斯特林制冷机直线压缩机磁场分析
丁国忠1，张晓青1，何名顺1，吴锋2，鄂青2
(1.华中科技大学，湖北武汉430074; 2.武汉工程大学，湖北武汉430073)
摘要：对已研制的动圈式直线压缩机和动磁式直线压缩机建立适应有限元分析的数学模型，采用电磁场分析软件研究了斯特林用赢线压缩机的磁场分布，分析结果与实验情况基本符合，并在此基础上提出了动磁式直线压缩机的改进方案。
关键词：斯特林；直线压缩机；有限元
中图分类号：TM359.4 文献标识码：A 文章编号：1004-7018(2008)07-0026-03
0 引 言
微型斯特林制冷机是光电子技术、超导技术和空间远程通讯技术中的关键部件，它要求采用无油润滑的间隙密封的直线压缩机。直线压缩机的性能决定了斯特林制冷机的性能和寿命。动磁式直线压缩机具有更大的发展优势和潜力，是当前斯特林用直线压缩机研究的热点，但目前使用的大部分还是动圈式直线压缩机。动圈式直线压缩机的线圈引线随着动圈一起振动，易折断，而且因动固质量大，不能在高频下工作，同时径向充磁的永磁造成动子的偏心，使压缩机活塞无法与气缸形成高质量的间隙密封。虽然经过改进后寿命可以达到2～3年，但由于加工精度要求高，加工成本难以下降，而且不断磨损和堵塞会使运行寿命缩短，以致成为斯特林制冷机的寿命瓶颈。而动磁式直线压缩机结构简单、活塞磨损小、寿命长、控制简单，能够对振荡的频率和位移进行控制，随着高磁通量永磁体钕铁硼的发展及结构改进，还会有进一步的性能改善。活塞杆长度的减小，对于减小误差传递以及避免连接导线的运动，都有利于斯特林制冷机的稳定运行并提高寿命。因此在直线压缩机结构设计基础上，需要对其电磁场进行分析，以利于减少漏磁和增大推力，进一步改进设计。
华中科技大学制冷与低温实验室从20世纪80年代初期就开始研究斯特林制冷机，设计并制作了直线压缩机[1,2]近年来，有限元法得到了快速发展，被认为是电机工程领域内发展最迅速的一种技术。直线压缩机的电磁场问题可以象电机一样用有限元法求解[3,4]。利用电磁场理论和有限元法进行直线电机的电磁场分析与计算，是整个电机设计和运行性能分析的重要组成部分，由于直线压缩机的等效磁路模型只能对电机磁场进行粗略的计算分析，具有很大的局限性。而以场的观点，全面、系统地分析电机的性能，进行电机的设计、性能分析及仿真计算，则显示出极大的优越性[5].
电磁场的分析和计算通常归纳为求微分方程的解，而电机只有边界条件，因此电机的定解条件为边值问题。研究电机磁场时，一般采用第一类和第二类边界条件。
1 数学模型
因为位函数较容易建立边界条件，所以电机电磁场有限元分析一般采用位函数表示。又由于使用矢量磁位可以方便地绘出磁力线分布并求出磁通，因此目前二维磁场计算大多数采用矢量磁位。电机电磁场一般不考虑位移电流的影响，属于似稳场，可以按照稳态情况处理，在垂直于运动方向上磁场基本一致，分析最多的是平行于动子运动方向的平行平面场，此时电流密度与矢量磁位只有一个分量。对于稳态情况，直线电机中的磁场采用圆柱坐标系，其轴向平面上的电磁场问题可表示成边值问题：
在直线电机中，外边界(即第一类边界条件)磁矢位为零，对称轴为第二类边界，此时磁力线全部在r—z平面内，磁场强度只有r轴和z轴的分量，其表达式分别为：
在研的直线压缩机主要有动圈式压缩机和动磁式压缩机两种，我们分别对其建立几何模型进行分析[6]。动圈式和动磁式直线压缩机模型如图1所示。
2 计算结果与分析
网格划分均采用三角形单元，如图2所示。为了精确计算永磁体运动区域的磁场分布，需要细化
网格，其他部分根据磁场强度的大小由密到疏划分网格。为了计算准确，模型实体上的网格划分要细密，而其它真空部分可粗略划分，以节省计算时间。
