線性壓縮機(jī)用動磁式直線電動機(jī)研究摘要：討論了一種新型直線壓縮機(jī)驅(qū)動用動磁式直線振動電機(jī)的研制過程。通過對直線電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析和抽象，建立了磁路物理和數(shù)學(xué)模型。求解電機(jī)動子的動力學(xué)方程和驅(qū)動電路和電壓方程，得到了驅(qū)動電壓與動子位移的關(guān)聯(lián)式并分析了電機(jī)參數(shù)對動子運(yùn)動特性和電機(jī)性能的影響。為了進(jìn)一步對電機(jī)的電磁場進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)用電磁場理論和有限元方法，求解得到的磁通分布為設(shè)計提供了指導(dǎo)同時也揭示了電磁力產(chǎn)生的機(jī)理。最后，利用研制的直線電機(jī)樣機(jī)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(jī)的力-位移-電流之間的關(guān)系，為壓縮機(jī)的整體和電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵字：動磁式直線電機(jī)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(diào)、以及低溫系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。由于直線壓縮機(jī)在結(jié)構(gòu)上省去了運(yùn)動轉(zhuǎn)換裝置，直線電機(jī)動子直接驅(qū)動活塞運(yùn)動，而且其行程可以由電壓直接控制，使其具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長等優(yōu)勢，國內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)投入力量對其進(jìn)行研發(fā)[1]。作為直線壓縮機(jī)的驅(qū)動部分，直線電機(jī)的性能直接影響整個壓縮機(jī)的性能。直線電機(jī)主要利用電磁力和機(jī)械共振原理,直接推動活塞往復(fù)振動進(jìn)行工作。按照電磁驅(qū)動方式可以分為：動圈型、動鐵型及動磁鐵型，其電機(jī)類型屬于同步振蕩型直線電機(jī)。動圈型直線電機(jī)，其直線驅(qū)動電機(jī)勵磁采用永久磁鐵提供，或者采用線圈通直流電產(chǎn)生，運(yùn)動線圈通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起，置于強(qiáng)磁場中。運(yùn)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(fù)運(yùn)動。當(dāng)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(qū)動活塞在要求的行程范圍內(nèi)運(yùn)動[2]。這種壓縮機(jī)設(shè)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(qū)動力相對較小，行程短時，驅(qū)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(yùn)行時的可靠性下降，一般不適用于較大功率的壓縮機(jī)。目前大多數(shù)的直線壓縮機(jī)均采用了這種電機(jī)形式。動鐵型直線壓縮機(jī)，其直線驅(qū)動電機(jī)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(qiáng)磁場中。當(dāng)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(yùn)動，進(jìn)而推動氣缸中的活塞往復(fù)運(yùn)動。這種壓縮機(jī)與相同體積的其它壓縮機(jī)相比能產(chǎn)生較大的驅(qū)動力，壓縮比也較大，但這種壓縮機(jī)在氣隙中的運(yùn)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(jī)，其驅(qū)動直線電機(jī)靜子由內(nèi)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(qū)動力，進(jìn)而推動活塞往復(fù)直線運(yùn)動。這種壓縮機(jī)與前面兩種壓縮機(jī)相比，能使壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)銅線由于受熱引起的有機(jī)成份的散發(fā)，有利于保持工質(zhì)的純凈，這一點(diǎn)對于空間用斯特林和脈沖管制冷機(jī)意義重大?？傊?，動磁式直線電機(jī)推力大，動子質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)簡單可靠，更適合于制冷低溫用直線壓縮機(jī)。本文首先利用線性化磁路法對動磁式直線電機(jī)的磁路進(jìn)行了分析，得到了適用于電機(jī)設(shè)計的電機(jī)力和反電勢與電機(jī)尺寸和勵磁電流的表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合直線壓縮機(jī)的工況，對電機(jī)動子動力學(xué)特性進(jìn)行了分析。為了進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)電磁場，通過對Maxwell方程的數(shù)值解，對磁路進(jìn)行再組織的同時對電機(jī)性能進(jìn)行了分析。最后，對所研發(fā)的動磁式直線電機(jī)性能進(jìn)行了實驗分析，并與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果證明本文研制的直線電機(jī)能夠滿足直線壓縮機(jī)的要求。1動磁式直線電機(jī)的研制1.1動磁式直線電機(jī)樣機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理圖1：動磁式直線壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意本文根據(jù)直線壓縮機(jī)的實際性能需求和特點(diǎn)，設(shè)計了一臺動磁式直線往復(fù)電機(jī)，樣機(jī)的結(jié)構(gòu)和主要組成部分如圖1所示。圖中由輕質(zhì)金屬制成的活塞與電機(jī)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(nèi)外磁軛構(gòu)成的氣隙中，當(dāng)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(jī)動力往復(fù)運(yùn)動，與柔性彈簧形成一諧振系統(tǒng)。進(jìn)排氣閥均布置在機(jī)座上，氣體通過進(jìn)氣閥進(jìn)入壓縮腔，被壓縮后由排氣閥排出氣缸。