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1、直线双缸压缩机的特性计算 ISSN 100020054 清华大学学报 自然科学版 2010 年 第 50 卷 第 5 期 5/ 35 CN 1122223/ N J Tsinghua Univ Sci & Tech , 2010 , Vol. 50 , No. 5 6652668直线双缸压缩机的特性计算毕研强 , 徐向华 , 梁新刚清华大学 航天航空学院 , 传热与能源利用北京市重点实验室 , 北京 100084摘 要 : 为了提高制冷设备如空调、 冰箱等的制冷效率 ,设面 ,制冷及空调的用电量占一个家庭用电的 30 %以计了一种直线双缸压缩机 ,介绍了其主要结构和工作原理。上 ,因此提高制冷
2、及空调的效率对节约电能的利用用 LAWSON 法对直线双缸压缩机的磁路数学模型和活塞 1 有显著的效果 。其中压缩机是冰箱及空调的主要运动数学模型进行了计算求解。计算结果表明 : 压缩机排部件 ,提高冰箱及空调的效率首先要提高压缩机的气量能够满足所设定的制冷量的要求 ,效率较高 ,理论上运效率。行会比较平稳。还分析了压缩机各个参数 ,如动子质量、 频直线压缩机是一种利用电磁及机械振动原理驱率等对其工作性能的影响 ,发现压缩机处于共振状态时具有动 ,借以提高气体压力的机械。过去一般用于小型最高工作效率。计算结果为压缩机的参数确定提供了参考制冷循环系统 ,由于永磁体性能及制冷标准的提高 ,依据。
3、2 已逐渐应用于冰箱等家用电器 。直线压缩机将电关键词 : 制冷 ; 直线双缸压缩机 ; LAWSON 法 ; 共振机动子的直线运动直接转化为压缩机活塞的直线运中图分类号 : T K 124 文献标识码 : A动从而压缩气体 ,因此省去了传统压缩机中的曲柄、文章编号 : 100020054 2010 0520665204连杆等机构 ,气缸和活塞之间的压力减小 ,使其具有结构紧凑、 效率高、 长寿命、 易实现无油润滑等优Numerical analyses of a t wo2cylinder3 点 。本文在现有直线压缩机的基础之上 ,设计了linear compressor一种直线双缸压缩机
4、,如图 1 所示。它比现有的直BI Yanqiang , XU Xianghua , LIANG Xingang线压缩机的排气更连续。由于双缸设计 ,活塞组件Key Laboratory of Bejing on Heat Transfer and Energy Conversion ,往复运动均受到较大的气体压力 ,因此可以降低共School of Aeronautics , Tsinghua University ,Beijing 100084 , China 振弹簧的弹性系数 ,有利于降低弹簧的设计难度。Abstract : A two2cylinder linear compresso
5、r was developed toenhance t he refrigeration efficiency of refrigeration equipment s suchas air2conditioners , refrigerators , and so on. The mat hematicmodels for t he magnetic cycle and piston movement were numericallycalculated using t he LAWSON met hod. The result s show t hatoutflow can meet t
6、he refrigeration requirement wit h high efficienciesand wit h t he compressor steadily working t heoretically. The paperalso analyzes t he impact of compressor parameters , such as t hemovement mass and frequency , on t he working capability to showt hat t he compressor has t he highest working effi
7、ciency in t heresonance state. The calculational result s provide a reference fordetermining parameters in compressor design.图 1 直线双缸压缩机设计图Key words : refrigeration ; two2cylinder linear compressor ; LAWSONmet hod ; resonance本文对直线双缸压缩机的数学模型进行了求解计算 ,分析了各个参数对压缩机工作性能的影响 ,为随着社会的发展 ,能源利用量越来越大 ,能源危机逐渐显现。解