动圈式直线电机模型设定参数为：质量0.7 kg，电压15V，50 Hz交流电压源。动磁式直线压缩机模型设定参数为：质量0.4kg、电压15V、50 Hz交流电。对上述两模型的计算结果进行分析(这种设定是基于现有产品样机的情况)。
计算结果如下：
(1)直线压缩机磁力线分布 图3是动圈式直线压缩机的磁力线分布，图4是动磁式直线压缩机的磁力线分布。
从图中磁场的流通方向可以看出，大多是横向的，这就说明线圈、硅钢片等部件必将受到横向作用力，而直线压缩机是轴对称结构，所产生的横向作用力是对称的，因此这一侧向力互相抵消。磁通在轴向形成一个梯度，是驱动力之源。电机内的漏磁情况如图3和图4所示。图3的磁力线整齐均匀地通过线圈、导磁材料形成回路，基本没有漏磁和涡流情况，磁场利用率高；图4中，动子的上端磁场比较均匀，线圈形成的磁场和永磁体形成的磁场方向相同，永磁体能够顺利地形成回路；而下端由于线圈形成的磁场方向和永磁体的磁场方向相反，难以形成回路。为了形成回路，永磁体就要向上运动，这正是推动永磁体运动的动力源。另外还可以清楚地看出，永磁体中涡流不明显，两端存在漏磁现象。这需要在端部采用某种结构来防止漏磁，而实际在研的国内外的动磁式直线压缩机的结构已考虑到了这一现象。
磁场分布在直线压缩机的设汁中是需要认真考虑的一个环节，为了减少漏磁就要尽量形成磁场回路。动圈式直线压缩机经过了二十多年的持续研究，结构上基本完善，所以磁场分布是较合理的，这从实际使用和图3都能够清楚表明这点。而动磁式直线压缩机在国内还是初级阶段，有很多问题要解决，除了磁场分布外，主要是结构上发生了很大的变化。比如新研制的动磁式压缩机整机长度只有70mm、直径70 mm，在同等输出功率的情况下动圈式压缩机直径是120 mm、长度150 mm，这使得密封和配合都有变化，在磁场和配合结构上还需要进行折衷。两种压缩机对比图如图5所示。
(2)磁感应强度分布
动圈式直线压缩机和动磁式直线压缩机的磁感应强度分布如图6所示。从图中可以看到电机在运行中不同时刻的磁感应强度的分布情况，并且导磁材料中的磁感应强度要明显高于永磁体、线圈和气隙中的磁感应强度。
动圈式直线压缩机中气隙的磁感应强度基本均匀，集中在0.6 T左右；而动磁式直线压缩机中，在O.1 s这一时刻，上部的磁感应强度要明显高于下部，这也正是动子能够运动的原因，也可以看出其空间中漏磁较多，而且涡流损失比较大。当然动圈式的均匀性比动磁式要好，这与动圈式技术成熟相关。
小了线圈截面积，而永磁体的大磁场也会产生涡流发热，所以发热量需要改善，这需要匹配永磁体与磁轭及线圈截面积，实际测试结果也说明了这点。但是为了增大推力，永磁体结构还需要进一步改进，以形成更合理的磁感应强度。在分析及测试基础上，更新的动磁式压缩机正在试验过程中。
3结语
通过电磁场分析，动圈式直线压缩机由于技术成熟，零部件结构趋于合理，所以磁力线分布、磁通密度分布等都很均匀；而动磁式直线压缩机的结构从磁力线分布的均匀性及改善涡流发热等方面需要加以改进。我们在分析及实验基础上，下一步将采用两个轴向永磁和一个中间径向永磁，以获得上下运动的推动力更大，而位移受到径向磁场的限制。在永磁体和线圈截面积匹配上也需要改进。
参考文献
[1] 王月兰分置式目由活塞斯特林制冷机中的回热器- -整机关系研究及动圈式直线电机研制[D].华中科 技大学硕士论文，1989.
[2] 丁国忠，张晓青斯特林用直线压缩机的研究[J]低温与超导，2007(6)：7一11
[3] 叶云岳直线电机原理与应用[M]北京：机械工业出版社，2000,6
[4] 王秀和永磁电机[M].北京中国电力出版社，2007.
作者简介：丁国忠(1968-)，男，博士，主要从事热声热机研究。
基金项目：国家自然科学基金(50676068)
|
