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1 前言
活塞式压缩机大多是由旋转电机作为驱动源,需要由曲轴连杆机构将电机的旋转运动转变为活塞的往复直线运动,中间能量传递环节多,存在很大的机械损耗,因此效率低[1]。采用电磁振动系统驱动的自由活塞式压缩机,虽然具有机械损耗低,系统效率高等优点,但其活塞须设置同步机构,同进还存在活塞行程小,往复频率高以及工作稳定性差等问题[1、2]。因此本文研究了一种新型双圆筒复合次级直线电机驱动的活塞式压缩机。这种压缩机不仅具有电磁振动活塞式压缩机的结构简单,无曲轴连杆机构,机械效率高等优点,而且还具有活塞行程长,活塞往返频率低等特点。
2 新型直线电机的结构和特性
直线电动压缩机的动力源是直线电机,直线电机的结构多样,形状和性能各异。根据活塞式压缩机的特点,若使活塞实现精确定位之目的,采用同步电机最为理想,但需要专用的控制电源和启动系统,成本较高。振荡直线电机虽然不需要控制系统,但电机次级是短次级,推力在不断变化,而活塞工作时要求推力是不变的;常见的单筒型直线电机只有一个动子和一个定子,结构比较简单,单位体积产生的推力不大。双筒型复合次级直线电机是采用内、外两个定子,中间动子结构的直线电机,它有效利用了单筒型直线电机的内部空间,在理论上能产生更大的推力。采用断电限位传感器控制活塞的运行,可以实现活塞的安全换向的目的。
双筒型复合次级直线电机主要由电机的内外定子、电机动子等组成如图1所示。电机的内定子是由内定子线圈、内定子铁芯组成;外定子由外定子线圈、外定子铁芯组成。内、外定子铁芯都是由完全相同的圆形硅钢片叠加而成。电机动子是一薄壁钢管,其内、外表面铸有1mm厚的铜层,形成复合次级。电机端盖与电机定子采用直扣连接以保持较高的同心度,从而利于活塞的运行。图1 双筒型复合次级直线电机驱动的活塞式压
缩机结构双筒型复合次级直线电机的特性曲线如图2所示,电机产生的推力随滑差率的增加而增大。直线电机的滑差率为1时,样机推力最大,约为(2300N);滑差率为0时,电机推力最小;滑差为负时,电机处于发电反馈制动状态,其性能特点类似于异步旋转电机。
图2 新型直线电机特性曲线3 新型直线电机驱动的压缩机设计方案及工作原理
双筒型复合次级直线电机驱动的活塞式压缩机主要有电机的内、外两个定子、电机动子、活塞、气缸缸头及进排气阀等部件组成。图1即为分体式双筒型复合次级直线电机驱动的活塞式压缩机结构图,电机动子与活塞可以直接相连或者做成一体,优化了电机结构。电机与气缸分体组成,左右两个气缸对称布置,长次级电机,无曲轴连杆结构,活塞杆与外定子端盖间装有滑动轴承以降低摩擦阻力。因此,该压缩机具有结构紧凑、阻力损失小、效率高、便于安装与检修等优点。由于气缸设计不再受电机尺寸的限制,所以气缸的工作容积可以设计的大点。这种压缩机还可设计成单级压缩或双级压缩型,以满足不同排气压力、排气量的要求。
工作原理:电机通电后,内外定子绕组产生两个方向相同的行波磁场,磁力线分别从内定子铁芯和外定子铁芯穿过铜层进入次级,在铜层中产生感生电流,感生电流在行波磁场作用下产生电磁推力,使复合次级沿定子行波磁场方向运动,运行速度随气缸内气体压力的变化而变化,气体压力越高,活塞运行速度越低。当活塞运行至右端的断电限位传感器时(假定活塞从左向右运动),电机停电。由于右端缸内气体压力是排气压力,左端缸内气体压力是进气压力,所以活塞组件在两端气体压力作用下减速、停车、然后反向运行;当活塞运行到右边的断电限位传感器时,电机定子又反向通电,活塞组件在电机推力和气体作用力下向左加速运行,直至活塞运行到左边断电限位传感器时,电机再次断电,活塞组件在缸内气体压力作用下减速、停车、然后反向运行。当活塞反向运行至左端断电限位传感器时,重复上述运行过程。周期性的改变电源相序,可使复合次级实现不间断的往复运动[3]。
4 新型直线电机的供电及控制系统为了实现电机次级的往复运动,内外定子绕组必须相应的频繁改变方向,要求供电电源必须周期性的改变相序。由控制系统来实现,大体有两种控制方案[4]。
(1)单套定子绕组瞬时换向控制方案如图3(a)当TV1、TV2、TV3三个晶闸管导通, TV4、TV5、TV6三个晶闸管不导通时,供电相序为A、B、C.当定子绕组接到换向信号后,TV1、TV2、TV3停止导通,TV4、TV5、TV6开始导通,瞬时改变定子线圈的供电相序为B、A、C,定子线圈产生一个反向的行波磁场。当以上动作重复进行时,定子线圈就产生一个周期性变化的行波磁场。换向信号由断电限位传感器发出。该控制系统简单,可靠,缺点是每次改变相序时,在定子线圈中产生瞬时冲击电流,有可能击穿晶闸管,当换向频率较高时,冲击电流的频率和大小也相应变大,因此,该控制系统适用于功率较小的场合。⑵双套定子绕组瞬时换向控制方案如图3(b)当直线电机功率较大时,使用单套定子绕组会产生较大的冲击电流,因此采用双套定子绕组。其控制过程与单套定子绕组瞬时换向控制方案基本相同,双套定子绕组换向性能要优于单套定子绕组,缺点是体积大,成本高。
5 结语
双筒型复合次级直线电机驱动的活塞式压缩机是一个新颖的往复活塞式压缩机设计理念,它充分利用了单圆筒直线电机内部空间,设计成内外两个定子,中间动子的结构,在理论上能产生更大的推力。它既能克服旋转电机和一般直线电机驱动的往复压缩机的结构复杂,活塞行程小、电磁效率低,推力小等不足之处,同时又具有整机效率高、结构紧凑、活塞往返频率低、活塞行程大等优点,是活塞式压缩机理想动力源。这种压缩机能够制成单级压缩和双级压缩型,以满足不同排气压力、排气量的要求,在冰箱、空调等制冷行业以及矿山机械的风动工具等方面有广阔的发展前景。
