动磁式线性压缩机磁路性能研究

第３１卷第９期２００９年９月

红外技术

ＩｎｆｒａｒｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

、，０１．３ｌＳｅｐ．

ＮＯ．９２００９

（制冷技术＞

动磁式线性压缩机磁路性能研究

夏明，陈晓屏，李海英

（昆明物理研究所，云南昆明６５０２２３）

摘要：动磁式线性压缩机目前是长寿命斯特林制冷机比较常用的线性压缩机。以昆明物理研究所的ＬＦＣ３６００动磁式线性压缩机为研究对象，对压缩机的磁路进行了理论分析，数值计算和实验研究。理论分析给出了动磁式线性压缩机的磁阻和磁动势计算式。数值计算分析了动磁线性压缩机的磁感应强

度和磁力线分布。实验研究采用了一种新的磁感应强度测试方法，测试结果和数值分析结果能够得到

很好地吻合。

关键词：动磁式；线性压缩机；理论分析；数值计算；实验研究中图分类号：ＴＢ６５１

文献标识码：Ａ

文章编号：１００１．８８９１（２００９）０９—０５１３．０４

ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆ

Ｍａｇｎｅｔｉｃ

Ｃｉｒｃｕｉｔｏｆ

ＭｏｖｉｎｇＭａｇｎｅｔＬｉｎｅａｒＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒ

ＸＩＡＭｉｎｇ，ＣＨＥＮＸｉａｏ－ｐｉｎｇ，ＬＩＨａｉ－ｙｉｎｇ

（ＫｕｎｍｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ

ｏｆ脚ｓｉｃｓ，ＫｕｎｍｉｎｇＹｕｎｎａｎ

ａｒｅ

６５０２２３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｖｉｎｇｍａｇｎｅｔｌｉｎｅａｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ

ｖｅｒｙｐｏｐｕｌａｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｉｎｔａｃｔｉｃａｌｍｉｎｉａｔｕｒｅｓｔｉｒｌｉｎｇ

ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｄＬＦＣ３６００ｍｏｖｉｎｇｍａｇｎｅｔｌｉｎｅａｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｂｙＫｕｎｍｉｎｇ

ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆｐｈｙｓｉｃｓ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅｏｒｙ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ

ａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈ

ａｒｅ

ｕｓｅｄｉｎｔｈｅ

ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｆｏｒｍｕｌａｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｌｕｃｔａｎｃｅａｎｄｍａｇｎｅｔｏｍｏｔｉｖｅｆｏｒｃｅａｒｅｇｉｖｅｎｉｎｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｌｉｎｅａｙｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌ．

Ａｎｏｖｅｌｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｔｅｓｔｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙｏｆｌｉｎｅａｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ａｎｄｒｅｓｕｌｔｓａｒｅａｌｍｏｓｔｅｑｕａｌｔｏｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｖｉｎｇｍａｇｎｅｔ：ｌｉｎｅａｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ：ｔｈｅｏｒｙ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ

引言

从上世纪９０年代开始，动圈式线性斯特林制冷机开始大量进入生产状态。线性斯特林制冷机的主要特点是：运动活塞采用间隙密封；电机采用动圈式或动磁式线性电机：为避免振动，两个电机对置分布或采用一个电机带振动吸收系统。由于线性电机推力只在活塞轴线运动方向施力，间隙密封的活塞磨损大幅减少。此外，线性斯特林制冷机根据探测器的控温点来控制电机输入电压，输入电压的大小决定了活塞行程。这种驱动控制方式减小了在常温和低温环境运用时的活塞行程，从而也减小了活塞磨损和电机振动…。

进入本世纪，随着材料科学的进步动磁式线性斯特林制冷机的研制成为可能。图１是动磁式斯特林制冷机结构图。从图中可看出，动磁式线性压缩机的优

收稿日期：２００９—０６．２６；修订日期：２００９．０８．０１

点是电机线圈在工作腔之外，这避免了电机线圈对氦气工质的污染。其次其避免了动圈式线性压缩机的飞线和引线烧结技术。

正由于线性压缩机的广泛使用，各国学者对其开展了大量的研究工作。

上世纪９０年代初，美国ＮＩＳＴ的ＥＲＩＣ和Ｒａｄｅｂａｕｇｈ比较全面地阐述了制冷机用线性电机理论【３ｌ。ＥＲＩＣ从相位角分析开始，给出了线性压缩机共振频率设计、功耗计算、间隙密封、电路设计、磁路设计和板弹簧设计方法。

