动磁式直线电机驱动微小型活塞压缩机理论分析及实验研究

摘要

论文的目标是尝试应用近年来出现的直线电机驱动技术设计一种新型、高效的微小型压缩机，其应用于微小型制冷系统。 微小型制冷系统是基于蒸汽压缩式制冷系统的工作原理，通过合理设计和精密加工将各部件、电源、控制器、传感器集成在一个微小体积范围内的微小机械。微小型制冷系统在军事、航空、航天等领域，以及外出公务、医疗救护、工程抢险、野外作业、电子散热等医疗和民用场合，有着广阔的市场前景。 微小型压缩机作为微小型制冷系统的核心部件，它要求体积小、重量轻、制冷效率高、具有一定排气量，同时振动和噪音也要尽量小。传统的旋转电机驱动压缩机，由于其传动结构比较复杂，因此其外形尺寸受到很大限制。直线电机是近年来出现的一种新型驱动技术，它将电能直接转换为直线运动的机械能，不需要运动转换的中间机构，因此结构尺寸上能够进一步减小。直线电机驱动的活塞式压缩机在运行效率和密封上有特有的优势，在国内外已经有较多的研究，常规尺寸的直线压缩机已经有产业化的商品出现。 本文以设计了一种动磁式直线电机驱动的微小型活塞压缩机并以此研究对象，建立了系统的数学模型，包括电磁系统和机械振动系统。由于气体力是非线性的，而且压缩机的机械系统和电磁系统是相互作用的，仅仅利用非线性模型进行整个系统的动力学分析是很复杂的。因此本文对非线性系统进行了线性化处理，得到了振动系统的线性当量刚度、当量阻尼，并使气体力的静态分量和动态分量得到分离，这使系统的动力学特性分析变得简单易行。然后，对微小型压缩机振动系统进行了仿真，详细分析了微小型直线压缩机的一些工作特性。 最后，对微小型动磁式直线压缩机样机进行了实验研究。通过改变充气压力、输入频率、输入电压值来分析它们对压缩机性能的影响。实验结果和理论计算有很大的差异，文中分析了影响实验结果的主要因素，为该压缩机的进一步研究和优化奠定了基础。