兩種動磁式直線振蕩電動機(jī)功率損耗分析

熊 超，王龍一，鄭文鵬，楊開響，曲曉萍，吳亦農(nóng)

(1．中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083;2．浙江大學(xué)，浙江杭州310027;3．中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0引 言

高頻斯特林和脈沖管制冷機(jī)大多采用對置式直線壓縮機(jī)驅(qū)動，壓縮活塞由直線電動機(jī)驅(qū)動做軸向直線往復(fù)運(yùn)動，并對制冷工質(zhì)氣體進(jìn)行壓縮和膨脹做功，為冷指提供周期性的壓力波動，從而在制冷機(jī)冷端產(chǎn)生制冷量。直線電動機(jī)在壓縮機(jī)中扮演著能量轉(zhuǎn)換器的角色，它一方面從外加電源中吸收電能，另一方面它將吸收的電功轉(zhuǎn)化成動子和活塞直線往復(fù)運(yùn)動的機(jī)械能。電機(jī)在電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過程中同時(shí)會產(chǎn)生功率損耗，各種損耗最終都將轉(zhuǎn)化為熱能，使電機(jī)溫度升高，降低電機(jī)效率。為了實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)的長壽命和高可靠性運(yùn)行，對于壓縮機(jī)所用直線電動機(jī)的鐵磁材料、導(dǎo)電材料和絕緣材料等，通常要求它們在一個(gè)恒定的環(huán)境中工作，這樣才不會顯著影響其電磁性能和機(jī)械性能。因此對直線電動機(jī)的損耗進(jìn)行分析將有利于提高制冷機(jī)的使用壽命和運(yùn)行可靠性［1］。同時(shí)，從能量轉(zhuǎn)換效率的角度來看，電機(jī)在吸收一定的電能時(shí)，其損耗越小，制冷機(jī)整機(jī)效率就越高，這樣也可以提高制冷機(jī)效率，增大制冷量。

常用的往復(fù)式直線振蕩電機(jī)主要采取動圈式和動磁式［2-3］兩種基本的結(jié)構(gòu)形式。動圈式直線電動機(jī)磁路比較簡單，設(shè)計(jì)和計(jì)算相對容易，但是由于通電線圈的運(yùn)動帶來飛線問題，使得制冷機(jī)整機(jī)的可靠性下降，加之線圈在冷媒中運(yùn)動，漆包線長時(shí)間工作，漆膜被冷媒腐蝕，污染冷媒，不利于整機(jī)的長壽命設(shè)計(jì)。而動磁式直線電動機(jī)磁路復(fù)雜，然而除了解決了上述兩個(gè)問題之外，它的結(jié)構(gòu)更加緊湊，有利于整機(jī)的輕量化和高效設(shè)計(jì)。因此本文以兩種不同結(jié)構(gòu)形式的動磁往復(fù)式直線振蕩電動機(jī)為研究對象，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測量來研究它們的損耗特性和電機(jī)效率。

1兩種動磁式直線振蕩電動機(jī)簡介

1．1雙線圈雙磁鋼動磁式直線振蕩電動機(jī)

圖1為一種典型的雙線圈雙磁鋼動磁式直線振蕩電動機(jī)的軸對稱單側(cè)剖面結(jié)構(gòu)示意圖。電機(jī)的動子部分為磁鋼和內(nèi)軛鐵，磁鋼由上下兩組徑向充磁且方向相反的稀土永磁體構(gòu)成。定子部分為外軛鐵和繞線線圈，線圈也分為上下兩組，其中通過的交流電方向相反。內(nèi)外軛鐵一般采用磁導(dǎo)率較大的軟磁材料，內(nèi)軛鐵和外軛鐵之間形成一個(gè)氣隙。動磁式直線電動機(jī)的工作磁場由兩部分組成:一部分是由線圈產(chǎn)生的交變磁場;另一部分是由永磁體磁鋼產(chǎn)生的恒定磁場，其中線圈產(chǎn)生的交變磁場是可以通過改變輸入電參數(shù)進(jìn)行控制的。動子磁鋼的運(yùn)行遵循“磁阻最小原理”，即:磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合。在交變電流的驅(qū)動下，電機(jī)中產(chǎn)生交變的磁場，動子上產(chǎn)生交變的軸向電磁力，帶動活塞在氣隙中做軸向往復(fù)運(yùn)動，這就是直線電動機(jī)帶動壓縮活塞運(yùn)行的原理。

