一种间接测量线性压缩机弹簧刚度和动子质量的方法

摘要

本发明公开了一种间接测量线性压缩机弹簧刚度和动子质量的方法，包括：在压缩机出口连接声学负载，对整个系统充压，在保证声学负载的声阻抗实部不变的条件下，检测至少两组不完全相同的声阻抗虚部和角频率数据，结合压缩机谐振条件，计算得到弹簧刚度及动子质量；所述角频率数据为压缩机的电声转换效率最高时对应的角频率。与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：可在无需拆解线性压缩机的前提下，对压缩机进行间接测试，测试方法简单易于操作，且避免了由于拆解压缩机带来对其内部结构部件的损坏。

说明书

技术领域

本发明属于线性压缩机领域，具体涉及一种线性压缩机弹簧刚度和动 子质量的间接测量方法。

背景技术

线性压缩机由于结合了直线电机、柔性板弹簧以及间隙密封等关键技 术，具有寿命长、无摩擦、振动低、噪声小以及可靠性高等一系列优势， 已广泛应用于低温制冷机和冰箱等领域。线性压缩机可以理解为由三大部 分组成：电路部分、机械部分以及声负载部分。其中机械部分连接电路与 声负载，发挥着将电功有效转换为声功的作用。机械部分中的动子质量和 弹簧刚度两个关键参数直接影响着压缩机针对特定负载的声功输出特性， 因此对于线性压缩机而言至关重要。

图1所示为线性压缩机结构示意图，图2所示为其等效物理模型，其 可看做由三部分组成，从左至右分别为：电路部分，机械部分，声学部分。 其中U为输入电压，I为输入电流，R_e代表电阻，X_e代表电抗，α为电机 比推力，R_m为线性压缩机的机械阻尼系数，M为动子质量，k_s为线性压缩 机的板弹簧刚度，p_c代表压缩机出口压力波动，V_c代表线性压缩机出口气 体体积流率，R_a为声阻抗实部，X_a为声阻抗虚部。

目前弹簧刚度k_s的测量方法为：在压缩机装配之前，通过特殊测量装 置(如万能材料试验机)测量其在不同位移下的弹性力，从而通过胡克定 律得到弹簧刚度k_s；动子质量M的测量方法为：在压缩机装配之前，直接 测量活塞头、活塞杆等运动部件的质量，再加上弹簧部件质量的1/3，即 为总的动子质量M。上述测量过程均发生在压缩机装配之前，需要对参数 进行逐一单独测量。线性压缩机在长时间运行过后，由于一些原因，如板 弹簧材料性质的改变，动圈绕组绝缘层的放气等，导致弹簧刚度和动子质 量发生变化，影响压缩机输出特性。此时如需测量这两个参数，需拆开压 缩机，较为不便。此外，由于线性压缩机的密封依靠的是活塞与气缸之间 微米级的间隙，这也使得其装配极其困难。且在一些场合，缺少上述测量 装置，使得参数难以获得。

发明内容

本发明提供了一种间接测量线性压缩机弹簧刚度和动子质量的方法， 该方法在无需拆解压缩机的情况下可实现对压缩机参数的间接无损测量， 操作简单，避免了现有技术的复杂检测过程，检测效率高，实施方便。

本发明根据线性压缩机谐振工况下电声转化效率最高的原理，通过合 理的测量流程，由所测得负载声阻抗以及压缩机效率来反推弹簧刚度和动 子质量。

本发明在待测压缩机出口连接间接测量装置，通过合理设计的测量流 程，计算反推得到弹簧刚度及动子质量。

一种间接测量线性压缩机弹簧刚度和动子质量的方法，包括：在压缩 机出口连接声学负载，对整个系统充压，在保证声学负载的声阻抗实部不 变的条件下，检测至少两组不完全相同的声阻抗虚部和角频率数据，结合 压缩机谐振条件，计算得到弹簧刚度及动子质量；所述角频率数据为压缩 机的电声转换效率最高时对应的角频率。

作为优选，所述两组不完全相同的声阻抗虚部和角频率数据分别为第 一个声阻抗虚部X_a1、第一个角频率ω₁以及第二个声阻抗虚部X_a2、第二 个角频率ω₂；将两组数据分别带入如下两个计算式，得到所述的弹簧刚度 及动子质量：

$k_s=\frac{{\omega }_1{\omega }_2{A}^2\left({\omega }_2\right|X_{a1}|-{\omega }_1|X_{a2}\left|\right)}{{{\omega }_1}^2-{{\omega }_2}^2}---\left(1\right)$

$M=\frac{A^2\left({\omega }_1\right|X_{a1}|-{\omega }_2|X_{a2}\left|\right)}{{{\omega }_1}^2-{{\omega }_2}^2}---\left(2\right)$

