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线性压缩机RC负载法及其电机损失研究

作　者: 王龙一
导　师: 甘智华
学　校: 浙江大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 线性压缩机电气模型匹配 RC负载效率直线电机铁损
分类号: TB651
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

上世纪八十年代以来,小型回热式低温制冷机在军事和空间技术应用上得到了极大的发展,这些领域对低温制冷机提出了长寿命、低振动等越来越严格的要求。斯特林制冷机和斯特林型脉管制冷机逐渐发展成为在该领域应用最广泛的两种机型,而线性压缩机是保证斯特林型低温制冷机长寿命、低振动运行的关键。牛津大学于上世纪八十年代初首次在斯特林制冷机中引入柔性板弹簧来替代之前的柱弹簧,从极大程度上解决了活塞与气缸间的摩擦,从而可以保证制冷机长寿命运行,这在线性压缩机应用史上具有划时代的重要意义。此后,国内外多家单位开展了对线性压缩机驱动低温制冷机的研究,先后有多台机器投入应用。针对线性压缩机研究中的不足及存在的问题,本文开展了以下工作：1.系统整理了1980年代以来国内外各单位低温制冷机用线性压缩机的应用及发展现状,分析了不同单位线性压缩机的演变过程,应用中遇到的问题及解决方法。并重点针对不同研究单位、不同机型分析比较了单位容积输入功这一指标。2.基于电路模型,分析了线性压缩机在与低温制冷机冷指负载连接运行时的匹配特性,讨论了两者高效匹配的方法。分析中将整个系统分为三个组成部分：电路部分、机械部分及声阻抗部分,应用动力学分析及声电类比方法将各部分的不同参数均类比为电路原件,三部分由变压器连接,该模型使得系统中各部分及各参数关系一目了然。在此基础上分析了线性压缩机匹配冷指的方法。3.针对斯特林型低温制冷机,建立线性压缩机RC负载测量的方法,与传统的位移传感器相比,该方法无接触且装配简单,并可以用来模拟冷指的阻抗特性,从而为压缩机与冷指的阻抗匹配提供参考。基于该方法建立了线性压缩机计算模型,进行了线性压缩机驱动RC负载的实验,实验结果与计算结果吻合良好,证明了该方法的可靠性。针对一台线性压缩机,分别采用LVDT式位移传感器和RC负载法进行了实验研究,实验结果表明：采用RC负载法测量得到的压缩机出口(即回热器入口)PV功与LVDT测量得到的活塞端面PV功之差,占整个输入电功的5%-25%。4.通过实验测量直线电机的铁芯损耗(包括磁滞损失,涡流损失等),系统比较了两种直线电机结构不同频率、不同活塞位移下的铁损。结果表明,单磁钢结构直线电机中铁损随着频率的增大呈1.6次方关系,双磁钢结构直线电机中铁损随着频率的增大呈1.3次方关系；单磁钢机构直线电机铁损在75Hz时达到与铜损同样大小,120Hz时铁损占电机总损耗68%；双磁钢结构直线电机这一比例最大仅为15%。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
主要符号表  8-9
目录  9-11
图目录  11-14
List of Figures  14-17
表目录  17-18
Lists of Tables  18-19
1 绪论  19-55
  1.1 研究背景及意义  19-21
  1.2 线性压缩机介绍  21-24
    1.2.1 线性压缩机特点  21
    1.2.2 线性压缩机分类、原理及其比较  21-24
  1.3 国内外低温制冷机用线性压缩机研究现状  24-52
    1.3.1 美国  24-39
    1.3.2 欧洲  39-44
    1.3.3 亚洲  44-51
    1.3.4 压缩机扫气容积与输入功关系  51-52
  1.4 线性压缩机研究中存在的问题  52-53
  1.5 本文的主要工作  53-55
2 线性压缩机动力学及电路模型分析  55-71
  2.1 线性压缩机动力学分析  55-59
    2.1.1 复向量分析法  55-58
    2.1.2 压缩机功率转换方程  58-59
  2.2 线性压缩机驱动冷指的电路模型分析  59-68
    2.2.1 物理模型及等效电路  60-64
    2.2.2 机械电抗X和X_e  64-65
    2.2.3 Ra以及活塞面积的优化  65-68
    2.2.4 调节运行频率来优化Ra  68
  2.3 本章小结  68-71
3 线性压缩机RC负载测量法  71-89
  3.1 RC负载法  71-74
  3.2 理论分析与计算  74-79
    3.2.1 压缩机模型分析  74-76
    3.2.2 线性压缩机CFIC 2S132W计算结果  76-78
    3.2.3 浙江大学自制线性压缩机计算结果  78-79
  3.3 实验验证  79-83
    3.3.1 压缩机谐振频率与充气压力的关系  79-80
    3.3.2 阻抗对CFIC 2S132W输出性能的影响  80-82
    3.3.3 阻抗对自制线性压缩机输出性能的影响  82-83
  3.4 LVDT与RC负载法在线性压缩机中的对比研究  83-87
    3.4.1 实验装置简介  83-85
    3.4.2 实验结果及分析  85-87
  3.5 本章小结  87-89
4 直线电机损失研究  89-99
  4.1 引言  89
  4.2 直线电机损失分析  89-91
    4.2.1 铜损W_(Cu)  89-90
    4.2.2 铁芯损耗W_(Fe)  90-91
    4.2.3 其它附加损耗W_(else)  91
  4.3 直线电机的效率研究  91-92
  4.4 两种动磁式直线电机简介  92-94
    4.4.1 单线圈单磁钢动磁式直线振荡电机  93
    4.4.2 双线圈双磁钢动磁式直线振荡电机  93-94
  4.5 电机损耗的测量方法和数据分析  94-97
  4.6 本章小结  97-99
5 全文总结与展望  99-103
  5.1 全文总结  99-100
  5.2 展望  100-103
参考文献  103-107
作者攻读硕士学位期间所取得的科研成果  107-109
致谢  109

线性压缩机RC负载法及其电机损失研究

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