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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

作　者: 陈楠
导　师: 徐烈；吴亦农
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 大冷量斯特林制冷机动磁式直线压缩机蜗旋柔性弹簧电磁推力实验研究
分类号: TB651
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着系统集成度的不断提高,基于动磁式直线压缩机的大冷量自由活塞斯特林制冷机在空间观测、侦察、固体电子学及低温生物方面有着日益广泛的应用前景。本文对动磁式直线压缩机关键部件及整机特性分别进行了理论和实验研究,并成功研制出国内首台基于动磁式直线压缩机的牛津型自由压缩、膨胀活塞斯特林制冷机。本文主要分为三个部分:蜗旋柔性弹簧研究、动磁式直线电机动静态特性研究及动磁式直线压缩机和制冷机整体性能研究。由于大推力直线电机对柔性弹簧刚度、应力分布及弹簧组件性能提出了更高要求,本文首先系统完整地提出了直线压缩机用蜗旋柔性弹簧设计方法。通过圆渐开线,精确构造出蜗旋型线,并由唯一几何方程描述。在此基础上,对蜗旋弹簧性能进行了理论研究,包括:通过建立蜗旋臂应力计算数学模型,利用材料应力-应变能量平衡原理,沿蜗旋臂几何方程积分,得到蜗旋弹簧轴向刚度;建立蜗旋臂微元动力学模型,求解得到蜗旋臂自然频率表达式。通过建立有限元分析模型,分析了11种不同几何结构下弹簧特性并与理论分析结论进行了对比分析。最后,利用TSL系列弹簧刚度实验仪对用于斯特林制冷机的柔性弹簧及组件进行了实验研究。测试了4种不同尺寸弹簧刚度的动态特性,研究了单片弹簧的轴向刚度、径向刚度以及力矩特性,然后对柔性弹簧组件进行了实验研究,研究不同组合方法下刚度及弯矩特性。动磁式直线电机是动磁式直线压缩机的另一个关键部件。本文通过对动磁式直线电机磁路结构的分析,建立了动磁式直线电机磁路数学模型,求解得到了电磁推力和反电势表达式。电磁推力表达式揭示了动子位置与推力的关系,由于互感的存在,电机推力会随着活塞运动而衰减,而衰减量又和电机结构紧密相关,从另一个方面说,这个表达式同时提供了一种减小衰减的设计方法。而反电势表达式中则包含速度电势和电感电势两部分,其中对于直线电机来说,速度电势是机电能量转换的主要部分。建立了电机磁场有限元数学模型,对永磁直线电机电磁场进行了分析。电机气隙磁场分布均匀,磁力线形态合理,电机铁磁部分磁负荷合理,材料利用充分。电磁力与实验值吻合较好。搭建了动磁式直线电机静态特性实验台,通过其进行了三个方面的研究:电磁力与电流关系;电磁力与位移关系;电机动子稳定特性。动磁式直线电机推力在一定范围内与励磁电流成正比,推力在整个行程上不恒定,这是动磁式直线电机推力的一个重要特性。通过实验和有限元研究,揭示了电机动子的空载平衡特性。指出电机动子存在一个不稳定平衡点和二个稳定平衡点,在实验中,对其位置进行了测量。结合推力表达式和有限元分析结论,阐述了这种现象产生的原因和影响因素,为直线电机的优化设计奠定了理论基础。在以上研究基础上,在活塞运动力学平衡和驱动电路电压平衡基础上建立了自由活塞直线压缩机整机数学模型。除了利用数值积分求解非线性控制方程外,还利用能量等价法对非线性方程进行了线性化,分别利用谐波法和矩阵运算得到了对应的谐波解和理论解,并在此基础上,建立了压缩机机电仿真模型。利用Hurwitz定理,得到了自由活塞直线压缩机运行的稳定性充分条件。并对压缩机实际工作中刚度和阻尼的变化对性能影响这一特性进行了理论抽象,运用时域分析法建立了分析数学模型,并得到了定量的描述方法。将压缩机输入频率变化引起压缩机性能变化这一现象对应到直线压缩机控制方程频域分析上,得到了对压缩机进行幅频和相频分析数学方法,为压缩机运行频率优化选择奠定理论基础。利用搭建的动磁式直线电机实验测试系统,结合直线压缩机性能数学分析模型,对动磁式直线压缩机性能进行了全面研究,包括改变压缩机频率(45Hz-65Hz)、电压(5-25V)、电流(5-15A)、充气压力(0.8MPa-1.8MPa)、动子质量(AL\Fe)、气缸活塞间隙(20/40μm)等参数,与理论模型相结合研究了压缩机频率特性、电压调节特性、充气压力特性、自然频率特性、活塞气缸泄漏特性。