高效率电磁驱动直线压缩机的研究_吴张华

工 JO U R N A L 热 物 理 学 报 E N G IN E E R IN G T HE R MO PH Y SIC S V 6 1 . 26 , N o . 3 M ay , 20 0 5 程 FO 第 26 卷第 3 期 2 0 05 年 5 月 高效率电磁驱动直线压缩机的研究 吴张华‘,2 罗二仓‘ 戴 巍‘ 胡剑英1, “ ( 1 . 中国科学院理化技术研究所 , 北京 10 0 0 80; 2 . 中国科学院研究生院, 北京 10 0 0 2 7 摘 要 本文设计了一台用以驱动热声制冷机的永磁长动圈式无阀型线性压缩机。 文章从基本的方程出发给出了线性压 缩机设计的思路。 在数值计算方面细致地考察了线性压缩机各参数, 如动质量 、 弹簧刚度 、 频率响应以及声学负载等参数 的影响, 为实际模型的设计提供了参考 。 关扭词 线性压缩机; 中图分类号: T B 65 2 热声制冷机 ; 设计 文献标识码 : A 文章编号: 0 2 5 3一2 3 1X (2 0 0 5 )0 3刁4 3 5一3 A S T U D Y O F H IG H P E R F O R MA N C E E L E C T R O M A G N E T IC A L LY D R IV E N L IN E A R C O M P R E S SO R W U Z h a n矛H u a l , 2 LU O E r- C a n g l D A IWe i l H U Jia n 一 Yin g l , 2 (1 . Te e hn je a l In stf亡u 亡e o f P妙sics a n d Ch em 坛亡理 of Ch jn es e A ca d e兀沙 o f Sc jo e es , B eij 万铭 1 0 0 0 8 0 , Ch 了n a ; 2 . G ra d u a 七e SCh o o l of Ch 万n es e A e a d e耳ly o f s c jen ees , B e行初9 10 0 0 2 9 , Ch 万n a ) A b s t r a e t T h is p a Pe r p r e s e nt s the d e sign o f a val ve le s s lin e ar e o m p r e s s o r , w hieh has a p e r m a n e n t m a g n e t an d a lo n g m ov in 片e o il. A n d it ajs o p r e se nt s th e d esig n m e t ho d d e d u e e d fr o m b a sie e q u a tio n s o f li n e ar e o m Pr e s so r , w hieh a ets as a powe r s o ur e e in th e th e rm o a e o u stie r e fr ig e r a t o r sy stem . So m e Par a m e te r o f lin e a r e o m Pr e s so r , su eh as m ov in g m as s , sPrin g stiffn e s s , wo rk in g fr e q u e n e y a n d a e o u st ie lo a d , a r e i nve stig a te d in d e tai l in nu me rieal an al y sis , an d it p r ov id e s so m e g u id e lin e s fo r d e sig n in g a n e ffi e ie nt lin e a r e o m P r e s s o r . K e y wo r d s lin e a r e o m P r e s s o r ; th e r m o a e o u stie r efr ig er a to r ; d e sig n 1 前 言 线性压缩机是利用电磁力使电机动子作直线往 复运动的装置 . 它克服了传统压缩机的一些不足。 首 先 , 传统活塞式压缩机采用曲柄连杆机构将回转式 电机的回转运动转换成活塞的往复直线运动, 因而 在活塞上了形成较大的侧向力, 加剧了活塞与气缸 的磨损 , 影响了效率与寿命 ; 其次 , 传统活塞式压缩 机还有着体积大 、 效率低 、 噪声大等不足 。 而线性压 缩机具有效率高、 可靠性好、 结构简单 、 维护方便、 可控制行程等优点; 20 世纪 60 年代以来 , 线性压 缩机越来越引起了人们的兴趣 。 2 模型及基本方程 2. 