圖1 雙線圈雙磁鋼動磁式直線振蕩電動機(jī)軸對稱剖面結(jié)構(gòu)示意圖

這種電機(jī)優(yōu)點(diǎn):與壓縮機(jī)耦合裝配非常簡單，漏磁很少，磁路對稱，因此動子在中心位置為穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。它的缺點(diǎn):內(nèi)軛鐵與外軛鐵之間的間隙過大，導(dǎo)致磁路之間的氣隙磁阻很大，因此電機(jī)效率較低，而且內(nèi)磁軛和磁鋼一起運(yùn)動，動子質(zhì)量較大，整機(jī)效率較低，與高頻脈管冷指的匹配存在一定的問題。

1．2單線圈單磁鋼動磁式直線振蕩電動機(jī)

圖2為一種典型的單線圈單磁鋼動磁式直線振蕩電動機(jī)軸對稱剖面結(jié)構(gòu)示意圖。電機(jī)的動子部分為永磁體磁鋼，磁鋼由多片瓦片狀徑向充磁的稀土永磁體構(gòu)成。內(nèi)軛鐵、外軛鐵和線圈共同組成電機(jī)的定子組件，內(nèi)外軛鐵均為磁導(dǎo)率較大的軟磁材料。電機(jī)線圈通正弦交流電后，在動子磁鋼上將產(chǎn)生軸向交變的電磁力，推動動子磁鋼和與之連接的活塞部件做軸向往復(fù)運(yùn)動。

圖2 單線圈單磁鋼動磁式直線振蕩電動機(jī)軸對稱剖面結(jié)構(gòu)示意圖

單磁鋼直線電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn):此種結(jié)構(gòu)的直線電動機(jī)磁路緊湊，比推力較大，能夠滿足直線壓縮機(jī)的高效和大冷量的設(shè)計(jì)要求，加之繞線電阻小，電機(jī)的發(fā)熱量較小，從而能更好地滿足壓縮機(jī)的散熱要求，有利于制冷機(jī)整機(jī)的長壽命和高可靠性設(shè)計(jì)。其缺點(diǎn):電機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，電機(jī)固有的電磁偏置力較大，且電磁偏置力為負(fù)彈簧效果，其中心平衡位置為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，且這種直線電動機(jī)對板彈簧的剛度和壓縮機(jī)耦合裝配的工藝要求都非常高，相對于前面所述的雙線圈雙磁鋼直線電動機(jī)而言，其軸向尺寸將更長。

2直線電動機(jī)損耗分析

在直線電動機(jī)中，如果對繞線線圈通直流電，其功率損耗僅為銅損耗PCu。當(dāng)線圈中通交流電時(shí)，電機(jī)的損耗除了銅損耗PCu之外，還有鐵心損耗PFe。無論是銅損耗還是鐵心損耗，都將轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā)出去，導(dǎo)致電機(jī)溫度升高，影響電機(jī)效率。

(1)銅損耗

直線電動機(jī)的勵(lì)磁線圈采用漆包銅線繞制而成，當(dāng)電機(jī)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，線圈中有正弦交流電通過，此時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的銅損耗計(jì)算式:

式中:I為通過勵(lì)磁線圈電流的有效值;R為勵(lì)磁線圈的電阻。計(jì)算時(shí)，應(yīng)結(jié)合銅線的電阻率隨溫度的變化率，按電機(jī)實(shí)際工作溫度下的電阻值進(jìn)行計(jì)算。

(2)鐵心損耗

在直線電動機(jī)中，為了增大磁路中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，會使用內(nèi)外軛鐵來滿足電機(jī)的磁路要求，我們把內(nèi)外軛鐵稱為鐵心。當(dāng)直線電動機(jī)中的內(nèi)外軛鐵位于交變磁場中并被反復(fù)磁化，它們的BH關(guān)系曲線為磁滯回線，此時(shí)內(nèi)外軛鐵上將會有能量損耗，稱為鐵心損耗。鐵心損耗分為磁滯損耗和渦流損耗兩部分。