Ｊ．Ｓ．Ｒｅｅｄ等分析了牛津型斯特林制冷机的压缩机损失。损失模型考虑了间隙密封损失、流阻压降损失、热量交换损失和其它一些机械损失。将分析结果和实验结果比较发现线性压缩机的实际损失要比理论损失大。这说明理论分析中还有没有考虑到的损失情况一】。

作者简介：夏明（１９７７．），男，博士研究生，从事斯特林制冷机研制工作。

５１３

第３１卷第９期

２００９年９月

红外技术

ＩｎｆｒａｒｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｖ０１．３ｌＮｏ．９

Ｓｅｐ．２００９

图１动磁式线性斯特林制冷机结构图

Ｆｉｇ．１

Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｆｉｇｕｒｅｏｆｍｏｖｉｎｇｍａｇｎｅｔｌｉｎｅａｒｓｔｉｆｌｉｎｇｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ

Ｐ．Ｅ．Ｂｒａｄｌｅｙ等介绍一种新的线性压缩机损失计算方法。该方法需测量压比和活塞位移等几个简单的实验数据。Ｐ．Ｅ．Ｂｒａｄｌｅｙ等运用该方法对某线性压缩机的不同充气压力和不同运行频率进行了测试分析，分析结果和测试结果能够很好的吻合ｐＪ。

Ｐ．Ｂ．Ｂａｉｌｅｙ等阐述了Ｋｏｍｈａｕｓｅｒ

ａｎｄ

式中：％为永磁体磁磁场强度；ｋ为永磁体高度；１２

为软磁高度；肫为软磁磁导率；Ｓ２为软磁等效面积；ＩＩ为气隙高度；朋为空气磁导率；Ｓｌ为气隙等效面积。

Ｓｍｉｔｈ，和

Ｌｅｅ’Ｓ线性压缩机损失模型。其采用压力传感器和ＬＶＤＴ位移传感器测试线性压缩机的内部工况，建立了无量纲数ＬＮＤ来分析压缩机损失。并将其损失模型和前两个损失模型进行了比较１６Ｊ。

上海交通大学的陈楠对动磁式线性压缩机进行了稳态有限元求解和实验研究【７】。陈楠发现直线电机动子在磁场中存在一个非稳定平衡点和二个稳定平衡点，结合推力表达式给出了理论解释、定量描述和优化方向。

本文以昆明物理研究所的ＬＦＣ３６００动磁式线性压缩机为研究对象，对压缩机的磁路进行了理论分析，数值计算和实验研究。理论分析给出了动磁式线性压缩机的磁阻和磁动势计算式。数值计算分析了动磁线性压缩机的磁感应强度和磁力线分布。实验研究采用了一种新的磁感应强度测试方法，测试结果和数值分析结果能够得到很好地吻合。

图３磁路模型图

Ｆｉｇ．３

Ｆｉｇ．２

图２动磁式线性压缩机结构图

Ｔｈｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｉｇｕｒｅｏｆｍｏｖｉｎｇｍａｇｎｅｔｌｉｎｅａｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ

１理论分析

图２为动磁式线性压缩机结构图。图中包括了内软磁、外软磁，磁钢和线圈架等部件。

根据永磁磁路定律可将动磁式压缩机磁路结构

Ｔｈｅ

ｍｏｄｅｌｆｉｇｕｒｅｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｃｉｒｃｕｉｔ

２数值计算

当动磁式线性压缩机工作时，磁钢和内软磁带着活塞一起运动。由于磁钢和活塞一起运动，这样在不同位置线圈的磁感应强度差异很大。图４是活塞在平衡位置时，磁路磁感应强度云图结果。图中显示在线圈处磁感应强度在０．２１Ｔ～０．６Ｔ之间。

