田 樂，吳覓旎，莊 周，盧琴芬

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引言

冰箱、空調(diào)等制冷機已成為辦公室及家庭的常用電器，其內(nèi)部的核心部件壓縮機主要由旋轉(zhuǎn)電機與曲柄-連桿系統(tǒng)構(gòu)成，存在傳動效率低、摩擦損耗嚴(yán)重和噪聲大等問題。而直線電機能夠直接驅(qū)動負(fù)載做直線運動，省去了曲柄-連桿系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的機械效率［1］。在此背景下，開發(fā)低成本、高效率的直線振蕩壓縮機成為國內(nèi)外研究的熱點。相比于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動的壓縮機，直線電機直接驅(qū)動活塞做同軸心的往復(fù)直線運動，側(cè)向力很小，并具有機械損耗小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、振動和噪聲小、壽命長等優(yōu)點［2］。

直線振蕩電機通?？梢园凑者\動體形式分為動圈式、動鐵芯式和動磁式，其中動磁式直線振蕩電機結(jié)構(gòu)簡單，體積小，損耗小，易于控制，近年來受到廣泛的研究與關(guān)注［3］。

2005年，浙江大學(xué)的謝潔飛等［4］研制了一臺冰箱用動磁式直線壓縮機，該樣機活塞行程20 mm，運動質(zhì)量0.9 kg。2007年起，浙江大學(xué)的夏永明等人［5］研究了雙定子結(jié)構(gòu)的動磁式直線電機，并對其電磁性能進行了有限元分析。2010年，浙江大學(xué)的于明湖等［6］對橫向磁通雙定子直線振蕩電機采用了諧振彈簧式設(shè)計，理論分析與實驗驗證了電機運行頻率對于其工作特性的影響，并于2011年對該電機建立了等效磁路模型，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了電磁推力的詳細(xì)解析公式，更為直觀地得到了電機電磁力的影響因素［7］。2012年，中科院鄒慧明等人［8］用二維有限元對動磁式直線振蕩電機進行了性能模擬，得到了樣機模型的電磁力系數(shù)和諧振工況時位移與電流的關(guān)系曲線。后續(xù)又有許多關(guān)于該類型電機的設(shè)計和應(yīng)用的研究。但目前該研究主要針對家用冰箱壓縮機，推力較小。

本研究將針對橫向磁通雙定子直線振蕩電機，分析其推力的影響因素，在此基礎(chǔ)上，完成大推力的橫向磁通式雙定子動磁式直線振蕩電機方案，用于制冷壓縮機。筆者基于Ansoft 軟件，建立3D 有限元模型，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機力性能的影響，為雙定子直線振蕩電機的設(shè)計提供參考。

1 工作原理和動力學(xué)特性

1.1 工作原理

橫向磁通式雙定子動磁式直線振蕩電機結(jié)構(gòu)原理圖［9］如圖1 所示。其利用直線電機的原理，產(chǎn)生短行程高頻往復(fù)運動。外定子和內(nèi)定子都由硅鋼片疊裝而成，兩外定子結(jié)構(gòu)完全相同，采用半閉口槽。動子由永磁體和永磁體支架共同構(gòu)成，永磁體采用徑向充磁，充磁方向交替，且與定子齒部一一對應(yīng)。主磁路由外定子齒部、氣隙、永磁體、氣隙、內(nèi)定子、氣隙、永磁體、外定子齒部、外定子軛部構(gòu)成閉合回路。

圖1 橫向磁通雙定子直線壓縮機結(jié)構(gòu)剖面圖

該直線壓縮機工作時，圓周方向相鄰的繞組里通以方向相反的電流，均可對永磁體產(chǎn)生同向的吸力或斥力;軸向相鄰的繞組通以方向相反的電流，對同一塊永磁體分別產(chǎn)生吸力和斥力，從而使動子向同一個方向運動。當(dāng)繞組里所加的電流方向改變時，動子產(chǎn)生反方向的力從而向相反方向運動。當(dāng)電機定子通入一定頻率的交變電流時，動子產(chǎn)生往復(fù)振蕩運動。改變定子電流頻率，即可以改變動子振蕩頻率，從而動子產(chǎn)生相應(yīng)的往復(fù)直線運動。動子運動帶動活塞軸上的彈簧伸長或壓縮，從而對腔體內(nèi)的氣體產(chǎn)生擠壓作用，推動負(fù)載氣體密度變化。該電機工作時通入一定頻率的正弦交流電。