1 模型 图 1 为永磁式长动圈线性压缩机的示意图 , 其 中 1 为硬磁 , 2 部分为电工纯铁 , 起导磁及聚 磁作用 , 最终在 N 极左侧纯铁下方的气隙间形成一 高强度的磁场。 K 为弹性元件 , C 为阻尼系数 。 为 充分利用磁场 , 设计采用长动圈结构。 压缩机输入 为两相正弦交流电, 通电线圈在交变安培力及弹性 元件作用下带动动子作往复运动 , 从而带动活塞等 扫气元件轴向运动产生压力波动。 ------------------- 、、 lll - -叫叫.--- ...rrrrr竺 二二lll ‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘甲一 . _ . ...屡屡屡屡 图 1 长动圈式线性压缩机示意图 2. 2 基本方程 线性压缩机是一个机电系统 , 因而其基本方程 收稿日期: 2 0 0 4 一 1 1 一2 5 ; 修订 日期 : 2 0 0 5 一0 3 一2 3 荟金项 目: 中科院知识创新工程重要方向性项目支持 (N o. K JC x Z一sw- w lZ一l)作者简介: 吴张华 (1 9 7 9一 ) , 男 , 江苏如东人 , 博士生 , 主要从事电驱动热声制冷机的研究. 工 程 热 物 理 学 报 26 卷 由电压平衡方程和力平衡方程来组成。 电压平衡方程式: 。 示A : U 二—A 尹 (8) 二le c、+ ; 。1·c鬓+ 。。‘一 v (1) 力平衡方程式 : _ _ _ _ _ dv B o l坛+ Fl o“ 一 R m e eh v 一 K x = M二 (2 )~ a 石 其中, 电阻 Re le 。 , 电流 ￡, 电感 Le lec [l1 , 磁通量密 度马 , 导线长 l , 动子速度 。 , 输入电压 v , 负载 Fl oa d , 阻尼系数 R m ec h , 机械弹簧刚度系数 K , 动 子质量 M , 动子位移 X , 扫气面积 A . 引入复数 记号 : 式 (6) 、 (7)、 (8 )中, A ‘ = (Re le e R a m 一 Xe ;e eXa m + 二2 )+ j(R e le e Xa m + Xe le C R a m ) , 其中 几a m = 几m e e h + A Z几ac o u o t Xa m = x :n e eh + A ZXa e o u s、 Ra m 为机械负载阻抗实部与声阻抗实部祸合成机械 阻抗实部两部分之和 , Xa m 为两部分阻抗虚部之 和 . 可认为声阻抗到机械阻抗的转换是扫气面积平 方的关系. 若将阻抗画成与电路的形式 lzl , 这种关 系就非常明显了 . 所消耗电功为: = 了· 。j“ , 。 = 石· 。j“ , v = 示 . 。J。‘ V 为复数 . V ; 二 _ 。J ‘F ‘‘口 7公 We lec 一告Re [vi* 卜誓Re [i*] 一警 R e ,e c (R芝m + x 之m )+ 二 ZR 泛m B , (9 ) 压缩机出口声功: R e !△凡e o u s。U ]一 ;; ·@ac 。u 。t云·卜警1”一q山一一 “、, , 示波动量 , I 、 石 、 二 一了· ’ “ - 体积流量 : △场 云= A价扣‘ 由式 (1 ) A Z了 ZR a e o u s t B , (1 0 ) 示一 (Rel e c +j xe le C )孙导亏八 其中, Xe le 。 二 。 · L 为电阻抗虚部 ; : = B 。 电转换常数。 而 (3 ) 为机 式 (9 ) 、 (10 ) 中, B ‘ = (R 着le c + 鸡 e e )(R泛m + x 之m ) + ZRe l e e 了 Z Re l e e 二 2丑a m 一 ZXe 一e e 了 ZXa m + 下 4 电声转换效率: 叭r a n s 丛竺 _ 1+ △场 需牛 +月o a d = △歹. A = (几 一凡 c o u s 七) , R e le e A Z了 ZR a e o u s t [几芝m + %之m } (1 1)若忽略背腔压力 几 二 O , 则: F1 0 a d = 一Pa e o u s t A 以上式子中, “ * ” 表示复数的共扼. 由式 (11) 可得, 若保持其余参数不变, 当尤粼 = 0 时 , 可以获得最 的将幻”仅(]由式 (2 ) Pac ou s、 一 导了汽 (4 ) 高的电声转换效率。 此时 , 压缩机工作在 “谐振 状态即声学阻抗和机械阻抗共同谐振的状态 . A 作自变量 , 对式 (n ) 求效率最值 , 得 : 其中, X m ec h = 。M 一 负载声阻抗为 : 遇竺些带丝三竺云 K / 、 为机械阻抗虚部 . 叮A b e s t = 口 一 l口 + 1 ’ 。 