直線壓縮機的結構與效能分析

0作為新型結構制冷壓縮機原油是制冷系統的重要設備。與活冷設備相比，直線壓縮機具有結構緊湊、體積小、能耗低、效率高的特點。引起了許多研究人員和公司的注意，并試驗將其用作新型結構的冷卻裝置，以取代傳統的交替式自動冷裝置，以提高管道的性能，顯著提高管道效率和節(jié)約能源。本文在分析和介紹直線壓縮機的工作原理與結構的基礎上,從直線壓縮機的結構類型、動態(tài)特性、效能和控制方式等方面,總結了國內外研究現狀、應用和發(fā)展狀況,對國內研究存在的問題、研究的緊迫性、關鍵技術和發(fā)展前景進行了分析和展望。1驅動源直線電機的類型直線壓縮機主要是利用直線電機驅動技術驅動壓縮機活塞作往復直線運動,根據所采用的驅動源直線電機的類型來劃分,目前主要有直線同步振蕩電機驅動的壓縮機(簡稱電磁振動壓縮機)、復合次級直線電機驅動的壓縮機(簡稱直線電動壓縮機)以及直線步進電機驅動的壓縮機等三種類型。1.1動鐵式壓縮機電磁振動壓縮機利用電磁力和機械共振原理,直接推動活塞往復振動進行工作。按電磁驅動方式又可以分為動圈式、動鐵式以及電磁動磁鐵式,統稱電磁振動式,其電機類型屬于振蕩型直線電機。動圈式壓縮機電機勵磁由永久磁鐵提供(永磁動圈式,見圖1a),或者采用線圈通直流電產生(電磁動圈式,見圖1b),運動線圈通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起,置于強磁場中,當它加載交流電,在磁場中就能切割磁力線,推動氣缸中的活塞作軸向往復運動。當系統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動活塞在要求的行程范圍內運動。這種壓縮機設計容易,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,驅動力相對較小,行程短時,驅動力則增大,一般不適用于較大功率的壓縮機。動鐵式壓縮機電機勵磁由靜子上的勵磁線圈產生,動子用鐵芯材料做成,通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起,置于強磁場中。當勵磁線圈通以交流電,就能產生交變的磁場,從而吸引鐵芯軸向運動,進而推動氣缸中的活塞往復運動。這種壓縮機與相同體積的其他壓縮機相比能產生較大的驅動力,壓縮比也較大,但這種壓縮機在氣隙中的運動是不穩(wěn)定的,容易偏離氣隙中心軸線,在活塞上產生很大的徑向力。圖2給出一種動鐵式直線電機結構。動磁鐵式壓縮機靜子由內外鐵芯組成,外鐵芯上纏繞著環(huán)形的勵磁線圈,形成至少三個磁極。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生的交變磁場;另一部分是由永久磁鐵產生的恒定磁場。在兩個磁場的相互作用下,產生軸向的驅動力,進而推動活塞往復直線運動,見圖3。近年來,隨著高能永磁體的開發(fā)成功,少量的磁鐵就能提供高的磁通量,使壓縮機更加高效和緊湊化、質量小,有利于諧振彈簧的設計。但其原理復雜,系統設計需要考慮永久磁鐵的非線性磁導、磁場的邊端效應、電渦流損失等因素的影響,增加了設計和開發(fā)的難度。1.2氣體壓力作用下的傳動用圓筒型直線感應電機代替電磁式壓縮機的電磁彈簧共振動力系統,電機次級鐵芯直接固定在活塞上,初級由開槽的圓形硅鋼片疊壓形成,槽中交叉纏繞著環(huán)形線圈,結構見圖4。將環(huán)形線圈中通以三相交流電,在氣隙中產生恒定的行波磁場,使鐵芯在恒定的電磁力作用下,推動活塞沿氣缸軸線向一個方向運動,運行速度隨氣缸內氣體壓力變化而變化,氣體壓力越高,活塞運行速度越低。