基于Maxwell 2D的永磁直線壓縮機運動特性分析

李桂銀，時巖，陳佼，胡樂樂

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

基于Maxwell 2D的永磁直線壓縮機運動特性分析

李桂銀，時巖，陳佼，胡樂樂

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要：設(shè)計一款動圈式永磁直線雙缸壓縮機，介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理，并利用實驗方法間接求出系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。應(yīng)用Maxwell 2D軟件對直線壓縮機的諧振頻率特性、0.8 MPa負載下的壓縮機運動特性進行求解。計算結(jié)果表明：直線壓縮機系統(tǒng)的固有諧振頻率隨著負載壓力的增加而升高，加載的激勵電流與系統(tǒng)的諧振頻率一致時，壓縮機處于諧振工作狀態(tài)，運行特性最佳。

關(guān)鍵詞：直線壓縮機；運動特性；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

壓縮機是一種通過壓縮氣體或其他壓縮劑以提高壓力對外做功的機構(gòu)。該機構(gòu)已經(jīng)在冰箱、斯特林制冷機和電子元器件冷卻等領(lǐng)域得到應(yīng)用[1- 2]。永磁直線壓縮機與傳統(tǒng)的壓縮機相比，在結(jié)構(gòu)上省去了運動轉(zhuǎn)換裝置和電勵磁結(jié)構(gòu)，活塞受電動機動子的直接驅(qū)動而運動，由電壓或電流直接控制活塞的運動行程，因此具有結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲低、效率高等優(yōu)點。永磁直線電機作為永磁直線壓縮機的驅(qū)動裝置，利用電磁力和機械諧振推動活塞往復(fù)運動對外做功，同時永磁直線壓縮機系統(tǒng)在運行方式上可以看作是一種機械振動系統(tǒng)，系統(tǒng)振動特性的優(yōu)劣，會直接影響整個壓縮機運行效率。由于運用實驗的方法考察壓縮機的性能會花費大量的人力和物力，而采用仿真分析的方法具有快速、節(jié)省成本的優(yōu)點，文中應(yīng)用有限元軟件Maxwell 2D分析該壓縮機的運動特性。

1壓縮機結(jié)構(gòu)和工作原理

1、8—氣缸蓋與閥組件；2、7—端蓋；3—隔磁環(huán)；4—壓縮機外套；5—動子線圈；6—永磁體；9—活塞；10—連接桿；11—壓縮機內(nèi)套；12—活塞壓縮腔 圖1　動圈式永磁直線壓縮機結(jié)構(gòu)圖

在實驗室現(xiàn)有直線壓縮機的基礎(chǔ)上[3]，設(shè)計一款新型的動圈式永磁直線雙缸壓縮機。與原有壓縮機相比，由于動子在兩個運動方向上都能夠進行壓縮和排氣，因此整個系統(tǒng)排氣更連續(xù)。且雙缸對稱的設(shè)計，在往復(fù)運動時壓縮機兩端的活塞均受到相同的氣體壓力，不僅降低了彈簧的設(shè)計難度，也降低了壓縮機的控制難度[4]。壓縮機結(jié)構(gòu)如圖1所示。該壓縮機在結(jié)構(gòu)上為對稱布置。壓縮機工作時，永磁體產(chǎn)生磁場，動子線圈中的通電導(dǎo)線通入交變的驅(qū)動電流后，會在氣隙磁場中受到交變的電磁驅(qū)動力。由于活塞是通過連接板與動子線圈連接的，因此電磁驅(qū)動力會被傳至活塞使其往復(fù)運動；同時動子(包括線圈、活塞以及連接桿)通過彈簧彈性支撐，共同構(gòu)成振動系統(tǒng)，活塞在壓縮腔內(nèi)壓縮氣體，氣體被壓縮后由排氣閥排出氣缸。

永磁直線壓縮機的工作特性與排氣負載壓力的關(guān)系十分密切。氣體對活塞作用的最終結(jié)果是影響整個壓縮機系統(tǒng)的固有諧振頻率。在不同的負載條件下，壓縮機系統(tǒng)的工作性能也不盡相同。直線壓縮機在工作時，動子在行程的初始階段是加速運動的，在行程終點時將速度減為零并實現(xiàn)換向。當加載的驅(qū)動電流與系統(tǒng)的諧振頻率一致時，驅(qū)動電流產(chǎn)生的電磁力和壓縮機的活塞位移在相位上存在90°的相位差時，系統(tǒng)處在諧振狀態(tài)。如果加載的激勵電流與系統(tǒng)的諧振頻率不一致，壓縮機的工作就不能達到諧振狀態(tài)，此時壓縮機不能將電磁推力完全利用，導(dǎo)致壓縮機效率降低。因此不同的負載條件下，需要確定出壓縮機系統(tǒng)不同的固有諧振頻率，進而通過控制電磁推力的頻率與系統(tǒng)固有頻率實時匹配，來實現(xiàn)直線壓縮機的高效穩(wěn)定運行。

2壓縮機的運動方程

對于直線壓縮機系統(tǒng)，動子的運動情況直接關(guān)系到整個壓縮機的工作性能，可以根據(jù)直線振蕩電機理論描述整個系統(tǒng)的動態(tài)特性：

其中氣體力是隨著壓縮機活塞位置的變化而變化的，其大小與壓力差和活塞頂端的面積成正比：

式中：Ps為活塞腔進氣口的吸氣壓力；Pd為活塞腔排氣口的排氣壓力；S0為排氣終點與閥件組之間的當量距離(包括其他余隙容積的等效距離)；S為壓縮機活塞的行程；n為氣體的多變指數(shù)。