直線電動機(jī)中的磁滯損耗是內(nèi)外軛鐵反復(fù)被磁化，其磁疇相互之間不停地摩擦，導(dǎo)致分子運(yùn)動所消耗的能量。磁滯回線所包含的面積代表單位體積導(dǎo)磁材料在磁化一個(gè)周期過程中所消耗的能量。即:

式中:Phc為每磁化一周引起的磁滯損耗，V為內(nèi)外軛鐵的體積。工程上表示每秒消耗的磁滯損耗能量的經(jīng)驗(yàn)公式［4］:

式中:kh為內(nèi)外軛鐵的磁滯損耗系數(shù);f為輸入線圈交流電的頻率;Bm為磁化過程中的最大磁通密度;指數(shù)n與軛鐵材料的性質(zhì)有關(guān)，其數(shù)值在1．5～2．0之間，一般估算時(shí)取2．0。

由于內(nèi)外軛鐵既是導(dǎo)磁體，又是導(dǎo)電體，當(dāng)它處在交變磁場中時(shí)，在軛鐵內(nèi)會產(chǎn)生自行閉合的感應(yīng)電流，即為渦流，渦流在軛鐵中產(chǎn)生焦耳熱損耗，稱為渦流損耗。由于軛鐵的電阻很小，因此產(chǎn)生的渦流非常大。頻率越高，磁通密度越大，感應(yīng)電動勢就越大，渦流損耗也越大;鐵心的電阻率越大，渦流流過的路徑越長，渦流損耗就越小。

若內(nèi)外軛鐵是整塊的，則它們的電阻很小，渦流很大，因?yàn)闇u流而損耗的焦耳熱就大。為了減小渦流損耗，直線電動機(jī)的內(nèi)外軛鐵可以采用疊片狀的硅鋼片制作而成，并使硅鋼片平面與磁感應(yīng)線平行。一方面因?yàn)楣桎撈旧淼碾娮杪瘦^大，另一方面由于各片之間存在絕緣材料，這樣就把渦流限制在各片之內(nèi)，使渦流大為減小，從而能減小電機(jī)損耗，提高電機(jī)效率。如不計(jì)飽和影響，由正弦電流所激勵(lì)的交變磁場中的內(nèi)外軛鐵渦流損耗的經(jīng)驗(yàn)公式［4］:

式中:ke為軛鐵的渦流損耗系數(shù);τ為軛鐵的疊片厚度。

由于鐵心損耗是磁滯損耗和渦流損耗之和，在工程上可以將它們綜合到一起，近似表示［4］:

式中:kFe為鐵心損耗系數(shù)。

由上面的分析可知，直線電動機(jī)內(nèi)外軛鐵中的磁通恒定時(shí)并不會有鐵心損耗，只有在交變的磁通中才會產(chǎn)生鐵心損耗。鐵心損耗的大小取決于軛鐵的材料特性、磁通密度、頻率和軛鐵的體積。在工程實(shí)際應(yīng)用過程中，鐵心損耗的值很難通過上述公式進(jìn)行精確計(jì)算，一般采用實(shí)驗(yàn)測量或數(shù)值模擬的方法來確定鐵心損耗的大小。

(3)其它附加損耗

其它附加損耗又稱為雜散損耗，它主要包括機(jī)械損耗，以及由于諧波磁動勢、漏磁通引起的附加鐵損耗和附加銅損耗。例如，漏磁通在直線電動機(jī)端部和周圍的金屬零部件中引起的鐵損耗;磁動勢的高次諧波在電機(jī)表面感應(yīng)高頻渦流引起的鐵損耗;電機(jī)運(yùn)動時(shí)由于磁路各部分磁阻不同而引起磁通產(chǎn)生脈動損耗;繞組中由于集膚效應(yīng)使電流分布不均勻而引起的額外銅損耗等。該損耗比銅損耗和鐵心損耗要小得多，而且計(jì)算復(fù)雜，可以由經(jīng)驗(yàn)估算，一般在 1%以內(nèi)［4］。

直線電動機(jī)的輸入功率越大，損耗越大，溫升越高，為了保證電機(jī)的長壽命和可靠性以及提高電機(jī)效率，應(yīng)該對直線電動機(jī)的損耗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量?；诶碚撚?jì)算和實(shí)驗(yàn)測量來優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)，選擇合適的電機(jī)零部件材料，調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，通過采取這些手段來減小損耗，提高電機(jī)和整機(jī)的效率。

