压缩机用新型定子永磁横向磁通直线振荡电机特性分析

摘要

压缩机作为制冷系统的心脏，很大程度上决定了系统的整体性能，但也消耗着系统的绝大部分能量。线性压缩机由于其采用永磁直线振荡电机直驱活塞，省去了中间传动机构，具有传动损耗小，效率高，噪声低等优势，成为了替代旋转电机驱动活塞式压缩机，提高制冷系统能效等级的不二之选。而对线性压缩机的驱动核心——永磁直线振荡电机的研究，对提高线性压缩机的整体性能和可靠性具有重要的现实意义和实用价值。 相比于传统平行磁通式直线振荡电机，横向磁通式结构具有铁芯叠压工艺简单、功率密度高、结构紧凑等优势，为新型永磁直线振荡电机的研发提供了新的设计思路。为此，本文首先针对传统横向磁通直线振荡电机结构存在的动子可靠性以及材料利用率低等问题，提出了一种新型的电机拓扑，并基于其尺寸参数，利用等效磁路法建立了其解析模型，推导了输出推力表达式。利用解析模型结合有限元分析软件，优选并确定了该新型电机的结构尺寸。在此基础上，利用有限元软件对其性能进行了全面的分析，并在相同的定子外径和直流铜损耗限制下，与传统的横向磁通直线振荡电机进行了详细定量的对比，明确了该新结构电机的特点和所具有的高可靠性和高材料利用率等优势。最后，对该新型电机拓扑结构存在的问题进行了进一步改进，提出了采用混合磁体励磁和添加辅助磁路的方法，进一步降低稀土磁体用量，削弱定子外部漏磁。 总结以上，本文所提出的新型定子永磁横向磁通直线振荡电机在获得与传统结构振荡电机基本一致的性能的同时，具有显著的高可靠性，低材料成本等等优势，为降低线性压缩机的生产、维护成本，提高产品使用寿命提供了借鉴。

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2永磁直线振荡电机研究概况

1.2.1 分类及工作原理

1.2.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究意义及主要内容

2. 横向磁通永磁直线振荡电机结构及运行原理

2.1 传统横向磁通直线振荡电机结构

2.2.1 横向磁通动磁式结构

2.2.2 表贴式定子永磁横向磁通动铁芯式结构

2.2 内置式定子永磁横向磁通动铁芯式直线振荡电机结构

2.3 内置式定子永磁横向磁通动铁芯式直线振荡电机工作原理

2.4 本章小结

3 内置式定子永磁横向磁通动铁芯式直线振荡电机设计

3.1 数学模型

3.1.1 主要尺寸

3.1.2 空载等效磁路

3.1.3 考虑饱和的负载等效磁路

3.1.4 输出推力表达式

3.2 主要参数设计

3.3.1 气隙长度及直流铜损耗的确定

3.3.2 主要尺寸参数ks与kso优化

3.3.3 动子齿宽系数kms优化

3.3.4 永磁体尺寸的影响

3.3 本章小结

4 横向磁通永磁直线振荡电机有限元仿真分析与性能对比

4.1 与表贴式定子永磁横向磁通动铁芯结构电机对比

4.1.1 表贴式结构电机的ks与kso的优化

4.1.2 空载磁链及反电势

4.1.3 输出推力与过载能力

4.1.4 永磁体利用率对比

4.1.5 温度校验

4.2 与横向磁通动磁式结构电机对比

4.2.1 空载磁链与反电动势

4.2.2 输出推力与过载能力

4.2.3 温度分布

4.2.4 材料利用率

4.2.5 材料成本及动子可靠性

4.3 本章小结

5 拓扑结构进一步改进及样机加工

5.1 混合磁路定子永磁横向磁通动铁芯式直线振荡电机

5.1.1 定子外部漏磁问题

5.1.2 拓扑结构

5.1.2 ks、kso及kms的选取

5.1.3 性能分析

5.2 样机加工

5.2.1 主要零部件加工过程

5.2.2 整体装配及测试平台设计

5.2.3 样机测试平台设计

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 课题展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文和专利