研究表明直线压缩机活塞运动振幅和输出的压力波振幅与输入电压的振幅成线性关系。频率越接近压缩机共振点,调节特性越好;充气压力通过改变振子自然频率来改变压缩机的性能,与改变质量不同,通过改变充气压力改变自然频率并不会增大动子的惯性力,在相同的压力输出情况下,电机功耗会较小。因此,小动子质量、高充压、高频运行的直线电机将会有较大的输出功;直线压缩机运行频率应该接近其自然频率(85%-90%),这时压缩机行程大,压力波大,输出功和效率都较高。间隙密封的大小能改变压缩机自然频率。通过间隙的泄漏量正比于气缸内压力波。就压缩机效率而言,应尽量取小间隙,但是同时也要顾及到压缩机制造工艺的影响。最后,对由动磁式直线压缩机与气动膨胀机耦合得到的大冷量斯特林制冷机性进行了实验研究。通过改变充气压力、输入频率、功率得到了制冷机最优配置及工况。系统得到200K@36W制冷量,达到了设计要求,系统制冷速度快、运行平稳。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
主要符号表  10-11
第一章绪论  11-27
  1.1 大冷量斯特林制冷机应用背景  11-16
  1.2 直线压缩机技术介绍  16-17
  1.3 动磁式直线压缩机技术难点及研究现状  17-24
  1.4 本文主要工作介绍  24-27
第二章蜗旋柔性弹簧设计方法及性能分析  27-52
  2.1 引言  27
  2.2 圆渐开线柔性弹簧设计方法  27-32
  2.3 柔性弹簧性能分析  32-40
  2.4 柔性弹簧性能实验研究  40-50
  2.5 本章小结  50-52
第三章动磁式直线压缩机性能实验装置  52-71
  3.1 引言  52
  3.2 动磁式直线电机设计方法  52-57
  3.3 动磁式直线压缩机设计  57-61
  3.4 动磁式直线电机静态特性实验研究平台  61-62
  3.5 动磁式直线压缩机性能实验研究平台  62-68
  3.6 实验流程及数据误差处理方法  68-69
  3.7 本章小结  69-71
第四章动磁式直线电机推力特性分析及设计优化  71-88
  4.1 引言  71
  4.2 动磁式直线电机数学模型  71-78
  4.3 动磁式直线电机有限元性能分析  78-82
  4.4 动磁式直线电机性能实验研究及优化  82-86
  4.5 本章小结  86-88
第五章动磁式直线压缩机运行特性数学模型  88-111
  5.1 引言  88
  5.2 动磁式直线压缩机热力学模型  88-96
  5.3 动磁式直线压缩机动力学模型  96
  5.4 动磁式直线压缩机数学模型及求解  96-97
  5.5 动磁式直线压缩机性能分析数学模型  97-109
  5.6 本章小结  109-111
第六章动磁式直线压缩机性能研究  111-130
  6.1 引言  111
  6.2 动磁式直线压缩机运动特性研究  111-114
  6.3 动磁式直线压缩机性能研究  114-129
  6.4 本章小结  129-130
第七章基于动磁式直线压缩机大冷量斯特林制冷机性能实验研究  130-142
  7.1 引言  130
  7.2 基于动磁式直线压缩机的大冷量斯特林制冷机设计  130-132
  7.3 基于动磁式直线压缩机大冷量斯特林制冷机实验研究平台  132-134
  7.4 大冷量斯特林制冷机性能分析  134-141
  7.5 本章小结  141-142
第八章总结与展望  142-146
  8.1 总结  142-145
  8.2 创新性  145
  8.3 展望  145-146
参考文献  146-152
致谢  152-153
攻读博士期间发表论文/发明专利  153-155

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

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