當活塞運行到限位傳感器時,次級鐵芯與活塞在氣體壓力作用下減速、停車、反向運動;當活塞反向速度達到某一值時,電機初級線圈反向通電,次級鐵芯及活塞反向繼續(xù)運行,直至再次碰到限位傳感器后,開始重復循環(huán)運行。這種壓縮機改善了性能和結構,整機效率高,活塞行程長,往返頻率低,降低了運行噪聲,活塞運行速度和行程與電源頻率無關,可按要求設計。但壓縮機活塞行程與換向控制及供電系統要比電磁式壓縮機復雜。1.3可靠的部位和速度控制功能這是一種將電脈沖信號轉換成微步直線運動的驅動裝置,只要輸入一個較小的電脈沖,就能產生一個較大的推力和微步直線運動,無需位置傳感器。在系統開環(huán)控制的條件下,它能提供優(yōu)良可靠的位置和速度控制功能,但這種壓縮機安裝精度要求較高。直線步進電機驅動的壓縮機按其電磁推力產生的原理可分為變磁阻式和混合式兩類。而其中的混合式具有推力體積比大和斷電自鎖等特點,因此更具發(fā)展?jié)摿?。圖5所示為圓筒型混合式直線步進電機的基本結構原理圖,當兩個勵磁線圈中通入極性相反的電脈沖時,便在磁極中產生磁通的變化,根據磁力線具有力圖縮短磁通路徑以減小磁阻增大磁導的本性,電機定子、動子之間將產生一種使磁通通路磁阻盡量變小的傾向力,拉著電機動子到達該磁通對應的磁路磁阻最小的位置,使電機動子產生步進運動。2其他公司的直線壓縮機國外對直線壓縮機的研究開發(fā)已有幾十年的歷史,早期有代表性的有荷蘭飛利浦公司開發(fā)的動圈型直線振動壓縮機,以及美國Sunpower公司開發(fā)的一種用于脈管型低溫制冷器的磁鐵可動型直線壓縮機。另外,法國BARTHALON公司在20世紀70年代中期成功研制了一種電磁振動式空氣壓縮機,日本也成功制造一臺A105-0920型空氣壓縮機。90年代后期,美國Sunpower公司開發(fā)了用于家用制冷機的直線馬達制冷壓縮機,與現有的家用往復式壓縮機相比,效率可提高15%到25%。同時,LG公司對直線壓縮機實現了商用化,首次在DIOS冰箱中采用線性壓縮機。日本松下、神鋼、瑞典Electrolux、巴西Embraco等海外主要白色家電和壓縮機生產企業(yè)也都已處在開發(fā)階段。特別值得一提的是,國外企業(yè)都對相關技術實行了嚴格的封鎖。隨著研究的深入,直線壓縮機已延伸至空調和熱泵領域,經在功率為10.5kW的空調和熱泵系統中測試,其性能穩(wěn)定,而且壓縮機能用一種穩(wěn)定、低成本的控制裝置對活塞運動和止點進行控制。根據公開的文獻資料,有關研究主要分兩條主線,一是直線壓縮機基礎理論的研究,以各高校和研究所的研究人員為主;二是產品開發(fā)和應用研究,主要是各壓縮機生產企業(yè),以韓國和日本的公司居多。文獻信息也主要分為兩類,一是期刊論文,二是專利。2.1氣體彈簧和基本彈簧從國內外研究者發(fā)表的文獻及專利看,結構研究主要集中于三種類型的直線電動機、彈簧共振系統以及控制裝置的結構和性能的改進與提高上,目前有關直線壓縮機的專利已超過數千件,主要集中在結構改進方面。盡管結構不同,但在彈簧系統方面改進較大,用于諧振的彈簧主要有片簧和盤形彈簧,但這兩種類型的彈簧對大的活塞撞擊不能保證高的可靠性,而且制造精度要求較高。為解決這個問題,Hasegawa等對壓縮機中的共振彈簧進行了研究,提出采用氣體彈簧能使壓縮機更加緊湊,能獲得比片簧和螺旋彈簧更高的可靠性,但為防止氣體泄漏,系統應增加一套氣體自適應補償機構。在活塞的密封和潤滑等方面,活塞和氣缸之間一般采用迷宮密封或螺旋密封,因為壓縮機是整體封裝的,所以制冷劑不會外泄。