一 、 /不号二 + ,丫 占 ‘e le c “m e c n R a e o u s t + JX a e o u s 、 = 定义 。 为线性压缩机品质因子 , 它决定了线性压缩 机可能达到的效率最大值 . 此时最佳扫气面积为 : ,JJ.上 、、 1 .声声 d.几 + Pa e o u s t 云 (5 ) 联立方程 (3 ) 、 (5 ) 解得 : V (Ra m + jXa m ) A , A之e 。。 (厩磊p 2二华理色 fR 子_ _ _ ‘ 、 (6 ) Pac o u s t = v A 二(R a e o u s七 + jXa e o u o t ) A , 3 计算结果与分析 实测气隙磁场强度为 1 . 1 特斯拉, 轴向长度为 23 ~ 、 径向宽度为 6 ~ . 算例中已知线圈输入 的一一(”I (7 ) 昊张华等 : 高效率电磁驱动直线压缩机的研究 端的电压有效值 V0 = 2 20 伏特。 线圈最大电流有效 值不超过 6A /~ 2 . 取导线直径 0. 63 ~ [a] (包括外层绝缘漆厚度) , 实测电阻值为 10 .6 几 . 3 . 1 动子质t 和弹赞刚度的影响 动质量及弹簧刚度是机械阻抗的惯性部分 。 图 2、4 计算中取声阻抗为 3 x lo 7 kg / (s ·m 4 ) , 频率 50 H z , 扫气面积为 3 2 em Z , 工作压力 2 M p a . 图中 — 2 0 N / n ””- 50 N / n ”11 -- 一 一 8 0 N / 1翻m - 相位均是以输入电压相位为参考. 图 2 中 , 效率曲 线随动质量变化可取得最大值 , 而此时消耗的电流 取到极小值 (图 3) 、 电流的与位移相位差为 900 (图 4) , 系统达到谐振状态。 3 . 2 频率响应与声学负载的影响 图 5 中, A . L . 表示声学负载, 分别取值 5 x 106 、 1 · 5 x lo 7 、 3 x 10 7 kg / ( s · m 4 ) 。 图 5 中, 效率随负载 变化存在一个最值 , 效率最大值变化曲线 华 m ax , 随着声学负载的不断增大先急剧上升后缓慢下降 , 表明只有在声负载匹配的情况下才有可能得到较高 的效率. 0864内艺ŽU1100on甘0 卜 .‘、†”‘‘.,J”‘、J二”‘内孟...L...L....L....L....L...L....L....卜.Lrt.Lf.Ln甘n ”QU6420o1 0n甘00 卜 M / kg 图 2 效率 一 动子质量图 3 5 - }— 20 N / ~30 t— 5 0 N / nUn! 一 一 一 8 0 N / m rn 、一 ’ ‘ 、 ~ ” ‘ 一 ’ 一 , 呢 万 - -一 “ 、一屯一二一、 . _ . _ . _ 愁二, 竺 _~ 一召端 . 二‘‘ 12 0 1 5 0 ”一”””|湘l.j全犷一n”†””””””目邝.r一飞一 一 允许值 6 0 9 0 f / HZ 图 5 效率 一 工作频率图 L I----L 眨Ž代 , 、、 、 0占 M / 吨 图 3 电流幅值 一 动子质量图 18 0 13 5 ,, , 介, 、~~~井泛泛 ~~~ 一 一 少JJJ 一 一 一 0 一 III ... . 勿 . . . ‘‘ 一 0 _ vvv----- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 - - -— 0 _ x ...11111 1 111 4 结 论 影响线性压缩机效率的因素有多种 , 包括线圈 电阻、 机械阻尼 、 负载等耗散量 , 其最值由式 (12 ) 确 定; 当系统处于阻抗虚部为 o 的谐振状态时 , 改变 动子质量、 弹簧刚度等表征阻抗虚部的量时对系统 的效率没有影响 , 但是影响谐振频率; 通过调整扫 气面积或者声阻抗大小 , 使得机械部分与声学负载 实现好的匹配 , 可达到高的效率。0气口94 参 考 文 献ŽU气甘0口JCU 月,9飞†00 一一 。„\0 M / kg 图 4 x , v ,I 相位 一 动子质量图 【l] 张士林, 屈文莺编. 电工手册 (修订本) . 北京: 石油工业 出版社, 1 9 9 0 【2」研厄k e la n d R 5 . U s e o f E le e t r o d y n a m i c D r iv e r s in T h e r - mo ac o u s t i e R e fr ige rat o r s . J . A e o u s t . S o e . A m . , 2 0 0 0 , 10 7 (2 ) : 8 2 7-- 8 3 2 [s] 《 电工手册 》 编写组. 电工手册 . 第三版 . 第十四章. 上海科学技术出版社 , 1 9 94