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冰箱用动磁铁式直线压缩机动态优化设计的关键问题研究

作　者: 赵科
导　师: 童水光；金涛
学　校: 浙江大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 直线压缩机直线振动电机动磁铁式动态优化设计机电耦合磁路分析电磁有限元分析动力学分析
分类号: TM925.21
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

出于节能与环保的要求,利用直线振荡电机驱动的直线压缩机成为下一代家用冰箱压缩机替代机型的研究热点。针对直线压缩机的设计要求和难点,本文利用多种现代设计理论和方法,展开了关于动磁铁式直线压缩机设计及优化的研究。首先为了便于制造、减小气隙磁阻,对Redlich型直线振荡电机进行了结构改进,由典型的动磁式变为动磁铁式。基于机电耦合系统动力学分析理论,确立了直线压缩机的动态优化设计方案,并根据研究需要,进行数学建模。为了对直线振荡电机进行静态分析,建立了Redlich型动磁铁式直线振荡电机的磁路模型和三维电磁场有限元模型；为了对压缩机进行动态分析,针对直线压缩机的安置方式,将压缩机的机械系统简化为一个双质量、双自由度的受迫阻尼振动模型,并与电路系统相耦合,建立了直线压缩机的机电耦合模型；为了对压缩机进行优化设计,建立了两种分别以电机总成本和零件体积为优化目标的直线振荡电机整体优化模型。利用磁路分析和有限元仿真计算的方法对动磁铁式直线振荡电机的静态特性进行定性和定量的研究。通过求解压缩机的磁路模型方程组,给出了磁链、电磁力、电感等电机参数的数学表达式,定性地分析了电机结构参数、材料性能参数以及电流和动子位移对静态特性的影响；通过求解压缩机的有限元模型,对电机内的电磁场进行了分析,精确计算了磁链和电磁力,并对磁路分析结果进行了对比和修正。为保障直线压缩机的安全运行,针对Redlich型直线振荡电机中钕铁硼材料在高温和交变磁场作用下的防失磁设计进行了研究。对永磁体在工作温度下的最大去磁工作点进行了计算,推导了利用常温下永磁材料性能间接计算工作温度下的拐点位置的计算方法,并给出了永磁体失磁的判定公式,为电机结构的优化设计提供了一个必要的安全约束条件。采用状态方程法和电磁场有限元分析相结合的仿真方法,对动磁铁式直线压缩机的动态特性展开了理论与仿真实验研究。对直线压缩机在空载、负载和撞缸等不同工作状态下的运行进行了仿真模拟,建立了电压特性曲线和频率特性曲线,从而能够对直线压缩机的工作性能和动力学特性进行预测；根据对频率特性曲线的分析,确定了利用调节频率的方式改进压缩机性能的基本准则；并分析了弹簧刚度、动子质量、汽缸直径、动子平衡位置等参数对压缩机性能的影响,为压缩机结构优化和性能改进提供了参考数据。综合考虑压缩机性能和生产成本的要求,利用多种现代设计理论和方法对直线压缩机的结构进行优化设计。利用动力学分析求解了直线振荡电机整体优化模型,对电机的永磁体和线圈进行了优化；利用电磁场有限元分析,对电机磁轭结构进行了优化,并对永磁体衬套的材料选择提出了建议；利用结构有限元分析和模态分析对弹簧支架的力学性能进行了分析,并根据分析结果进行了优化。最后,成功制造了一台压缩机样机,建立直线压缩机的性能测试系统,以空气为压缩工质,对样机在空载、负载、串联电容等不同状况下的性能进行测试,并与仿真结果进行对比分析。实验测试结果表明,在排气压力为6bar的负载状况下,测量得到样机的比功率为7-9kW/(m3/min),说明样机具有很好的节能性能；对压缩机系统进行动态参数识别,初步测量计算了系统的等效阻尼系数；并对两种不同牌号的钕铁硼永磁体进行了失磁实验。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-15
第1章绪论  15-31
  1.1 项目的背景和意义  15-16
  1.2 节能新技术——直线压缩机介绍  16-20
    1.2.1 直线压缩机的特点  16-18
    1.2.2 直线振荡电机的种类及原理  18-20
    1.2.3 永磁材料在直线振荡电机的应用  20
  1.3 国内外直线压缩机的研究现状  20-29
    1.3.1 国外直线压缩机的研究现状  20-26
    1.3.2 国内直线压缩机的研究现状  26-29
  1.4 本文的主要研究内容  29-31
第2章动磁铁式直线压缩机设计方法的研究  31-49
  2.1 引言  31
  2.2 直线压缩机结构的分析与设计  31-35