另外,由于活塞改用直線電機驅動后,原有的側向力不再存在,只剩下活塞和氣缸之間的軸向摩擦力,因此可以采用無油潤滑或稀油潤滑。采用這種潤滑形式時,活塞兼有氣體軸承的功能。其他附件設計,如氣缸和電機的散熱可采用風扇式或外殼散熱片式實現。2.2工作原理及數值解系統動態(tài)特性決定著活塞的運動特性、頻率響應、諧振設計和控制設計。由于直線壓縮機結構的特殊性,對其性能特性的研究不能直接套用旋轉電機驅動的活塞式壓縮機的分析方法。目前國內外對直線壓縮機的理論研究在數學模型描述方面,由于系統主要由機械質量-彈簧-阻尼系統和電磁系統兩部分組成,典型處理是將系統簡化為二自由度系統,其運行狀態(tài)可以參考文獻中的力平衡方程式和電壓平衡方程式表示。由于氣體力是非線性的,因此應對其進行線性化處理,最后針對具體結構類型,采用Runge-Kutta法可求得其數值解。為驗證理論計算的結果,實驗觀察和研究就顯得非常重要,比較典型的有:韓國的Choe等對直線壓縮機的非線性特性進行的理論分析和實驗研究,他研究了非線性導致的跳躍現象并與實驗結果進行了比較;韓國漢陽大學Yongkoh等對斯特林制冷機(sterlingcryocooler)中的動圈式直線壓縮機工作參數進行了優(yōu)化,提出了直線壓縮機的一些內在規(guī)律;Lamantia等對直線壓縮機建立了虛擬模型,用Simulink和Adams軟件對其進行了動態(tài)特性仿真和性能預測,優(yōu)化了壓縮機的整體性能。2.3直線電機伺服控制由于沒有曲柄連桿機構,壓縮機活塞的止點位置需要控制系統保證,這首先需要檢測活塞止點位置,早期的系統都選擇位移傳感器來實現,但系統中增加傳感器后,一方面系統可靠性和靈敏度不能保證,另外還增加了成本,因此也就促使人們研究和開發(fā)無傳感器的控制系統;另一方面,直線壓縮機不僅需要性能良好的直線電機與機械彈簧共振系統,還必須有能在安全可靠的條件下實現技術與經濟要求的控制系統。為了保證壓縮機能處于最有效的工作狀態(tài),必須保證壓縮機的工作頻率始終與固有頻率一致,這樣能最大限度地吸收激磁能量,同時最大限度地克服各種干擾因素,獲得最大的壓縮機效率,因此,也需要設計開發(fā)一套簡單可靠、性能穩(wěn)定的控制系統。近年來,對直線電機的控制主要集中在兩個方面,一是采用矢量控制技術、變頻調速器、PID控制器等已有成熟的控制技術;二是研究適合于直線電機的控制理論和控制技術。國內外不少人對此進行了研究,尤其是應用在高速精密機床上直線電機伺服控制技術的研究。國外在研究直線壓縮機工作狀態(tài)過程中,提出了很多有效的控制裝置和方法,比較典型的主要有以下一些:美國艾爾克塞爾公司設計的一種電器驅動器,對直線壓縮機進行頻率控制;韓國LG電子公司采用模式識別的方法來控制直線壓縮機,開發(fā)出了一種用于電冰箱線性壓縮機的控制裝置;日本松下電器產業(yè)株式會社提出的直線壓縮機控制裝置,可以不通過活塞的位移反饋就能有效地控制壓縮機有效地工作;Huang等在研究系統動特性的基礎上設計了相應的控制器,采用了一種稱為PDF(pseudo-derivative-feedback)的控制算法來實現活塞位置和止點的控制;Sanada等對直線步進電機驅動的直線壓縮機進行了研究,認為無需位置傳感器,就能對活塞的位置進行準確的控制。2.4傳統壓縮機回用法由于直線壓縮機的結構形式多樣,效能波動較大,必須進行優(yōu)化設計以提高效能。LG電子繼發(fā)展了134a直線壓縮機后,又開發(fā)了R600a家用冰箱直線壓縮機,后者能效比比前者高3%。早期盡管R600a的制冷效率比134a高4%,但由于R600a的氣缸體積大,摩擦損失也較大,因此傳統壓縮機不能有效地利用R600a制冷劑。