基于Maxwell 2D的永磁直线压缩机运动特性分析

2016-01-29李桂银时岩陈佼胡乐乐

机械制造与自动化 2015年4期

关键词：动子活塞谐振

李桂银，时岩，陈佼，胡乐乐

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

基于Maxwell 2D的永磁直线压缩机运动特性分析

李桂银，时岩，陈佼，胡乐乐

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

摘要：设计一款动圈式永磁直线双缸压缩机，介绍其结构和工作原理，并利用实验方法间接求出系统的阻尼系数。应用Maxwell 2D软件对直线压缩机的谐振频率特性、0.8 MPa负载下的压缩机运动特性进行求解。计算结果表明：直线压缩机系统的固有谐振频率随着负载压力的增加而升高，加载的激励电流与系统的谐振频率一致时，压缩机处于谐振工作状态，运行特性最佳。

关键词：直线压缩机；运动特性；Maxwell 2D

Movement Characteristic Analysis of Permanent Magnet Linear

Compressor Based On Maxwell 2D

LI Guiyin, SHI Yan, CHEN Jiao, HU Lele

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:This paper designs a moving coil type permanent magnet linear compressor with double cylinders, introduces its structure and working principle, indirectly calculates the damping coefficient of system， using the experimental methods and uses Maxwell 2D software to solve its compressor motion characteristics, resonance frequency characteristics of the linear compressor under the load of 0.8 MPa. The results show that the natural resonance frequency of the linear compressor is increased with the increasing of load pressure, while the resonant frequency of system does the same with the excitation current, the compressor works in resonance status and its work characteristics is best.

Keywords:linear compressor; motion characteristics; Maxwell 2D

0引言

压缩机是一种通过压缩气体或其他压缩剂以提高压力对外做功的机构。该机构已经在冰箱、斯特林制冷机和电子元器件冷却等领域得到应用[1- 2]。永磁直线压缩机与传统的压缩机相比，在结构上省去了运动转换装置和电励磁结构，活塞受电动机动子的直接驱动而运动，由电压或电流直接控制活塞的运动行程，因此具有结构紧凑、噪声低、效率高等优点。永磁直线电机作为永磁直线压缩机的驱动装置，利用电磁力和机械谐振推动活塞往复运动对外做功，同时永磁直线压缩机系统在运行方式上可以看作是一种机械振动系统，系统振动特性的优劣，会直接影响整个压缩机运行效率。由于运用实验的方法考察压缩机的性能会花费大量的人力和物力，而采用仿真分析的方法具有快速、节省成本的优点，文中应用有限元软件Maxwell 2D分析该压缩机的运动特性。

1压缩机结构和工作原理

1、8—气缸盖与阀组件；2、7—端盖；3—隔磁环；4—压缩机外套；5—动子线圈；6—永磁体；9—活塞；10—连接杆；11—压缩机内套；12—活塞压缩腔图1　动圈式永磁直线压缩机结构图

在实验室现有直线压缩机的基础上[3]，设计一款新型的动圈式永磁直线双缸压缩机。与原有压缩机相比，由于动子在两个运动方向上都能够进行压缩和排气，因此整个系统排气更连续。且双缸对称的设计，在往复运动时压缩机两端的活塞均受到相同的气体压力，不仅降低了弹簧的设计难度，也降低了压缩机的控制难度[4]。压缩机结构如图1所示。该压缩机在结构上为对称布置。压缩机工作时，永磁体产生磁场，动子线圈中的通电导线通入交变的驱动电流后，会在气隙磁场中受到交变的电磁驱动力。由于活塞是通过连接板与动子线圈连接的，因此电磁驱动力会被传至活塞使其往复运动；同时动子(包括线圈、活塞以及连接杆)通过弹簧弹性支撑，共同构成振动系统，活塞在压缩腔内压缩气体，气体被压缩后由排气阀排出气缸。

永磁直线压缩机的工作特性与排气负载压力的关系十分密切。气体对活塞作用的最终结果是影响整个压缩机系统的固有谐振频率。在不同的负载条件下，压缩机系统的工作性能也不尽相同。直线压缩机在工作时，动子在行程的初始阶段是加速运动的，在行程终点时将速度减为零并实现换向。当加载的驱动电流与系统的谐振频率一致时，驱动电流产生的电磁力和压缩机的活塞位移在相位上存在90°的相位差时，系统处在谐振状态。如果加载的激励电流与系统的谐振频率不一致，压缩机的工作就不能达到谐振状态，此时压缩机不能将电磁推力完全利用，导致压缩机效率降低。因此不同的负载条件下，需要确定出压缩机系统不同的固有谐振频率，进而通过控制电磁推力的频率与系统固有频率实时匹配，来实现直线压缩机的高效稳定运行。

2压缩机的运动方程

对于直线压缩机系统，动子的运动情况直接关系到整个压缩机的工作性能，可以根据直线振荡电机理论描述整个系统的动态特性：

其中气体力是随着压缩机活塞位置的变化而变化的，其大小与压力差和活塞顶端的面积成正比：

式中：Ps为活塞腔进气口的吸气压力；Pd为活塞腔排气口的排气压力；S0为排气终点与阀件组之间的当量距离(包括其他余隙容积的等效距离)；S为压缩机活塞的行程；n为气体的多变指数。