1.2直線電機(jī)磁路設(shè)計圖2:動磁式直線電機(jī)磁路分析動圈式直線電機(jī)由永磁體產(chǎn)生氣隙磁場，載流導(dǎo)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(jī)，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(dá)式不能用安培力（F=Bil）簡單的表達(dá)。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(fù)雜。通過分析，運(yùn)用磁電類比原理，動磁式直線電機(jī)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(shè)不存在漏磁通[4]。麥克斯韋方程的磁準(zhǔn)靜態(tài)形式使磁場與產(chǎn)生磁場的電流相關(guān)聯(lián)[5]。通過磁路分析法可得到電磁力與繞組電流、電機(jī)幾何尺寸、永磁體性能有關(guān)。在略去的非線性項中，電磁力還與動子的位移有關(guān)，并表現(xiàn)出電磁力當(dāng)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(shè)計的表達(dá)式其精度是可以滿足需要的。（1）1.3直線電機(jī)動力學(xué)設(shè)計對于如圖1所示的阻尼振動系統(tǒng)，用動子的運(yùn)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(fù)運(yùn)動部分的質(zhì)量，K為機(jī)械剛度（Ke）和壓縮腔氣體剛度（Kg）的和，D為振子運(yùn)動阻尼為壓縮腔當(dāng)量氣體阻尼（Dg）和機(jī)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(jī)的動力學(xué)特性。1.4設(shè)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(jī)設(shè)計中需要考慮的問題是:1.為了提高效率，可以加大電動機(jī)的磁負(fù)荷，也即選用性能更好的永磁材料和導(dǎo)磁材料；選用更好的支撐材料和工藝，盡量減小電機(jī)的氣隙；減小電動機(jī)的電負(fù)荷及選用導(dǎo)電率更高的材料。2.欲增加電動機(jī)功率，可以加大電動機(jī)的電磁負(fù)荷，但增加電磁負(fù)荷會導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱，因此必須對動磁式直線電機(jī)進(jìn)行合理的熱設(shè)計。3.直線電機(jī)的設(shè)計必須考慮壓縮機(jī)的熱力學(xué)工況。2永磁直線電動機(jī)的電磁場分析以上分析了永磁直線電機(jī)的磁場和動力學(xué)特點(diǎn)，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(jī)的性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并考慮渦流、漏磁對性能的影響，需要對電動機(jī)的電磁場進(jìn)行深入的分析。2.1電機(jī)電磁場有限元分析方法本文電動機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(jī)的電磁場分布，電動機(jī)性能進(jìn)行了分析，為電動機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提高提供了研究基礎(chǔ)和理論依據(jù)。電機(jī)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(gòu)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(gòu)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(jī)求解[7]。2.2電機(jī)電磁場數(shù)學(xué)模型電磁場的經(jīng)典描述是麥克斯韋方程組，電機(jī)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(jī)數(shù)學(xué)學(xué)模型圖4：電機(jī)電磁場網(wǎng)網(wǎng)格剖分圖圖3動磁式直線電機(jī)樣機(jī)及靜態(tài)性能圖5：動磁式直線電電機(jī)樣機(jī)（定定子）圖6：實驗裝置示意意圖本文測試的直線電機(jī)如圖5所示。定子外徑120mm，長度65mm，質(zhì)量2.21Kg；動子外徑73mm，長度86mm，質(zhì)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(jī)動子所受的水平推力與動子位置之間的關(guān)系稱為靜態(tài)力-位移特性。對于線性壓縮機(jī)而言，由于氣缸內(nèi)氣體彈簧剛度與活塞行程之間的非線性關(guān)系，使得電機(jī)在整個壓縮過程中必須提供與之匹配的推力。電機(jī)動子位移和力的關(guān)系是分析電機(jī)性能的重要指標(biāo)。圖6是動磁式直線電機(jī)靜態(tài)力-位移特性測試實驗裝置圖。整個測試在C620H型號機(jī)床上完成。機(jī)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(jī)拉力。實驗時，利用專用的測試模具將電機(jī)固定，將電機(jī)動子與軸相聯(lián)。由直流電源給電機(jī)的線圈通恒定的直流電。轉(zhuǎn)動手輪，螺桿前進(jìn)，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(diào)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(jié)論1）本文設(shè)計的新型動磁式直線電機(jī)電磁場分布合理，動子質(zhì)量小，推力大，能夠滿足直線壓縮機(jī)的需要。2）提出的直線電機(jī)磁路及動力學(xué)分析模型，能夠較好的用于直線電機(jī)的性能分析和對設(shè)計的指導(dǎo)。有限元分析模型能夠有效的預(yù)測電磁場的分布，揭示了動磁式直線電機(jī)電磁力產(chǎn)生的機(jī)理為進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。3）通過實驗和理論分析，揭示了動磁式直線電機(jī)的力-位移和電流-力特性，這一特性對于壓縮機(jī)的整體設(shè)計十分重要。參考文獻(xiàn)[1]謝潔飛,金濤,童水光,直線壓縮機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J],2004年第32卷第12期,流體機(jī)械,31-35[2]閻治安,高小赟,易萍虎,壓縮機(jī)驅(qū)動用直線永磁電動機(jī)的研究[J],西安交通大學(xué)學(xué)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(jī)的數(shù)學(xué)模型及仿真[J],華中理工大學(xué)學(xué)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