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线性压缩机用动磁式直线电动机研究
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摘要：讨论了一种新型直线压缩机驱动用动磁式直线振动电机的研制过程。通过对直线电机结构特点的分析和抽象，建立了磁路物理和数学模型。求解电机动子的动力学方程和驱动电路和电压方程，得到了驱动电压与动子位移的关联式并分析了电机参数对动子运动特性和电机性能的影响。为了进一步对电机的电磁场进行优化，运用电磁场理论和有限元方法，求解得到的磁通分布为设计提供了指导同时也揭示了电磁力产生的机理。最后，利用研制的直线电机样机静态特性实验数据验证了数值分析的有效性。数据的分析还揭示了动磁式直线电机的力-位移-电流之间的关系，为压缩机的整体和电机控制系统设计奠定了基础。
关键词：动磁式直线电机 磁路分析 动态特性 电磁场分析
0 前言
压缩式制冷循环是制冷的主要方式之一，在冰箱、冷冻冷藏、空调、以及低温系统中有着广泛的应用。由于直线压缩机在结构上省去了运动转换装置，直线电机动子直接驱动活塞运动，而且其行程可以由电压直接控制，使其具有结构紧凑、效率高、寿命长等优势，国内外众多机构投入力量对其进行研发[1]。作为直线压缩机的驱动部分，直线电机的性能直接影响整个压缩机的性能。直线电机主要利用电磁力和机械共振原理,直接推动活塞往复振动进行工作。按照电磁驱动方式可以分为：动圈型、动铁型及动磁铁型，其电机类型属于同步振荡型直线电机。动圈型直线电机，其直线驱动电机励磁采用永久磁铁提供，或者采用线圈通直流电产生，运动线圈通过支撑件与活塞、弹簧连接在一起，置于强磁场中。运动线圈通以交流电，在磁场中就能切割磁力线，推动气缸中的活塞作轴向往复运动。当系统的共振频率与交流电源频率一致时，就能以最小的电磁力来驱动活塞在要求的行程范围内运动[2]。这种压缩机设计容易，能较好地控制活塞行程，并且动圈上不存在径向力和扭矩，没有空载时的轴向力存在，磁场能提供稳定的磁通，不存在磁滞损耗，但由于磁路的气隙小，行程长时，驱动力相对较小，行程短时，驱动力则增大，而且，线圈通电要消耗一部分能量，致使效率有所下降，存在联接动圈的飞线，使其在长时间运行时的可靠性下降，一般不适用于较大功率的压缩机。目前大多数的直线压缩机均采用了这种电机形式。动铁型直线压缩机，其直线驱动电机由静子上励磁线圈产生，动子用铁心材料做成，通过支撑件与活塞、弹簧连接在一起，置于强磁场中。当励磁线圈通以交流电，就能产生交变的磁场，从而吸引铁芯轴向运动， 进而推动气缸中的活塞往复运动。这种压缩机与相同体积的其它压缩机相比能产生较大的驱动力，压缩比也较大，但这种压缩机在气隙中的运动是不稳定的， 容易偏离气隙中心轴线，在活塞上产生很大的径向力。动磁铁型直线压缩机，其驱动直线电机静子由内外铁芯组成， 外铁芯上缠绕着环形的励磁线圈，在端部形成磁极，动子由永久磁铁组成，通过支撑件与活塞、弹簧连接在一起。工作磁场由两部分组成，一部分是由励磁线圈产生的交变磁场，一部分是由永久磁铁产生的恒定磁场， 在两个磁场的相互作用下，产生轴向的驱动力，进而推动活塞往复直线运动。这种压缩机与前面两种压缩机相比，能使压缩机结构更紧凑，体积更小，动力更大，因而效率更高。而且，由于励磁线圈位于定子磁轭中，减小了由于动圈式电机铜线由于受热引起的有机成份的散发，有利于保持工质的纯净，这一点对于空间用斯特林和脉冲管制冷机意义重大。总之，动磁式直线电机推力大，动子质量小，结构简单可靠，更适合于制冷低温用直线压缩机。
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