    2.2.1 气体压缩机构的分析与设计  31-32
    2.2.2 弹簧谐振系统的分析与设计  32-33
    2.2.3 压缩机隔振支撑系统的分析与设计  33
    2.2.4 直线振荡电机的分析与设计  33-35
  2.3 直线振荡电机中电磁力的产生机理  35-38
    2.3.1 直线振荡电机中的电磁场描述  35-37
    2.3.2 电磁力的数学描述  37-38
  2.4 机电耦合系统建模  38-42
    2.4.1 多端输入输出系统的机电耦合模型  38-39
    2.4.2 虚位移法求解电磁力的原理  39-41
    2.4.3 机电耦合系统的状态方程  41-42
  2.5 直线压缩机的动态优化设计  42-45
    2.5.1 有限元分析  43
    2.5.2 动态设计  43-44
    2.5.3 优化设计  44-45
    2.5.4 科学计算可视化  45
  2.6 直线压缩机样机设计实例  45-47
    2.6.1 直线压缩机的热力学计算与设计要求  45-46
    2.6.2 直线压缩机的机电耦合系统建模  46-47
  2.7 小结  47-49
第3章直线振荡电机静态特性的研究  49-69
  3.1 引言  49
  3.2 Redlich型动磁铁式直线振荡电机结构  49-50
  3.3 直线振荡电机的磁路分析  50-55
    3.3.1 等效磁路模型  50-53
    3.3.2 磁路方程的建立  53
    3.3.3 磁路方程的求解  53-55
  3.4 基于磁路分析和虚位移原理的电机静态特性分析  55-59
    3.4.1 多边励磁磁场系统模型  55-56
    3.4.2 直线振荡电机的磁链  56
    3.4.3 直线振荡电机的磁共能  56-58
    3.4.4 直线振荡电机的电磁力  58
    3.4.5 直线振荡电机的感生电势  58
    3.4.6 直线振荡电机的电感  58
    3.4.7 静态比推力与静态平衡电感  58-59
    3.4.8 磁路分析结论  59
  3.5 基于恒定电磁场有限元分析的电机静态性能分析  59-65
    3.5.1 直线振荡电机的电磁场有限元模型  60-61
    3.5.2 直线振荡电机中的电磁场分布  61-63
    3.5.3 电磁力和磁链的参数化建模及分析  63-65
  3.6 电机结构参数对电机静态性能的影响  65-68
    3.6.1 永磁体直径对电磁力的影响  65-66
    3.6.2 永磁体长度对电磁力的影响  66
    3.6.3 永磁体厚度对电磁力的影响  66-67
    3.6.4 气隙轴向长度对电磁力的影响  67-68
    3.6.5 外轭铁绕组槽开口尺寸对电磁力的影响  68
  3.7 小结  68-69
第4章直线振荡电机防失磁设计的研究  69-84
  4.1 引言  69
  4.2 钕铁硼永磁材料稳定性问题概述  69-73
    4.2.1 钕铁硼永磁材料稳定性  69-72
      4.2.1.1 热稳定性  70-72
      4.2.1.2 磁稳定性  72
    4.2.2 永磁材料选择和设计对电机设计的影响  72-73
    4.2.3 永磁防失磁设计中的主要问题  73
  4.3 永磁体最佳工作点准则的修正  73-74
  4.4 永磁体最大去磁工作点的确定  74-77
    4.4.1 磁路分析法  74-75
    4.4.2 有限元分析法  75-77
  4.5 室温下间接推算永磁体热稳定性的计算方法  77-79
  4.6 永磁体失磁的判定公式  79
  4.7 永磁体表面场的计算与测量  79-81
    4.7.1 永磁体表面场的测量  79-80
    4.7.2 永磁体表面场的有限元分析  80-81
  4.8 不同牌号钕铁硼永磁材料的选择  81-82
  4.9 小结  82-84
第5章直线压缩机动态特性的研究  84-107
  5.1 引言  84
  5.2 直线压缩机动力学系统分析  84-87
    5.2.1 油膜流场中的摩擦力模型  85
    5.2.2 热力学系统的非线性气体压力模型  85-86
    5.2.3 电磁场的电磁力和磁链模型  86
    5.2.4 温度场对压缩机性能的影响  86-87
  5.3 直线压缩机动力学状态方程的构造和求解  87-89
    5.3.1 插值法  87-88
    5.3.2 曲线拟合法  88
