一種動磁式直線振蕩電機的設計與分析*

田 樂，吳覓旎，莊 周，盧琴芬

(浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027)

0 引言

冰箱、空調等制冷機已成為辦公室及家庭的常用電器，其內部的核心部件壓縮機主要由旋轉電機與曲柄-連桿系統構成，存在傳動效率低、摩擦損耗嚴重和噪聲大等問題。而直線電機能夠直接驅動負載做直線運動，省去了曲柄-連桿系統，提高了系統的機械效率［1］。在此背景下，開發低成本、高效率的直線振蕩壓縮機成為國內外研究的熱點。相比于傳統的旋轉電機驅動的壓縮機，直線電機直接驅動活塞做同軸心的往復直線運動，側向力很小，并具有機械損耗小、效率高、結構簡單緊湊、振動和噪聲小、壽命長等優點［2］。

直線振蕩電機通常可以按照運動體形式分為動圈式、動鐵芯式和動磁式，其中動磁式直線振蕩電機結構簡單，體積小，損耗小，易于控制，近年來受到廣泛的研究與關注［3］。

2005年，浙江大學的謝潔飛等［4］研制了一臺冰箱用動磁式直線壓縮機，該樣機活塞行程20 mm，運動質量0.9 kg。2007年起，浙江大學的夏永明等人［5］研究了雙定子結構的動磁式直線電機，并對其電磁性能進行了有限元分析。2010年，浙江大學的于明湖等［6］對橫向磁通雙定子直線振蕩電機采用了諧振彈簧式設計，理論分析與實驗驗證了電機運行頻率對于其工作特性的影響，并于2011年對該電機建立了等效磁路模型，在此基礎上推導出了電磁推力的詳細解析公式，更為直觀地得到了電機電磁力的影響因素［7］。2012年，中科院鄒慧明等人［8］用二維有限元對動磁式直線振蕩電機進行了性能模擬，得到了樣機模型的電磁力系數和諧振工況時位移與電流的關系曲線。后續又有許多關于該類型電機的設計和應用的研究。但目前該研究主要針對家用冰箱壓縮機，推力較小。

本研究將針對橫向磁通雙定子直線振蕩電機，分析其推力的影響因素，在此基礎上，完成大推力的橫向磁通式雙定子動磁式直線振蕩電機方案，用于制冷壓縮機。筆者基于Ansoft 軟件，建立3D 有限元模型，分析結構參數對電機力性能的影響，為雙定子直線振蕩電機的設計提供參考。

1 工作原理和動力學特性

1.1 工作原理

橫向磁通式雙定子動磁式直線振蕩電機結構原理圖［9］如圖1 所示。其利用直線電機的原理，產生短行程高頻往復運動。外定子和內定子都由硅鋼片疊裝而成，兩外定子結構完全相同，采用半閉口槽。動子由永磁體和永磁體支架共同構成，永磁體采用徑向充磁，充磁方向交替，且與定子齒部一一對應。主磁路由外定子齒部、氣隙、永磁體、氣隙、內定子、氣隙、永磁體、外定子齒部、外定子軛部構成閉合回路。

圖1 橫向磁通雙定子直線壓縮機結構剖面圖

該直線壓縮機工作時，圓周方向相鄰的繞組里通以方向相反的電流，均可對永磁體產生同向的吸力或斥力;軸向相鄰的繞組通以方向相反的電流，對同一塊永磁體分別產生吸力和斥力，從而使動子向同一個方向運動。當繞組里所加的電流方向改變時，動子產生反方向的力從而向相反方向運動。當電機定子通入一定頻率的交變電流時，動子產生往復振蕩運動。改變定子電流頻率，即可以改變動子振蕩頻率，從而動子產生相應的往復直線運動。動子運動帶動活塞軸上的彈簧伸長或壓縮，從而對腔體內的氣體產生擠壓作用，推動負載氣體密度變化。該電機工作時通入一定頻率的正弦交流電。

1.2 動力學特性

直線振蕩電機可簡化為一個阻尼受迫振蕩的系統，電機動子受到電磁力Fe、彈簧拉力Fs=kx 以及阻力Fm=cv 的作用。根據機械原理可以建立電機機械動力學的模型［10］:

式中:m—動子質量，x—動子位移，c—阻尼系數，k—彈簧的彈性系數。

電機的電磁推力Fe基本上與電流i 成正比，因此，在電機通入一定頻率的正弦交流電時Fe也是一個正弦變化的量。若動子質量m 為0.7 kg，阻尼系數c為0.05，彈簧的彈性系數k 為44 N/m，電流頻率f 為40 Hz，將上述模型用Matlab 軟件進行仿真，可以得到電機的動力學特性，動子的速度、加速度、位移以及電磁力的波形(不考慮起振過程)如圖2 所示。

圖2 電機動子運動狀態仿真圖

根據圖2 可知，電磁力與動子的加速度a 相位相反，當電磁力Fe達到最大時候，加速度a 也達到了最大。動子位移達到最大時候，速度為零，加速度為最大，但位移與加速度方向相反，速度和電磁力存在著固定的相位關系，這與電機動子運動的規律是一致的。動子往復運動的距離很小，僅為2.3 mm。

2 結構參數的影響

2.1 電機方案

針對橫向磁通雙定子式結構，本研究設計了大推力(大于600 N)的電機方案，主要參數如表1 所示。

表1 大功率直線壓縮機主要參數表

2.2 有限元基本模型

在電磁場分析運算中，Ansoft 軟件以其計算簡便、速度快、誤差小而得到了廣泛的應用。為了分析橫向磁通直線振蕩電機的推力特性，本研究建立了該電機的3D 有限元模型。考慮對對稱性及計算的快速性，僅需建立一個極的模型，3D 有限元模型如圖3 所示。本研究取電機軸向中心點為x=0，所加定子繞組電流在x ＜0 的區域建立的主磁場與永磁體建立的磁場相互增強，在x ＞0 的區域建立的主磁場與永磁體建立的磁場相互削弱，構成兩個閉合的磁通路徑。

圖3 3D 有限元模型

經有限元計算，在負載電流為5 A 的情況下，圖示動子平衡位置時模型得到的電磁推力為35 N，單個定子共9 對極，即整個電機電磁推力為630 N。

2.3 結構參數的影響

直線壓縮機的推力是影響氣體壓縮的最直接的因素，本研究通過Ansoft 軟件有限元仿真，利用控制變量法，得到一系列關鍵因素對電磁推力的影響。

2.3.1 氣隙厚度

內、外氣隙厚度對推力的影響如圖4 所示。其中，永磁體長度為63 mm，永磁體厚度為6 mm，永磁體位置在x=15 mm 處，內定子厚度為15 mm。

圖4 推力與氣隙厚度關系曲線

從圖4 可知，隨著氣隙厚度的增加，推力基本成線性減小，這是因為氣隙的磁導率約為真空磁導率μ0，其導磁性能遠差于鐵磁材料，隨著氣隙厚度的增大，閉合磁路的磁阻增大，磁密減小比較明顯，推力減小。

2.3.2 永磁體長度

永磁體長度對推力的影響如圖5 所示。其中，氣隙厚度為2 mm，永磁體厚度6 mm，永磁體位置在x=15 mm 處，內定子厚度15 mm。

圖5 推力與永磁體長度關系曲線

從圖5 可知，當永磁體長度較長時，兩外定子繞組建立的主磁場受永磁體磁場的影響越來越大。對于兩外定子給定的電流方向，可以發現兩側磁場中一側磁場增強，一側磁場減弱，但由于鐵磁材料的非線性，當磁場強度較大時，磁導率會減小，總體上增強的磁場小于減弱的磁場，因此推力有所減小。

2.3.3 永磁體厚度

永磁體厚度對推力的影響如圖6 所示。其中，氣隙厚度2 mm，永磁體長度63 mm，永磁體位置在x=15 mm處，內定子厚度15 mm。

圖6 推力與永磁體厚度關系曲線

從圖6 可知，隨著永磁體厚度的增加，推力也增大，這是因為永磁體的激磁對磁場的增強作用比較明顯。

2.3.4 動子位置

動子位置對推力的影響如圖7 所示。其中，氣隙厚度2 mm，永磁體長度63 mm，永磁體厚度6 mm，內定子厚度15 mm。

圖7 推力與永磁體位置關系曲線

從圖7 可知，隨著永磁體位置向規定正方向移動，推力減小。分析可知，電機在x ＜0 的區域主磁場與永磁體建立的磁場是相互增強的，在x ＞0 的區域主磁場與永磁體建立的磁場是相互削弱的。當x ＜0 時，增強作用明顯，故電機所提供的推力較大;而當x ＞0 時，電機所提供的推力就會受到削弱。