1.2 動力學(xué)特性

直線振蕩電機可簡化為一個阻尼受迫振蕩的系統(tǒng)，電機動子受到電磁力Fe、彈簧拉力Fs=kx 以及阻力Fm=cv 的作用。根據(jù)機械原理可以建立電機機械動力學(xué)的模型［10］:

式中:m—動子質(zhì)量，x—動子位移，c—阻尼系數(shù)，k—彈簧的彈性系數(shù)。

電機的電磁推力Fe基本上與電流i 成正比，因此，在電機通入一定頻率的正弦交流電時Fe也是一個正弦變化的量。若動子質(zhì)量m 為0.7 kg，阻尼系數(shù)c為0.05，彈簧的彈性系數(shù)k 為44 N/m，電流頻率f 為40 Hz，將上述模型用Matlab 軟件進行仿真，可以得到電機的動力學(xué)特性，動子的速度、加速度、位移以及電磁力的波形(不考慮起振過程)如圖2 所示。

圖2 電機動子運動狀態(tài)仿真圖

根據(jù)圖2 可知，電磁力與動子的加速度a 相位相反，當(dāng)電磁力Fe達(dá)到最大時候，加速度a 也達(dá)到了最大。動子位移達(dá)到最大時候，速度為零，加速度為最大，但位移與加速度方向相反，速度和電磁力存在著固定的相位關(guān)系，這與電機動子運動的規(guī)律是一致的。動子往復(fù)運動的距離很小，僅為2.3 mm。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

2.1 電機方案

針對橫向磁通雙定子式結(jié)構(gòu)，本研究設(shè)計了大推力(大于600 N)的電機方案，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 大功率直線壓縮機主要參數(shù)表

2.2 有限元基本模型

在電磁場分析運算中，Ansoft 軟件以其計算簡便、速度快、誤差小而得到了廣泛的應(yīng)用。為了分析橫向磁通直線振蕩電機的推力特性，本研究建立了該電機的3D 有限元模型?？紤]對對稱性及計算的快速性，僅需建立一個極的模型，3D 有限元模型如圖3 所示。本研究取電機軸向中心點為x=0，所加定子繞組電流在x ＜0 的區(qū)域建立的主磁場與永磁體建立的磁場相互增強，在x ＞0 的區(qū)域建立的主磁場與永磁體建立的磁場相互削弱，構(gòu)成兩個閉合的磁通路徑。

圖3 3D 有限元模型

經(jīng)有限元計算，在負(fù)載電流為5 A 的情況下，圖示動子平衡位置時模型得到的電磁推力為35 N，單個定子共9 對極，即整個電機電磁推力為630 N。

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

直線壓縮機的推力是影響氣體壓縮的最直接的因素，本研究通過Ansoft 軟件有限元仿真，利用控制變量法，得到一系列關(guān)鍵因素對電磁推力的影響。

2.3.1 氣隙厚度

內(nèi)、外氣隙厚度對推力的影響如圖4 所示。其中，永磁體長度為63 mm，永磁體厚度為6 mm，永磁體位置在x=15 mm 處，內(nèi)定子厚度為15 mm。

圖4 推力與氣隙厚度關(guān)系曲線

從圖4 可知，隨著氣隙厚度的增加，推力基本成線性減小，這是因為氣隙的磁導(dǎo)率約為真空磁導(dǎo)率μ0，其導(dǎo)磁性能遠(yuǎn)差于鐵磁材料，隨著氣隙厚度的增大，閉合磁路的磁阻增大，磁密減小比較明顯，推力減小。

2.3.2 永磁體長度

永磁體長度對推力的影響如圖5 所示。其中，氣隙厚度為2 mm，永磁體厚度6 mm，永磁體位置在x=15 mm 處，內(nèi)定子厚度15 mm。

圖5 推力與永磁體長度關(guān)系曲線

從圖5 可知，當(dāng)永磁體長度較長時，兩外定子繞組建立的主磁場受永磁體磁場的影響越來越大。對于兩外定子給定的電流方向，可以發(fā)現(xiàn)兩側(cè)磁場中一側(cè)磁場增強，一側(cè)磁場減弱，但由于鐵磁材料的非線性，當(dāng)磁場強度較大時，磁導(dǎo)率會減小，總體上增強的磁場小于減弱的磁場，因此推力有所減小。