8、决能源危机的主要办法是开源节收稿日期 : 2008211211流 : 开源主要是开发新型能源以及未充分利用的能作者简介 : 毕研强 1981 ? , 男 汉 , 山东 , 博士研究生。通讯作者 : 梁新刚 , 教授 , E2mail : liangxg t singhua. edu. cn源 ; 节流主要是节约利用现有能源。家用能源里1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved /0. 666 清 华 大 学 学 报 自 然 科 学 版 2010 ,50 5压缩机参数确定提供了
9、参考依据。 动子的质量。运动部分的运动情况直接关系到压缩机的工作性能。假设压缩机的质量相对运动部分的1 直线双缸压缩机的基本结构及工作原理质量很大 ,因此在压缩机工作过程中只考虑动子的直线双缸压缩机的基本结构如图 2 所示。其中运动 ,不考虑压缩机机体的振动 ,动子部分受力情况左右活塞通过连接件与永磁体连接在一起 ,在线圈见图 4。中通入交流电后 ,永磁体受到电磁力作用左右往复运动 ,从而带动活塞左右运动压缩气体。由于动子在两个方向的运动均能够排气 ,因此直线双缸压缩机的排气更加均匀连续 ; 另外由于气体力的持续作用 ,气体的等效弹性系数增大 ,从而可以减小共振弹簧的弹性系数 ,减小其设计难度
10、。图 4 活塞组件受力示意图动子受到直线电机的电磁力、 弹簧的弹力、 左气缸内气体的压力 F y 、右气缸内气体的压力gFg x 、摩擦阻尼。与单缸压缩机相比 ,气体力的处1 ?线圈 ; 2 ?排气管 ; 3 ?共振弹簧 ; 4 ?内定子 ;理更加复杂。压缩机的主要工作目的是压缩气体 ,5 ?永磁体 ; 6 ?外定子 ; 7 ?活塞 ; 8 ?外定子假设气缸内的气体为绝热压缩过程 ,其热力过程见图 2 直线双缸压缩机示意图图 5。2 直线双缸压缩机的数学模型2. 1 电路系统直线双缸压缩机的等效电路见图 3。R 为线圈的电阻 , u t 为输入电压 , e t 为系统的自感电动势。图 5 气缸
11、内气体热力过程气体在气缸中的热力过程简化为绝热膨胀A B 、吸气 B C 、绝热压缩 C D 、排气D A 4 个阶段 ,气体力与气体所在的状态点图 3 等效电路示意图有关。3 5 电压平衡方程 为 根据 DpAlembert 原理可得动子动力学方程2di d xd x t d x tu t iR + L 0 + K01m + c + kx t F t + F , 2e g2dt dtdt dt2. 2 机械系统 其中 F t K i。e 0直线双缸压缩机的运动部分主要是是 2 个活 直线双缸压缩机是机电一体化设备 ,电磁系统塞、 永磁体以及连接 2 个活塞和永磁体的连接部分 , 和机械运动系
12、统通过电流 i 耦合在一起。由式 1连接部分称为连接件。运动部分为动子 ,用 m 表示 和 2 可得直线双缸压缩机的数学模型 :1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved /. , 等 : 直线双缸压缩机的特性计算 667di d x 定不会给线圈造成瞬间高温 ,有利于线圈散热 ,不会u t iR + L + K ,0 0dt dt烧坏直线电机部分。压缩机达到稳定状态后 ,电流2d x t d x t和电压之间存在一个固定的相位差 ,相位差的余弦m + c + k? x t
13、- 0. 5 H 2dt dt值为驱动压缩机的电动机功率因数 ,功率因数反映 Fe t + Fg x - Fg y ,了压缩机利用电源的充分程度 ,功率因数越小 ,则需d xx 0 0. 5 H , i 0 0 , 0.要电源的视在功率越大 ; 相反功率因数越大 ,越有t 0dt利于电源的设计和小型化。图 9 是右侧气缸内气体3压力随活塞位置的变化曲线 ,其中星号线表示直线3 计算结果双缸压缩机运行稳定后的压力曲线 ,通过稳定的压采用 L A WSON 数值方法对直线双缸压缩机的力曲线 ,可得压缩机的排气量 ,从而可估算整个热数学模型求解 ,就可仿真压缩机工作过程。图 6 为泵系统的制冷量。计
14、算可知压缩机的排气量为左右活塞位移随时间的变化曲线。活塞由静止位置41 L/ min , 满足设定的 600 W 制冷量要求 ,压缩机开始运动 ,位移逐渐增加 ,最后振幅达到最大 ,在平电能转换成气体内能的效率大于 90 %。衡位置振荡。在有排气压力时 ,左右活塞振荡的距离对活塞静止位置不对称 ,这样才能提高排气压力。图 7 为右活塞速度随时间变化曲线 ,活塞运动的最大速度为 2 m/ s左右 ,运动比较平稳 ,有利于减小压缩机工作状态时的振动和噪声。活塞运动曲线和正弦曲线相似。直线双缸压缩机的运行参数对其性能有很明显的影响。图 10 所示为活塞的最大位移随着电压源频率的变化情况。当电压源的幅值、 频率、 共振弹簧的弹性系数、 等效气体弹性系数、 摩擦阻力、 压缩机尺寸满足共振条件时 ,活塞振幅达到最大 ,其物理意义是活塞的速度相位和电流相位 电磁力的相位 一致的情况下 ,电磁力始终对活塞做正功 ,电机做功效图 8 为电流随时间变化曲线。可见电流变化并率最高。输入电能除了线圈损耗转化成热能部分 ,不剧烈 ,有利于电机启动和稳定工作 ,而且电流的稳其余能量均转化成动子的机械能 ,转化效率越高 ,对1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved /.