图５是压缩活塞在平衡位置时的磁力线云图结

果。图中显示大部分磁力线均穿过了线圈。这个结果

图简化为磁路模型图３。图中Ｒ为永磁体磁动势，足１

为气隙磁阻，月２为软磁磁阻。由磁阻定义和磁路定理可得【８１：

尺ｌ＝ｌｌ，∽１Ｓｉ）

Ｒ２一－－－１２／（ｆ１２Ｓ２）

（１）（２）（３）

Ｒ＝ｌ巩Ｉｋ

５１４

第３ｌ卷第９期２００９年９月

ｖ０１．３１Ｎｏ．９

夏明等：动磁式线性压缩机磁路性能研究

Ｓｅｐ．２００９

和图４能够对应。图４平衡位置磁感戍强度云图

Ｆｉｇ．４

Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙ

线圈Ｉ

线圈ＩＩ

图５平衡位置磁力线石陶

Ｆｉｇ．５

Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｌｉｎｅｓ

表ｌ是磁路分析结果。表中显示活塞在平衡位置时，线圈Ｉ和线圈ＩＩ的磁感应强度都约为０．２９Ｔ，此时振子部件受到的电磁力约为１．１６Ｎ。这说明当压缩机装配完后，活塞并没有真正处于平衡位置，其会由于电磁力的作用而有偏移。活塞压缩最大时，线圈Ｉ和线圈ＩＩ的磁感应强度都约为０．２Ｔ，此时振子部件受到的电磁力约为一１０．３Ｎ。振子受到的电磁力比平衡位置的电磁力大幅增大。负号表示电磁力有将活塞拉回平衡位置的趋势。活塞膨胀最大时，线圈Ｉ和线圈ＩＩ的磁感应强度都约为０．２Ｔ，此时振子部件受到的电磁力约为１４．４Ｎ。振子受到的电磁力也比平衡位置的电磁力大幅增大。正号表示电磁力有将活塞拉回平衡位置的趋势。在经过一个往复运动完之后，两个线圈的平均磁感应强度约为０．２４５Ｔ。活塞受到的平均电磁力为６．７６Ｎ。

３实验研究

３．１实验原理

图６是空载状态时动磁式线性电机受力图。从图中可看出电机主要受两个力，一个是机械弹簧的弹力和电机的安培力。对电机建立力的平衡：

ｈ＝ＩＢＬ

（４）

式中：ｋ为弹簧刚度；Ｘ为活塞位移；，为电流；Ｂ为磁感应强度；Ｌ为电机线圈长度。对式（４）做变化有：

Ｂ＝ｋｘ／（ＩＬ）

（５）

从式（５）可看出，只要测出弹簧刚度、活塞位移、电机电流和线圈长度就可计算出压缩活塞运动该位置时的磁感应强度。

表１磁路分析结果

Ｔａｂｌｅ１

Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓ

ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙａｎｄ

ｍａｇｎｅｔｉｃｆｏｒｃｅ

动磁线性电机

图６动磁式线性电机受力图

Ｆｉｇ．６

Ｔｈｅｆｏｒｃｅｂａｌａｎｃｅ

ｏｎ

ｔｈｅｐｉｓｔｏｎｏｆｍｏｔｏｒ

图７动磁式线性电机磁感应强度测试半台

Ｆｉｇ．７

Ｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｂｅｎｃｈｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙｏｆｍｏｔｏｒ

３．２实验方案

实验采用激光传感器测量位移，数显设备显示位移值。电机电源为直流电源。为减小电机发热，测试

５１５

第３ｌ卷第９期２００９年９月

红外技术

ＩｎｆｒａｒｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｖｂｌ．３１Ｓｅｐ．

Ｎｏ．９２００９

时先调节好电压，接通电机后迅速读取电流和位移值，然后切断电机电路，准备测量下一个位移值。电机线圈长度由实际测量得到，约３４．６ｍ。机械弹簧刚度由弹簧拉力计测试得到。图７是动磁式线性电机磁感应强度测试平台。３．３实验结果和分析

图８是弹簧刚度测试结果。从图中可看出电机弹簧刚度要比机械弹簧刚度约大１Ｎ／ｍｍ。在图中位移为正值时，表示活塞处于压缩状态；位移为负值时，表示活塞处于膨胀状态。由此可看出当压缩活塞膨胀时，活塞位移为一３ｍｍ时电机的刚度最大，约为４．３Ｎ／ｍｍ。当压缩活塞压缩时，随着活塞位移的从１ｍｌ／ｌ

增大到５ｍｍ，电机的弹簧刚度也从３．９５Ｎ／ｍｍ增大

到４．８９

Ｎ／ｎｕｎ。５．０

４．５

Ｚ

童４．０

墅３．５区

３．０

５．Ｕ

－３．０

一１．Ｕ

１．Ｕ

３．Ｏ

５．Ｏ

位移／ｍｍ

图８弹簧刚度测试结果

Ｆｉｇ．８

Ｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｐｒｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓ

表２是电机的位移和电流测试结果。从表中可看出不论是压缩或膨胀，当电机的电压增大时，其活塞的位移和电流都将增大。

表２

电机的位移和电流测试结果

Ｔａｂｌｅ２

Ｔｈｅ

ｔｅｓｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｏｆｄｉｓｐｌａｃｅａｎｄ

ｃｕｒｒｅｎｔ

ｏｆｍｏｔｏｒ

图９是根据图８和表２测试结果，用式５计算得到的磁感应强度结果。图中活塞位移为正时，活塞处于压缩状态；位移为负时，活塞处于膨胀状态。从图中可看出活塞在整个压缩和膨胀过程中，电机线圈的磁感应强度约在０．２Ｔ到０．２６Ｔ之间。当活塞从平衡

５１６

位移开始压缩到４．３ｍｍ时，电机线圈的磁感应强度先增大后减小，其最大值为０．２６７Ｔ。当活塞从平衡位移开始膨胀到一４ｍ／ｉｉ时，电机线圈的磁感应强度逐渐减小，其最小值为０．１９３Ｔ。将整个压缩和膨胀过程中各点的磁感应强度相加后除于测试的点数得到平均磁感应强度，该值约为０．２３６Ｔ，测试结果和表１的计算结果能够很好的吻合。

０

∞

Ｏ拍

０

丝

０

侈

鼍世嘿崔锁翟

Ｏ．１５

．５．０．３．０．１．０１．０３．０５．０

位移／ｍｍ

图９磁感应强度测试结果

Ｆｉｇ．９

Ｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙ

４结论

本文以昆明物理研究所的ＬＦＣ３６００动磁式线性压缩机为研究对象，对压缩机的磁路进行了理论分析，数值计算和实验研究。实验研究表明活塞在整个压缩和膨胀过程中，电机线圈的磁感应强度约在０．２Ｔ到０．２６Ｔ之间，平均磁感应强度０．２３６Ｔ，测试结果和计算结果能够很好的吻合。参考文献：

【ｌ】

陈晓屏．微型低温制冷技术的现状和发展趋势【Ｊ】红外与激光工程，

２００８，３７：４５－４９．

【２】

胡白楠，陈晓屏．夏

明．微型斯特林制冷机的进展【Ｊ】红外技术．

２００６，２ｓ（１２）：７３０．７３３一

【３】ＥｒｉｃＭａｒｑｕａｒｄｔａｎｄ

ＲａｙｒａｄｅｂａｕＩｇｈ．Ｄｅｓｉｇｎ

ｅｑｕａｔｉｏｎｓ

ａｎｄｓｃａｌｉｎｇｌａｗｓ

归ｒ

ｌｉｎｅａｒ

ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ

ｗｉｔｈ

ｆｌｅｘｕｒｅ

ｓｐｒｉｎｇｓ．Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ７［ＭＩ．Ｎｅｗ

Ｙｏｒｋ：ＰｌｅｎｕｍＰｒｅＳＳ．１９９２：７８３—８０４．

【４】Ｊ．Ｓ．Ｒｅｅｄ，Ｇ．Ｄａｖｅｙ，Ｍ．Ｗ．Ｄａｄｄ

ｅｔ．ａｉ．Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ

Ｌｏｓｓｅｓｉｎ

Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ．Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｌ３［Ｍ］．Ｎｅｗ

Ｙｏｒｋ：Ｓ阳ｎｇｅｒ

Ｐｒｅｓｓ，２００４：

２０９．２１４．

【５】Ｐ．Ｅ．Ｂｒａｄｌｅｙ，Ｍ．Ａ．Ｌｅｗｉｓｌ，Ｒ．Ｒａｄｅｂａｕｇｈ

ｅｔ．ａ１．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆ

Ｔｏｔａｌ

ＰｒｅｓｓｕｒｅＯｓｃｉｌｌａｔｏｒＬｏｓｓｅ＆Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｌ４ｌＭ］．Ｂｏｕｌｄｅｒ：ＩＣＣＰｒｅｓｓ，２００７：

３５３．３５９．

【６】Ｐ．Ｂ．Ｂａｉｌｅｙ，Ｍ．Ｗ．Ｄａｄｄ，Ｊ．Ｓ．Ｒｅｅｄ．Ｇａｓ

Ｓｐｒｉｎｇ

ＬｏｓｓｅｓｉｎＬｉｎｅａｒＣｌｅａｒａｎｃｅＳｅａｌ

Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ．Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｌ４ＩＭ】．Ｂｏｕｌｄｅｒ：ＩＣＣ

Ｐｒｅｓｓ．

２００７：３４５．．３５２

【７】陈楠．大冷量斯特林制冷机用动磁式直线压缩机关键部件及整机性能

研究［ＤＩ．上海：上海交通大学，２００７．

［８１

林其任，赵佑民．磁路设计原理【Ｍ】北京：机械工业出版社，１９８３．

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yf94.html