直线压缩机性能优化分析.pdf
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1、在直线压缩机电磁学及动力学性能分析的基础上,开展了直线压缩机性能优化分析,实验研究了不同性质材料对于直线压缩机电机等效电阻的影响,理论分析了谐振弹簧及活塞支撑轴承布置位置对压缩机机摩擦力的影响。结果显示气缸活塞均采用不导磁材料时,工作电流范围内,时等效电阻和等效电感平均值分别为 和 ,等效电阻和等效电感平均值分别为 和 ;与气缸活塞采用导磁金属材料相比,采用不导磁材料时电机等效电感基本不变,但是等效电阻 时降低了 ,约降低了 ,时降低了 ,约降低了 ,可有效提升电机性能;通过分析谐振弹簧安装在直线压缩机 个轴承支撑点中间位置时,因压缩机弹簧偏转等造成的活塞与气缸之间的摩擦力最小,从而可以有效改
2、善压缩机机械效率。关键词:直线压缩机;优化设计;电机效率;机械效率中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:基金项目:国家自然科学基金(;);中国科学院(基于数据中台的管理与科研数字化转型,),(,;,):,(),(),设 计 研 究 年 期(总第 期),:;引言直线压缩机采用直线振荡电机直接驱动活塞往复运动做功,省去了曲柄连杆传动机构,具有较高的节能潜力,是冰箱、冷柜、电子冷却等小型制冷装置用压缩机的重要发展方向 。直线压缩机采用自由活塞式结构设计,等 建立了包含了阀片、泄漏、传热等影响因素在内的直线压缩机数学模型,开展了泄漏和摩擦敏感性分析并给出了压缩机优化设计方案。此外国内外研究学
3、者通过数值模拟及实验,研究了制冷剂流量、动子质量、余隙容积、驱动频率、弹簧刚度、阻尼及共振特性等因素对直线压缩机性能的影响 ,并提出了压缩机性能改进的建议。对于直线压缩机电机优化,等 分析了 直线电机损失构成,指出电机周围材料同样会造成压缩机能量损失。而对于直线压缩机活塞轴承布置位置对压缩机性能的影响鲜有报道,因此,本文从提升电机效率及机械效率方面着手,分析了压缩机气缸活塞材料对电机磁路产生的影响,从降低电机损耗方面考虑,对压缩机电机使用材料提出了优化建议;通过研究压缩机活塞轴承布置方式等因素的影响,提出了压缩机机械效率优化方案,为直线压缩机性能进一步提升提供设计依据。图 为直线压缩机结构原理
4、图,主要由气缸、活塞、吸气阀、排气阀、机身、谐振弹簧、动子、内定子、外定子、线圈等组成。活塞与直线电机动子通过谐振弹簧直接连接,直线电机在电磁场的作用下产生轴向驱动力,驱动活塞在气缸中作往复运动。根据直线压缩机的结构特点和工作过程,直线压缩机理论模型可以分为两部分:动力学模型和电磁学模型,图 为直线压缩机二自由度动力学模型和电磁学等效电路模型。直线压缩机动力学和电路耦合数学模型可表示为 ()()()式中 输入电压,输入电流,等效电阻,图 动磁式直线压缩机结构示意图图 直线压缩机数学模型设 计 研 究 年 期(总第 期)等效电感,电机常数,动子质量,机身质量,活塞相对机身位移,运行时间,摩擦阻尼
5、系数,气体等效阻尼系数,谐振弹簧刚度,气体等效刚度,对于压缩机而言,其效率可以表示为电机效率,机械效率及指示效率三者的乘积,即 ()式中 电机效率 机械效率 指示效率对于压缩机指示效率,主要受压缩机内部气体流动压力降,换热等因素影响,其表征了压缩机工作容积内部热力完善程度。本文研究的直线压缩机结构如图 所示,吸排气流道相对简单,因此本文对于直线压缩机性能的优化主要从电机效率和机械效率入手,通过研究为降低电机的铜铁损耗 和减小压缩机活塞与气缸接触面的正压力进行优化。电机效率优化 气缸活塞材料对等效电阻影响对于直线压缩机电机效率可表示为 ()由此可以看出降低电机等效电阻是提升电机效率的有效途径。对
6、于直线压缩机中等效电阻导致的电机损失主要由以下几部分构成:()线圈直流电阻导致的发热损失,一般称为铜损;()磁场变化导致的铁心磁滞和电涡流损失;()永磁体在电磁场中反复充退磁导致的磁滞损失。其中永磁体的磁滞损失相对较小,可忽略不计;而铁心的 种损失通常合并称为铁损。电路分析可得,这些电机损耗与线圈直流电阻量纲相同,可在计算公式中表示为电阻的形式,即以等效电阻表示。如图 所示,由于直线压缩机与电机采用一体化设计,除采用性能更好的硅钢导磁材料外,压缩机气缸活塞所选用的材料性质也会对电机等效电阻产生巨大影响。图 分别模拟了压缩机气缸活塞采用不同性质材料组合同一时刻()时直线电机磁力线分布情况。从图(
7、)中可以看出当压缩机气缸活塞均为导磁材料,电机相当部分磁力线进入了气缸活塞断面,当磁场交替变化时,这将会在气缸活塞等金属材料内部产生较大电涡流,从而造成压缩机电机等效电阻的增加;图()显示了气缸活塞均采用不导磁材料时直线电机磁力线分布,此时可以看出只有很少的磁力线穿过气缸和活塞断面,因而在气缸活塞内部产生的电涡流损失将会减少,但由于气缸活塞仍然属于导电材料,其内部仍会有一定电涡流产生,从进一步降低电机涡流损耗的角度来说,直线电机轭铁附近材料应尽可能地选择既不导磁也不导电的非金属材料。气缸活塞材料对等效电阻影响实验研究 实验系统介绍根据直线压缩机等效电路数学模型分析,测量等效电阻和等效电感方法可
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