對于系統(tǒng)的阻尼系數(shù)c，通常的做法粗略地估計出其值或忽略[5-6]，現(xiàn)選擇通過實驗的方法間接地將其測得。首先用固定裝置將壓縮機的動子卡住使其無法運動，通入電流i1，此時壓縮機的輸入功率P1全部消耗在鐵心損耗PFe和線圈銅損PCu上。線圈的電阻R可通過萬用表測得，進而根據(jù)電流i1計算得出線圈銅損PCu，輸入功率P1與線圈銅損PCu的差即為鐵心損耗PFe。撤去固定裝置，通入電流i2使壓縮機空載運行，此時的輸入功率P2是用來克服阻尼損耗、鐵心損耗和線圈銅損。而鐵心損耗與線圈損耗都已求出，輸入功率P2與兩者的差即為阻尼損耗Pc。

根據(jù)阻尼系數(shù)c和阻尼損耗Pc的關(guān)系式[7]即可求得阻尼系數(shù)的大小。

3計算結(jié)果

利用Maxwell 2D對直線壓縮機進行分析，首先應(yīng)選擇合適的求解器。由于在壓縮機運行時，其特性是隨時間和運動狀態(tài)的變化而改變的，故選用Maxwell 2D中的Transient模塊進行建模，該模塊適用于模型中動子部分直線運動的建模。然后根據(jù)直線壓縮機驅(qū)動電機各部分設(shè)計尺寸，建立直線驅(qū)動電機的二維對稱簡化模型，如圖2所示。之后確定直線感應(yīng)電機各部分的材料屬性和有限元計算的邊界條件和外加電源。最后在設(shè)定好的運動邊界、外加載荷、阻尼系數(shù)、時間步長等動態(tài)參量后進行仿真計算。

圖2　直線驅(qū)動電機的二維對稱簡化模型

在Maxwell 2D中將不同排氣壓力下的氣體力等效成負載，并以外加載荷的形式輸入至軟件中。通過加載不同的激勵電流使電機動子運動，通過調(diào)節(jié)電流的頻率和幅值使系統(tǒng)達到諧振狀態(tài)。壓縮機的運行參數(shù)對其性能有著明顯的影響，圖3為排氣壓力0.8MPa下活塞的最大位移隨電流頻率的變化情況。當驅(qū)動電流的頻率滿足壓縮機的諧振條件時，活塞振幅達到最大，如圖4所示。此時活塞的位移相位和電磁力的相位相差90°，電磁力始終對活塞做正功，壓縮機的工作效率最高。此時從外部輸入的電能除線圈損耗以及鐵芯損耗外，其余能力全部轉(zhuǎn)化為動子的機械能對氣體做功，轉(zhuǎn)化效率越高，對氣體做功就越多。另外從圖3中也可以看出，當驅(qū)動電流頻率與壓縮機的諧振頻率相差越大時，活塞振幅值就越小，說明壓縮機的排氣量越小，此時壓縮機的工作效率也就越低。

圖3　0.8 MPa排氣壓力活塞最大位移隨著電流頻率變化

圖4　穩(wěn)定狀態(tài)下活塞位移及電磁力變化曲線

對于壓縮機不同負載氣體壓力下，壓縮機的諧振頻率也是不同的。為了能夠使壓縮機在不同排氣壓力下高效地工作，求得壓縮機諧振頻率和負載氣體壓力關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，諧振頻率隨著負載氣體壓力的升高而增大，這是由于氣體被壓縮時會有一定的氣體剛度，負載氣體壓力上升后，氣體剛度的增加導(dǎo)致壓縮機工作整體剛度增加，因此系統(tǒng)的固有諧振頻率也隨著增加。由于在直線壓縮機運行過程中，可以通過調(diào)節(jié)輸入電流的頻率來實時地實現(xiàn)直線壓縮機的驅(qū)動電機與外部負載的匹配。

4壓縮機壓縮量的調(diào)節(jié)方式

壓縮機的排量是由壓縮機的工作頻率以及活塞行程決定的。傳統(tǒng)的壓縮機，其行程是由機械結(jié)構(gòu)決定的，而直線壓縮機的活塞處于半自由的運動狀態(tài)，其行程受到很多因素干擾，例如驅(qū)動電流的幅值和頻率、負載氣體壓力、動子質(zhì)量以及機械彈簧的剛度等，而通過調(diào)節(jié)電機的運行參數(shù)可以達到調(diào)節(jié)排氣量。因此可供調(diào)節(jié)的有：電源電壓或電流、波形以及頻率等。最終通過調(diào)節(jié)，使直線壓縮機始終處于諧振狀態(tài)，使其在高效率的情況下實現(xiàn)排氣量的改變。

圖5　壓縮機諧振頻率和負載氣體壓力關(guān)系

5結(jié)語

分析了永磁直線壓縮機的運動特性，在有工作負載的條件下，整個系統(tǒng)在滿足諧振條件時，壓縮機的工作效率最高，壓縮機的負載發(fā)生變化時，需將壓縮機的運動參數(shù)進行改變才能使壓縮機持續(xù)在最佳工作狀態(tài)運行。

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《機械制造與自動化》編輯部

2015年7月

收稿日期：2014-01-14

中圖分類號：Th15

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0020-03

作者簡介：李桂銀(1987-)，男，江蘇徐州人， 碩士研究生，主要研究方向為汽車安全、節(jié)能與環(huán)保技術(shù)。

基金項目：江蘇省自然科學(xué)基金(BK20130757)