3直線電動機(jī)的效率研究

通常情況下，我們對制冷機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過程中壓縮機(jī)的效率進(jìn)行評價(jià)時(shí)，只考慮電機(jī)的銅損耗，此處稱為銅耗效率，即輸入的總電功和銅損耗之差與總輸入功的比值，用ηCu來表示，其表達(dá)式［5］:

式中:Pm為壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過程中的輸入功率。

銅耗效率測量和計(jì)算非常方便，只需測量輸入制冷壓縮機(jī)的總電功以及通過銅線繞組的電流和電阻值，就可以精確地計(jì)算出其效率的大小。然而通過理論分析可知，直線電動機(jī)中除了銅損耗PCu之外，還存在鐵心損耗PFe和其它附加損耗Pelse，Pelse相對于PCu和PFe非常小，而且很難進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出。在直線電動機(jī)中鐵心損耗也很難有一個(gè)精確的計(jì)算公式，且國內(nèi)外也沒有針對此類直線電動機(jī)給出相關(guān)的測量方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本文在考慮傳統(tǒng)的壓縮機(jī)效率評估的基礎(chǔ)上，將鐵心損耗引入其中，得出壓縮機(jī)的直線電動機(jī)效率計(jì)算公式，如下:

綜合考慮電機(jī)的銅損耗和鐵心損耗之后得出的電機(jī)效率能更加真實(shí)地反映直線電動機(jī)的性能，對電機(jī)性能的評判更加準(zhǔn)確。由于銅損耗容易測量，所以下面將布置實(shí)驗(yàn)方法和測試平臺對直線電動機(jī)的鐵心損耗進(jìn)行測量。

4電機(jī)損耗的測量方法和數(shù)據(jù)分析

對雙線圈雙磁鋼和單線圈單磁鋼兩種結(jié)構(gòu)形式的動磁式直線電動機(jī)的電機(jī)損耗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，可以得出它們在不同頻率行程狀態(tài)下的銅損耗和鐵心損耗的變化情況。選用這兩個(gè)直線電動機(jī)來進(jìn)行鐵損實(shí)驗(yàn)的原因是:它們的電機(jī)比推力接近，都通1 A的直流電流時(shí)，這兩種直線電動機(jī)在動子組件上產(chǎn)生的軸向電磁推力都在25 N左右。而這個(gè)比推力參數(shù)是直線壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)之一，也是最重要的性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

在壓縮機(jī)正常開機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)動子組件在交變電磁力的驅(qū)動下做往復(fù)直線運(yùn)動，輸入的電能很大一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在電機(jī)的損耗測量實(shí)驗(yàn)過程中，為了便于數(shù)據(jù)測量和分析，控制輸入的電能只轉(zhuǎn)化為銅損耗和鐵心損耗，而沒有任何的機(jī)械損耗。因此為了避免直線電動機(jī)動子的運(yùn)動帶來的誤差，將電機(jī)動子和定子通過螺釘緊固在一起，保證它們之間沒有相對運(yùn)動，并通過設(shè)計(jì)相關(guān)模具來調(diào)節(jié)動子組件的位移。

圖3為兩種直線電動機(jī)在通過有效值為3 A的交流電流時(shí)，電機(jī)的總損耗在不同位移情況下隨頻率的變化曲線圖。單線圈單磁鋼直線電動機(jī)的繞線電阻只有1．2 Ω，而雙線圈雙磁鋼直線電動機(jī)的繞線電阻為3．4 Ω，它們在相同的電流激勵(lì)下，銅損耗恒定不變，所以總功耗的變化則表示了鐵心損耗的變化。從圖4中可以看出，單線圈單磁鋼直線電動機(jī)的銅損耗很小，而鐵心損耗隨著頻率的變化增長很快，在頻率大于100 Hz時(shí)，其總損耗趕上或超過雙線圈雙磁鋼直線電動機(jī)的總損耗，而雙線圈雙磁鋼直線電動機(jī)的總損耗變化非常緩慢。圖3和圖4給出了兩種直線電動機(jī)的總損耗和鐵損在位移為零和5 mm處的變化曲線，從圖中的測量曲線可知，位移對單線圈單磁鋼直線電動機(jī)的損耗影響不大，對于雙線圈雙磁鋼直線電動機(jī)而言，動子位移為5 mm時(shí)鐵損略小于位移為零的損耗。