在應用直線壓縮機后,改進的閥門系統可以獲得高的能效比,與傳統R600a壓縮機比較,直線式能效比要高25%～30%,電機效率超過90%。在結構設計上,通過采用“Redlich”型動磁鐵,配以合理的彈簧設計以減小摩擦損失,讓軸向制冷劑流動路徑通過活塞內部,可降低流動阻力及吸氣溫度,減少壓縮過程熱量損失,再通過間隙控制調節(jié)掃氣量,能量效率達到73%。另外由于壓縮機運行取決于電機特性,為獲得高效率,電機參數應近于穩(wěn)定,不隨流體流量和活塞位置而變化。3多級壓縮系統單級優(yōu)化設計國內對直線壓縮機的研究,自上世紀60年代就已展開,但技術上一直沒有大的突破,較為成功的是由華中科技大學、原電子工業(yè)部16研究所等多家研究單位進行的斯特林制冷機研制。到80年代,汕頭液壓件廠試生產了DCQ系列(直線壓縮機驅動)空氣壓縮機,北京小型壓縮機廠也生產了一種電磁吸引橡膠膜片式系列壓縮機等。由于當時技術水平的限制,其排氣壓力小、效率不高,并且價格昂貴,限制了其應用及發(fā)展。在實驗開發(fā)方面,一種長行程低往復頻率活塞式壓縮機在浙江問世,解決了直線電機驅動時必須解決的活塞換向啟動和行程控制這兩大關鍵問題,電機功率只與活塞直徑有關而與活塞行程無關,進而能夠通過盡量加長活塞行程來達到增加工作壓縮比和排氣效率的目的,為變多級壓縮系統為單級壓縮系統創(chuàng)造了條件。1991年,西安交通大學成功開發(fā)了一臺電磁線性驅動高壓壓縮機,能夠連續(xù)提供高壓純凈空氣,可以代替鋼瓶直接聯入制冷系統,具有啟動方便、適時調節(jié)、可靠性高的特點。王建生等開發(fā)了復合次級式直線空氣壓縮機(見圖4),但存在重量大,控制系統復雜,不易調諧的缺點。何志龍等設計的一種直線壓縮機,采用新型直線磁阻電機(LRM)驅動,電機的動子與活塞直接相連,動子兩端連著兩個諧振彈簧,氣缸固定在電機的定子上,缸體上裝有閥板、吸排氣閥片、吸排氣腔和吸排氣消音室等。動子在電磁力的作用下推動活塞做往復振蕩運動,并在控制電流和彈簧的作用下做諧振運動,活塞余隙的止點位置控制是通過傳感器和控制電路來實現的。4直接參數選取由于直線電機高效和自由活塞機構低摩擦的優(yōu)點,使得直線壓縮機獲得了比傳統旋轉電機驅動的往復式活塞壓縮機更高的效率,并且結構緊湊,體積小,重量輕,目前在制冷領域獲得了一定程度的應用。而且由于直線壓縮機具有氣量調節(jié)方便的特點,可以預言的是,直線壓縮機將在一定范圍內取代壓縮機的變頻控制技術,并且將在空調(包括汽車空調)中取得應用。但通過分析也應看到,直線壓縮機的性能很大程度上取決于直線電機的性能和壓縮機的機構(包括控制系統)。在制冷行業(yè),特別是家用制冷機上,直線壓縮機要取得廣泛應用,對國內來說還應解決以下關鍵的技術問題:(1)建立一套完整的設計理論由于直線壓縮機結構類型較多,應針不同類型展開基礎理論研究,包括電機磁場、結構,壓縮機的結構、動態(tài)特性、控制方式和系統等的原理、計算理論依據、設計、優(yōu)化理論及方法等問題。在理論和實驗研究的基礎上,從國情和實際狀況出發(fā),確定適合我國發(fā)展的壓縮機類型,建立完整的設計制造方法和標準。(2)低成本取代傳統的活塞壓縮機,除了高的能效比和可靠性外,價格也是一個關鍵的因素,特別是對于冰箱壓縮機,由于激烈的市場競爭,壓縮機價格已達極限,處于微利和虧損邊緣,因此,用于冰箱的直線壓縮機的成本不應高于傳統的活塞式壓縮機。盡管直線壓縮機結構簡單,但影響其成本主要有兩個因素,一是永磁材料的性能價格,特別是永磁動圈式直線同