式(1)和式(2)中，A为活塞面积，||表示绝对值；k_s为线性压缩 机的板弹簧刚度，M为线性压缩机的动子质量；

压缩机最高电声转换效率时，压缩机达到谐振，得到下式(3)和式 (4)：

ω₁M-k_s/ω₁＝A²|X_a1|  (3)

ω₂M-k_s/ω₂＝A²|X_a2|  (4)；

由式(3)和式(4)得到所述式(1)和式(2)。

作为优选，所述声学负载包括通过管路与所述压缩机出口连通的气 库，以及设置在所述管路上的阀门；通过固定阀门的开度，实现声学负载 的声阻抗实部不变；通过改变充气压力或气库体积改变得到两组声阻抗虚 部和角频率数据。

其中声阻抗虚部由下式计算得到：

$X_a=-\frac{\gamma p_M}{2\mathrm{\pi fV}}---\left(5\right)$

式(5)中，γ为工质气体绝热指数；P_M为系统充气压力；f为线性压 缩机的运行频率；V为气库体积；

从上式(5)可知，通过调整系统充气压力或者气库体积即可实现对 声阻抗虚部的调整；

所述压缩机的电声转换效率由下式计算得到：

$\eta =\frac{\mathrm{\pi fV}}{W_e\gamma p_M}\left|p_c\right|\left|p_r\right|\sin {\theta }_{p_c-p_r}---\left(6\right)$

式(6)中，||表示交变量幅值，W_e是线性压缩机的输入电功；p_c代 表压缩机出口压力波动；p_r代表阀门和气库之间管路的压力波动；为 p_c和p_r之间的相位差。

本发明中，A、γ、P_M、V、f均可采用现有方法检测得到、计算得到 或者现有资料中查到；

本发明的阀门与线性压缩机之间的管路上设有用于检测压缩机出口 压力波动p_c的检测点，所述阀门与气库之间的管路上设有用于检测阀门和 气库之间管路的压力波动p_r的检测点。

本发明的具体检测步骤包括：

(1)固定阀门开度，对系统充压，即固定声阻抗实部R_a，根据系统 充气压力和气库体积得到声阻抗虚部X_a1；调节线性压缩机的运行频率， 同时根据检测的压力波动p_c和p_r，利用式(6)得到该工况下，最高电声 转换效率时对应的角频率ω₁，此时压缩机达到谐振，得到式(3)。

(2)改变气库体积或改变充气压力得到第二个声阻抗虚部X_a2，再次 调节线性压缩机的运行频率，同时根据检测的压力波动p_c和p_r，利用式(6) 得到该工况下，最高电声转换效率时对应的角频率ω₂，此时压缩机达到谐 振，得到式(4)，联立式(3)和式(4)得到k_s与M表达式，如式(1) 和式(2)。

在两次分别获取X_a1和X_a2时，需要两组充气压力和气库体积的组合， 为提高测量精度，从表达式(1)和式(2)中看出，需尽可能大得区别 X_a1和X_a2。根据公式(5)，此时存在充气压力与气库体积组合的优选，即 较高的充气压力对应较小的气库体积，较低的充气压力对应较大的气库体 积。即在选择充气压力和气库体积数据组时，作为优选，所述充气压力和 气库体积具有相反的选择趋势。

采用上述方法，可以简单的检测出线性压缩机的k_s与M。与现有测试 方法相比，本发明的有益效果体现在：可在无需拆解线性压缩机的前提下， 对压缩机进行间接测试，测试方法简单易于操作，且避免了由于拆解压缩 机带来对其内部结构部件的损坏。

附图说明

图1为线性压缩机结构示意图；

图2为线性压缩的等效物理模型图；

图3为线性压缩机驱动RC声学负载结构示意图。

具体实施方式

图3所示为实现本发明间接测量线性压缩机弹簧刚度和动子质量的方 法的装置结构示意图。即在压缩机出口连接管路，在该管路上设置一组阀 门R和气库C，其中阀门靠近压缩机出口设置。其中阀门的作用在于提供 等效阻抗实部，而气库的作用在于提供等效阻抗虚部。通过一些合理的实 验测量，可以反推得到压缩机的弹簧刚度k_s、动子质量M这两个重要且不 易实际测量的参数。实验中需要在阀门前后各安装一个压力传感器，用于 测量该处的压力波动p_c和p_r，p_c代表压缩机出口的压力波动，p_r代表阀门 和气库之间管路的压力波动，从而计算阀门R、气库C负载的声阻抗、压 缩机输出声功以及压缩机电声转换效率。阀门R、气库C负载的特点在于 其可以实现对负载阻抗实部和虚部的独立调节，使二者不至于相互影响。