2.3.5 內定子厚度

內定子厚度對推力的影響如圖8 所示。其中，氣隙厚度2 mm，永磁體長度63 mm，永磁體厚度6 mm，永磁體位置在x=15 mm 處。

圖8 推力與內定子厚度關系曲線

從圖8 可知，推力基本不隨內定子厚度的變化而變化。由有限元分析結果可知，內定子在整個磁路中基本是不飽和的，故增大內定子厚度并不能帶來磁阻的減小，其變化不影響整個磁路的關鍵參數，故推力是基本不變的。

2.4 試驗結果與分析

氣隙厚度、永磁體長度、永磁體厚度、內定子厚度等電機本身結構會對電機推力特性產生影響，通過分析發現，在其他因素不變的情況下，氣隙厚度越小、永磁體厚度越大，電機會產生更大的電磁推力。對于永磁體長度，要考慮其在運動過程中對兩側外定子繞組產生的主磁場的增強作用或削弱作用，考慮增強和削弱的綜合影響。而內定子鐵芯由于磁路處于不飽和狀態，其對電磁推力影響不大，過厚的內定子鐵芯會造成資源浪費。

3 優化方案

本研究通過結構參數對推力影響的分析，確定了大推力直線振蕩電機設計的優化方案，主要參數如表2 所示。

表2 優化方案主要參數

有限元分析結果顯示，該組參數下的永磁體位于x=15 處電機推力達到42 N，比初始值35 N 增加了20.8%，在所有電磁推力數據中最大，如果考慮到電機共有9 對極，該推力可以達到756 N，而選用較短和較薄的永磁體亦減輕了動子部分的質量，可以得到更大的加速度，是一種較為優化的電機設計方案。

4 結束語

本研究基于橫向磁通雙定子直線振蕩電機結構，分析了其工作原理和符合正弦規律的動力學特性，及大功率情況下其推力的若干影響因素，包括電機氣隙厚度、永磁體長度、永磁體厚度、內定子厚度等，詳細闡述了各因素對電機力性能的影響。

在綜合分析影響電機力性能的參數的基礎上，筆者得到了一種橫向磁通雙定子直線振蕩電機優化方案。在方案設計過程中，上述分析的各參數均進行了優化調整，優化后該電機靜態推力達到756 N，且有效減少了永磁材料和鐵芯材料的使用量，能得到更大的加速度，是一種較為優化的電機方案。

該分析和方案適用于制冷壓縮機。

［1］葉云岳.直線電機原理與應用［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［2］王建生，廖振方.直線電動活塞式壓縮機的現狀及發展［J］.壓縮機技術，1998(1):46-48.

［3］夏永明，葉云岳，盧琴芬，等.動磁式直線振蕩電機特性研究［C］//第十三屆中國小電機技術研討會.上海:［作者不詳］，2008:142-145.

［4］謝潔飛.動磁式直線壓縮機理論與試驗研究［D］.杭州:浙江大學電氣工程學院，2005.

［5］夏永明，盧琴芬，葉云岳，等.新型雙定子橫向磁通直線振蕩電機［J］.中國電機工程學報，2007，27(27):104-107.

［6］于明湖，張玉秋，葉云岳，等.雙定子直線振蕩電機諧振特性分析［J］.電機與控制學報，2010，14(8):1-6.

［7］于明湖，張玉秋，盧琴芬，等.動磁式橫向磁通直線振蕩電機建模分析［J］.電機與控制學報，2011，15(2):1-6.

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［9］于明湖.直線壓縮機用橫向永磁直線振蕩電機系統研究［D］.杭州:浙江大學電氣工程學院，2011.

［10］HWANG K H，CHO Y H.Design and Dynamic Characteristics Analysis of Moving Magnet Linear Actuator for Human［C］//Proceedings of the 2004 IEEE International Conference.Mechatronics.Istanbul:［s.n.］，2004:251-254.