    5.3.3 动力学状态方程的求解  88-89
  5.4 空载状况下的动态特性仿真  89-95
    5.4.1 50Hz频率下的空载性能仿真  90-91
    5.4.2 70V电压下的频率特性仿真  91-93
    5.4.3 机械振动模型与机电耦合模型的比较  93-95
  5.5 负载状况下的动态特性仿真  95-103
    5.5.1 设计条件下的工作性能仿真  95-97
    5.5.2 设计条件下的频率特性仿真  97-99
    5.5.3 气体压缩机构参数对压缩机性能的影响  99-103
      5.5.3.1 谐振弹簧刚度对压缩机性能的影响  99
      5.5.3.2 动子质量对压缩机性能的影响  99-101
      5.5.3.3 汽缸直径对压缩机性能的影响  101
      5.5.3.4 平衡位置对压缩机性能的影响  101-103
  5.6 撞缸——特殊状况下的性能仿真  103-106
    5.6.1 传统压缩机阀组  103-104
    5.6.2 自由浮动式阀组  104-106
  5.7 小结  106-107
第6章直线压缩机优化设计的研究  107-129
  6.1 引言  107
  6.2 基于动力学分析的直线振荡电机整体动态优化设计  107-116
    6.2.1 永磁体的结构参数优化问题描述  108-110
    6.2.2 线圈的结构参数优化问题描述  110-112
    6.2.3 直线压缩机整体优化模型  112-113
      6.2.3.1 加权系数法  112
      6.2.3.2 主要目标法  112-113
    6.2.4 直线振荡电机优化算例  113-116
      6.2.4.1 永磁体确定后的线圈结构优化  113-114
      6.2.4.2 直线振荡电机的整体优化  114-116
  6.3 基于电磁场有限元分析的电机磁路优化设计  116-121
    6.3.1 磁轭的结构设计及优化  116-119
    6.3.2 永磁体衬套的材料选择  119-121
  6.4 基于结构有限元分析的零件结构优化设计  121-128
    6.4.1 结构优化设计问题描述  121-122
    6.4.2 弹簧支架的结构有限元分析  122
    6.4.3 弹簧支架的疲劳寿命分析  122-123
    6.4.4 弹簧支架的模态分析  123-124
    6.4.5 弹簧支架的结构优化设计算例  124-128
      6.4.5.1 弹簧支架的装配体有限元分析  124-126
      6.4.5.2 弹簧支架的疲劳寿命分析  126
      6.4.5.3 弹簧支架的模态分析  126-128
  6.5 小结  128-129
第7章直线压缩机的性能测试与分析  129-142
  7.1 引言  129
  7.2 直线压缩机主要参数  129-130
  7.3 直线压缩机性能测试系统介绍  130-133
    7.3.1 供电系统及供电参数的测量  130
    7.3.2 压缩气体参数测试系统  130-131
    7.3.3 活塞位移测量系统  131-132
    7.3.4 永磁体表面场的测量  132
    7.3.5 实验数据的处理  132-133
  7.4 直线压缩机空载实验  133-136
    7.4.1 50Hz工作频率下的空载实验  133-134
    7.4.2 空载条件下的变频实验  134-136
    7.4.3 等效阻尼系数的参数识别实验  136
  7.5 直线压缩机负载实验  136-139
    7.5.1 排气压力为6 bar条件下的负载实验  137-138
    7.5.2 排气压力为6 bar条件下的串联电容实验  138-139
  7.6 直线压缩机永磁体失磁实验  139-140
  7.7 小结  140-142
第8章总结与展望  142-145
  8.1 总结  142-143
  8.2 主要创新点  143-144
  8.3 展望  144-145
参考文献  145-154
附图1 R600a压-焓图  154-155
在读期间发表论文情况  155
在学期间参加的主要科研课题及项目  155
在学期间所获奖项及荣誉  155

冰箱用动磁铁式直线压缩机动态优化设计的关键问题研究

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