2.3.3 永磁體厚度

永磁體厚度對推力的影響如圖6 所示。其中，氣隙厚度2 mm，永磁體長度63 mm，永磁體位置在x=15 mm處，內(nèi)定子厚度15 mm。

圖6 推力與永磁體厚度關(guān)系曲線

從圖6 可知，隨著永磁體厚度的增加，推力也增大，這是因為永磁體的激磁對磁場的增強作用比較明顯。

2.3.4 動子位置

動子位置對推力的影響如圖7 所示。其中，氣隙厚度2 mm，永磁體長度63 mm，永磁體厚度6 mm，內(nèi)定子厚度15 mm。

圖7 推力與永磁體位置關(guān)系曲線

從圖7 可知，隨著永磁體位置向規(guī)定正方向移動，推力減小。分析可知，電機在x ＜0 的區(qū)域主磁場與永磁體建立的磁場是相互增強的，在x ＞0 的區(qū)域主磁場與永磁體建立的磁場是相互削弱的。當(dāng)x ＜0 時，增強作用明顯，故電機所提供的推力較大;而當(dāng)x ＞0 時，電機所提供的推力就會受到削弱。

2.3.5 內(nèi)定子厚度

內(nèi)定子厚度對推力的影響如圖8 所示。其中，氣隙厚度2 mm，永磁體長度63 mm，永磁體厚度6 mm，永磁體位置在x=15 mm 處。

圖8 推力與內(nèi)定子厚度關(guān)系曲線

從圖8 可知，推力基本不隨內(nèi)定子厚度的變化而變化。由有限元分析結(jié)果可知，內(nèi)定子在整個磁路中基本是不飽和的，故增大內(nèi)定子厚度并不能帶來磁阻的減小，其變化不影響整個磁路的關(guān)鍵參數(shù)，故推力是基本不變的。

2.4 試驗結(jié)果與分析

氣隙厚度、永磁體長度、永磁體厚度、內(nèi)定子厚度等電機本身結(jié)構(gòu)會對電機推力特性產(chǎn)生影響，通過分析發(fā)現(xiàn)，在其他因素不變的情況下，氣隙厚度越小、永磁體厚度越大，電機會產(chǎn)生更大的電磁推力。對于永磁體長度，要考慮其在運動過程中對兩側(cè)外定子繞組產(chǎn)生的主磁場的增強作用或削弱作用，考慮增強和削弱的綜合影響。而內(nèi)定子鐵芯由于磁路處于不飽和狀態(tài)，其對電磁推力影響不大，過厚的內(nèi)定子鐵芯會造成資源浪費。

3 優(yōu)化方案

本研究通過結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力影響的分析，確定了大推力直線振蕩電機設(shè)計的優(yōu)化方案，主要參數(shù)如表2 所示。

表2 優(yōu)化方案主要參數(shù)

有限元分析結(jié)果顯示，該組參數(shù)下的永磁體位于x=15 處電機推力達(dá)到42 N，比初始值35 N 增加了20.8%，在所有電磁推力數(shù)據(jù)中最大，如果考慮到電機共有9 對極，該推力可以達(dá)到756 N，而選用較短和較薄的永磁體亦減輕了動子部分的質(zhì)量，可以得到更大的加速度，是一種較為優(yōu)化的電機設(shè)計方案。

4 結(jié)束語

本研究基于橫向磁通雙定子直線振蕩電機結(jié)構(gòu)，分析了其工作原理和符合正弦規(guī)律的動力學(xué)特性，及大功率情況下其推力的若干影響因素，包括電機氣隙厚度、永磁體長度、永磁體厚度、內(nèi)定子厚度等，詳細(xì)闡述了各因素對電機力性能的影響。

在綜合分析影響電機力性能的參數(shù)的基礎(chǔ)上，筆者得到了一種橫向磁通雙定子直線振蕩電機優(yōu)化方案。在方案設(shè)計過程中，上述分析的各參數(shù)均進行了優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化后該電機靜態(tài)推力達(dá)到756 N，且有效減少了永磁材料和鐵芯材料的使用量，能得到更大的加速度，是一種較為優(yōu)化的電機方案。

該分析和方案適用于制冷壓縮機。

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