圖3 兩種直線電動機(jī)總損耗在不同位移隨頻率的變化曲線圖

在此實(shí)驗(yàn)中，直線電動機(jī)的鐵心損耗計(jì)算式:

圖4和圖5是兩種直線電動機(jī)在不同位移的鐵心損耗及其占總損耗的比重隨頻率的變化曲線圖。從圖中可以看出，隨著頻率的增加，兩種電機(jī)的鐵心損耗都會增加，但是單線圈單磁鋼的鐵心損耗增長速度比雙線圈雙磁鋼直線電動機(jī)更快。從圖5中可知，單線圈單磁鋼直線電動機(jī)中的鐵損耗所占比例明顯高于雙線圈雙磁鋼直線電動機(jī)，在單線圈單磁鋼直線電動機(jī)中，在頻率超過75 Hz時(shí)，鐵損耗超過銅損耗，所占比例超過50%;在頻率達(dá)到120 Hz時(shí)，鐵損所占的比例高達(dá)68%。而在雙線圈雙磁鋼直線電動機(jī)中，這一比例在120 Hz時(shí)最大也只有15%。分析上述兩種直線電動機(jī)鐵損耗差別的原因主要是:單線圈單磁鋼直線電動機(jī)中的線圈電流方向是朝一個(gè)方向的，因此電機(jī)在交流電下運(yùn)行時(shí)，內(nèi)外軛鐵中的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化劇烈，因此鐵心損耗也就變化更大。而雙線圈雙磁鋼直線電動機(jī)兩個(gè)線圈中的電流方向相反，因此它們在內(nèi)外軛鐵上產(chǎn)生的磁通方向相反，因此能抵消一部分內(nèi)外軛鐵中的磁滯損耗。且在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過程中，其磁路變化很小，因此渦流損耗也很小，因此它的鐵心損耗明顯小于單線圈單磁鋼直線電動機(jī)。

綜合上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線以及對曲線的分析可知，兩種直線電動機(jī)在不同位移下的鐵心損耗變化很小，而它們對頻率的變化非常敏感，尤其是單線圈單磁鋼直線電動機(jī)。而我們通常評價(jià)電機(jī)性能的方法(只考慮銅耗效率)并不能真實(shí)地反映電機(jī)的效率和好壞，而應(yīng)該綜合考慮直線電動機(jī)的銅耗與鐵心損耗，這樣才能更全面和準(zhǔn)確地反映直線電動機(jī)性能。

5結(jié) 語

本文介紹了單線圈單磁鋼和雙線圈雙磁鋼兩種動磁式直線電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并對它們的損耗特性和電機(jī)效率進(jìn)行了分析，它們的損耗主要包括銅損耗和鐵心損耗。在評價(jià)電機(jī)效率時(shí)，不能只考慮電機(jī)的銅損耗，而忽略鐵心損耗。因此本文提出了一個(gè)新的電機(jī)效率表達(dá)式，不同于傳統(tǒng)直線電動機(jī)效率評價(jià)方法，該公式包括了電機(jī)的鐵心損耗，能更加真實(shí)準(zhǔn)確地反映壓縮機(jī)的真實(shí)損耗情況。在此理論基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套鐵心損耗的實(shí)驗(yàn)測量方案，這種實(shí)驗(yàn)方案能非常方便準(zhǔn)確地對直線電動機(jī)的鐵心損耗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。

［1］ 胡白楠，陳曉屏，夏明．微型斯特林制冷機(jī)的進(jìn)展［J］．紅外技術(shù)，2006(12):730-733．

［2］ 丁國忠，張曉青，何明順，等．斯特林用直線壓縮機(jī)的研究［J］．低溫與超導(dǎo)，2007，35(6):458-462．

［3］ 霍英杰，閆春杰，許國太，等．小型斯特林制冷機(jī)動力學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)［J］．真空與低溫，2007，13(1):32-34．

［4］ 胡虔生，胡敏強(qiáng)．電機(jī)學(xué)［M］．第二版．北京:中國電力出版社，2009:6-7．

［5］ 李姍姍，熊超，吳亦農(nóng)，等．低溫制冷機(jī)用線性壓縮機(jī)效率的理論及實(shí)驗(yàn)研究［J］．低溫與超導(dǎo)，2011，39(3):4-7．