对于系统的阻尼系数c，通常的做法粗略地估计出其值或忽略[5-6]，现选择通过实验的方法间接地将其测得。首先用固定装置将压缩机的动子卡住使其无法运动，通入电流i1，此时压缩机的输入功率P1全部消耗在铁心损耗PFe和线圈铜损PCu上。线圈的电阻R可通过万用表测得，进而根据电流i1计算得出线圈铜损PCu，输入功率P1与线圈铜损PCu的差即为铁心损耗PFe。撤去固定装置，通入电流i2使压缩机空载运行，此时的输入功率P2是用来克服阻尼损耗、铁心损耗和线圈铜损。而铁心损耗与线圈损耗都已求出，输入功率P2与两者的差即为阻尼损耗Pc。

根据阻尼系数c和阻尼损耗Pc的关系式[7]即可求得阻尼系数的大小。

3计算结果

利用Maxwell 2D对直线压缩机进行分析，首先应选择合适的求解器。由于在压缩机运行时，其特性是随时间和运动状态的变化而改变的，故选用Maxwell 2D中的Transient模块进行建模，该模块适用于模型中动子部分直线运动的建模。然后根据直线压缩机驱动电机各部分设计尺寸，建立直线驱动电机的二维对称简化模型，如图2所示。之后确定直线感应电机各部分的材料属性和有限元计算的边界条件和外加电源。最后在设定好的运动边界、外加载荷、阻尼系数、时间步长等动态参量后进行仿真计算。

图2　直线驱动电机的二维对称简化模型

在Maxwell 2D中将不同排气压力下的气体力等效成负载，并以外加载荷的形式输入至软件中。通过加载不同的激励电流使电机动子运动，通过调节电流的频率和幅值使系统达到谐振状态。压缩机的运行参数对其性能有着明显的影响，图3为排气压力0.8MPa下活塞的最大位移随电流频率的变化情况。当驱动电流的频率满足压缩机的谐振条件时，活塞振幅达到最大，如图4所示。此时活塞的位移相位和电磁力的相位相差90°，电磁力始终对活塞做正功，压缩机的工作效率最高。此时从外部输入的电能除线圈损耗以及铁芯损耗外，其余能力全部转化为动子的机械能对气体做功，转化效率越高，对气体做功就越多。另外从图3中也可以看出，当驱动电流频率与压缩机的谐振频率相差越大时，活塞振幅值就越小，说明压缩机的排气量越小，此时压缩机的工作效率也就越低。

图3　0.8 MPa排气压力活塞最大位移随着电流频率变化

图4　稳定状态下活塞位移及电磁力变化曲线

对于压缩机不同负载气体压力下，压缩机的谐振频率也是不同的。为了能够使压缩机在不同排气压力下高效地工作，求得压缩机谐振频率和负载气体压力关系如图4所示。由图4可知，谐振频率随着负载气体压力的升高而增大，这是由于气体被压缩时会有一定的气体刚度，负载气体压力上升后，气体刚度的增加导致压缩机工作整体刚度增加，因此系统的固有谐振频率也随着增加。由于在直线压缩机运行过程中，可以通过调节输入电流的频率来实时地实现直线压缩机的驱动电机与外部负载的匹配。

4压缩机压缩量的调节方式

压缩机的排量是由压缩机的工作频率以及活塞行程决定的。传统的压缩机，其行程是由机械结构决定的，而直线压缩机的活塞处于半自由的运动状态，其行程受到很多因素干扰，例如驱动电流的幅值和频率、负载气体压力、动子质量以及机械弹簧的刚度等，而通过调节电机的运行参数可以达到调节排气量。因此可供调节的有：电源电压或电流、波形以及频率等。最终通过调节，使直线压缩机始终处于谐振状态，使其在高效率的情况下实现排气量的改变。

图5　压缩机谐振频率和负载气体压力关系

5结语

分析了永磁直线压缩机的运动特性，在有工作负载的条件下，整个系统在满足谐振条件时，压缩机的工作效率最高，压缩机的负载发生变化时，需将压缩机的运动参数进行改变才能使压缩机持续在最佳工作状态运行。

参考文献:

[1] 陈曦, 张华, 陈楠, 等. 动磁式直线压缩机动力学特性的实验研究[J]. 中国机械工程, 2009,(16):1909-1913.

[2] 杨恺, 崔龙, 黄海. 主被动电磁式动力吸振器及其在桁架振动控制中的应用[J]. 振动与冲击, 2012,(18):14-19.

[3] 李宗立. 应用于新能源汽车的电动直线压缩机控制系统的研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2012.

[4] 毕研强, 徐向华, 梁新刚. 直线双缸压缩机的特性计算[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2010,(05):665-668.

[5] 邰晓亮. 动磁式直线电机驱动微小型活塞压缩机理论分析及实验研究[D]. 上海：上海交通大学, 2009.

[6] 张金权, 畅云峰. 直线压缩机的频率特性研究[J]. 流体机械, 2006,(10):17-19.

[7] 李志海. 动圈式直线压缩机若干关键问题研究[D]. 杭州：浙江大学, 2010.

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《机械制造与自动化》编辑部

2015年7月