驗裝置圖。整個測試在C620H型號機床上完成。機床可以保證良好的對中性能，而且也便于對位移的控制與測量。百分表用于測量位移，TK-10型測力計用于測量電機拉力。實驗時，利用專用的測試模具將電機固定，將電機動子與軸相聯(lián)。由直流電源給電機的線圈通恒定的直流電。轉動手輪，螺桿前進，動子移動，待穩(wěn)定后，記錄緊頂在動子上的百分表及拉力傳感器的計數(shù)，通過換算就可以得到動子的位移和所受的推力。調節(jié)勵磁電流的大小和動子的位置即可測出靜態(tài)力—位移特性曲線。4結論1）本文設計的新型動磁式直線電機電磁場分布合理，動子質量小，推力大，能夠滿足直線壓縮機的需要。2）提出的直線電機磁路及動力學分析模型，能夠較好的用于直線電機的性能分析和對設計的指導。有限元分析模型能夠有效的預測電磁場的分布，揭示了動磁式直線電機電磁力產(chǎn)生的機理為進一步的優(yōu)化設計提供指導。3）通過實驗和理論分析，揭示了動磁式直線電機的力-位移和電流-力特性，這一特性對于壓縮機的整體設計十分重要。參考文獻[1]謝潔飛,金濤,童水光,直線壓縮機的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J],2004年第32卷第12期,流體機械,31-35[2]閻治安,高小赟,易萍虎,壓縮機驅動用直線永磁電動機的研究[J],西安交通大學學報,第9卷，第2期,2005年2月,191-195[3]黃聲華,陶醒世,傅光潔,音圈電機的數(shù)學模型及仿真[J],華中理工大學學報,第24卷增刊(Ⅱ),1996年8月68-71[4]A.Poornima,T.S.Hsu,movingmagnetloudspeakersystemwithelectroniccompensation[J],IEEProc-CircuitsDevicesSyst.Vol.148,No.4.August2001[5]A.E.Fitagerald,CharlesKingsley,electricmachinery(sixthedition)[M],publishin