实验中由阀门R、气库C负载组成的声阻抗实部和虚部分别为：

$R_a=\frac{p_c-p_r}{V_c}=\frac{\gamma p_M\left|p_c\right|}{2\mathrm{\pi fV}\left|p_r\right|}\sin {\theta }_{p_c-p_r}$

$X_a=-\frac{\gamma p_M}{2\mathrm{\pi fV}}---\left(1\right)$

式中V_c代表压缩机出口气体体积流率，γ为工质气体绝热指数，p_M为系统充气压力，||表示交变量幅值，f为线性压缩机的运行频率，V为气 库体积，为p_c和p_r之间的相位差。

线性压缩机的电声转换效率η表达式分别为：

$\eta =\frac{\mathrm{\pi fV}}{W_e\gamma p_M}\left|p_c\right|\left|p_r\right|\sin {\theta }_{p_c-p_r}---\left(2\right)$

W_e是线性压缩机的输入电功；

结合上述分析，本发明采用的具体测量方法为：

首先固定阀门开度，即固定R_a，选择一组较小的充气压力(记做p_M1， 此时p_M＝p_M1)和较大的气库体积(记做V1，此时V＝V1)，带入式(1) 得到一个声阻抗虚部X_a1，在此条件下，调节线性压缩机的运行频率f，根 据式(2)找到现行工况下最高电声转换效率η时对应的线性压缩机的运 行的角频率ω₁，此时压缩机达到谐振，满足：

ω₁M-k_s/ω₁＝A²|X_a1|  (3)

其中，A为活塞面积；

之后，调节到另外一组较大的充气压力(记做p_M2，此时p_M＝p_M2，p_M2大于p_M1)和较小的气库体积(记做V2，此时V＝V2，V2小于V1)，带入 式(1)得到一个声阻抗虚部X_a2，再次调节线性压缩机的运行频率，根据 式(2)得到第二个最高电声转换效率η对应的线性压缩机的运行的角频 率ω₂，此时有：

ω₂M-k_s/ω₂＝A²|X_a2|  (4)

由式(3)和式(4)得到弹簧刚度和动子质量的表达式：

$k_s=\frac{{\omega }_1{\omega }_2{A}^2\left({\omega }_2\right|X_{a1}|-{\omega }_1|X_{a2}\left|\right)}{{{\omega }_1}^2-{{\omega }_2}^2}---\left(5\right)$

$M=\frac{A^2\left({\omega }_1\right|X_{a1}|-{\omega }_2|X_{a2}\left|\right)}{{{\omega }_1}^2-{{\omega }_2}^2}---\left(6\right)$

将ω₁，ω₂，A，X_a1，X_a2代入式(5)和式(6)，即可求得弹簧刚度和 动子质量。

图1所示为典型的线性压缩机结构示意图，主要包括位于两侧的两组 板弹簧1，每组板弹簧1有两个；与一组板弹簧1固定的动子2；固定在 动子2端部的活塞3，活塞3位于压缩腔4内；设于一组板弹簧1之间的 电机5和线圈6；两个活塞3之间为压缩腔4。

图2所示为其等效物理模型，其可看做线性压缩机由三部分组成，从 左至右分别为：电路部分，机械部分，声学部分。其中U为输入电压，I 为输入电流，R_e代表电阻，X_e代表电抗，α为电机比推力，R_m为机械阻 尼系数，M为动子质量，k_s为板弹簧刚度，p_c代表压缩机出口压力波动， V_c代表压缩机出口气体体积流率，R_a为声阻抗实部，X_a为声阻抗虚部。

理论基础

这里定义线性压缩机的电阻抗Z_e、机械阻抗Z_m及声阻抗Z_a如下：

Z_e＝R_e+jX_e

Z_m＝R_m+j(ωM-k_s/ω)＝R_m+jX_m

$Z_a=\frac{p_c}{V_c}=R_a+j{X}_a$

其中j为虚数单位，ω＝2πf为线性压缩机运行的角频率，f为线性压缩 机的运行频率，X_m为等效机械阻抗虚部。

定义：

X＝X_m+A²X_a

其中A为活塞面积。则可以求解得到压缩机的电声转换效率表达式 为：

$\eta =\frac{W_{\mathrm{PV}}}{W_e}=\frac{{\left(\mathrm{\alpha A}\right)}^2{R}_a}{(A^2{R}_a+R_m){\alpha }^2+R_e[{(A^2{R}_a+R_m)}^2+{(A^2{X}_a+X_m)}^2]}$

其中A是活塞面积。当其它条件固定时，X＝0可使压缩机效率达到该 工况下的最高值。

根据这一理论，通过调节X_a和X_m，可获得不同的X＝0的组合使得压 缩机效率达到最高值。基于上述理论基础分析，证明了本发明方法的可行 性。同时本发明方法步骤简单，检测效率高。