微型輕量化線性壓縮機(jī)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

曾 勇，蘇俊霏，黃太和，潘 奇，曹永剛，王立保，張楊文，黃 立

（武漢高德紅外股份有限公司，武漢 430205）

0 引言

隨著大面陣、雙色等制冷紅外探測(cè)器技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)制冷量約為1～2 W@80 K的輕量化、高可靠性的微型制冷機(jī)需求迫切。線性分置式斯特林制冷機(jī)因具有運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、可靈活布置等優(yōu)勢(shì)，在此領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)單位已推出多款成熟的斯特林制冷機(jī)產(chǎn)品，如AIM的SX095、Ricro的K570、昆明物理研究所的C374等，如表1所列[1-5]。可以看出，目前該應(yīng)用場(chǎng)景的制冷機(jī)的最小比質(zhì)量[6]為0.8 kg/W，國(guó)內(nèi)成熟制冷機(jī)的比質(zhì)量為1 kg/W。由于機(jī)載、吊艙等應(yīng)用對(duì)制冷機(jī)質(zhì)量及尺寸的要求日益嚴(yán)苛，研制更低比質(zhì)量的斯特林制冷機(jī)勢(shì)在必行，線性壓縮機(jī)作為斯特林制冷機(jī)的核心部件是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為此，武漢高德紅外股份有限公司開(kāi)展了微型輕量化線性壓縮機(jī)的研制。

表1 不同的線性斯特林制冷機(jī)性能對(duì)比Tab.1 the performance comparison of different linear Stirling coolers

本文研制了一款微型輕量化線性壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)采用動(dòng)磁式直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用板彈簧支撐動(dòng)子實(shí)現(xiàn)氣缸與活塞之間的間隙密封，氣缸為對(duì)置式布局。通過(guò)直線電機(jī)優(yōu)化、動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)。

1 壓縮機(jī)輕量化設(shè)計(jì)

動(dòng)磁式線性壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括直線電機(jī)、壓縮腔以及支撐部件。動(dòng)磁式直線電機(jī)主要包括動(dòng)子和定子兩部分。定子部分又包括線圈、內(nèi)磁軛和外磁軛，動(dòng)子部分包括磁鋼、磁鋼支架、板彈簧和壓縮活塞。當(dāng)電機(jī)通交流電時(shí)，磁鋼在勵(lì)磁作用下產(chǎn)生推力，帶動(dòng)活塞在壓縮腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。從圖中可以看出，壓縮機(jī)的尺寸、質(zhì)量主要由電機(jī)尺寸、壓縮腔尺寸、支撐結(jié)構(gòu)決定，因此，對(duì)這三者的合理設(shè)計(jì)是壓縮機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

圖1 動(dòng)磁式線性壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The framework of moving magnetic linear compressor

1.1 直線電機(jī)設(shè)計(jì)

為減小電機(jī)尺寸和質(zhì)量，采用國(guó)際上公認(rèn)效率較高的Redlich型動(dòng)磁式直線電機(jī)方案，該電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度大，在Sunpower公司和Ricor公司的制冷機(jī)產(chǎn)品上普遍應(yīng)用。但是，受電機(jī)結(jié)構(gòu)和體積的限制，以及這種結(jié)構(gòu)直線電機(jī)內(nèi)在特性的影響，隨著磁鋼不斷靠近兩端，電磁偏置力會(huì)逐漸增大，最終使活塞平衡位置偏離。設(shè)計(jì)過(guò)程中須確保在行程范圍內(nèi)，表現(xiàn)為正彈簧的效果，在最大位移處，電磁偏置力遠(yuǎn)小于此時(shí)的板彈簧回復(fù)力。因此，需要對(duì)磁軛的結(jié)構(gòu)、磁鋼的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行優(yōu)化和數(shù)值模擬分析，圖2為電機(jī)比推力模擬計(jì)算結(jié)果，電流為0 A時(shí)，在行程±4 mm范圍內(nèi)，電機(jī)的軸向電磁偏置力較小，可以忽略不計(jì)；電流為1 A時(shí)，電機(jī)比推力在活塞正常行程范圍（±4 mm）內(nèi)無(wú)明顯變化，該電機(jī)的平均比推力為7.7 N/A。

圖2 電機(jī)比推力模擬計(jì)算結(jié)果曲線Fig.2 Lorentz force vary with the displacement of the piston

通電后，內(nèi)外軟磁出現(xiàn)充磁飽和時(shí)，活塞位移可能無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值，因此為保證電機(jī)在不同負(fù)載場(chǎng)合均能正常運(yùn)行，須通過(guò)有限元分析電機(jī)內(nèi)外軟磁通電后的磁飽和強(qiáng)度是否滿足要求。動(dòng)磁式直線電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是勵(lì)磁線圈與永磁體磁場(chǎng)的迭加，基于有限元分析，加載電流可以得到電機(jī)動(dòng)子在不同位置時(shí)的磁場(chǎng)分布，如圖3所示。從圖中可以看出在導(dǎo)磁材料中，磁場(chǎng)分布均勻，渦流現(xiàn)象不明顯，在永磁體端部的導(dǎo)磁材料中，局部區(qū)域充磁較大，但與其飽和磁化強(qiáng)度仍有一定差距，可以保證電機(jī)正常運(yùn)行。

圖3 電機(jī)動(dòng)子不同位置時(shí)通電后的磁場(chǎng)分布Fig.3 The magnetic field distribution with permanent magnet at different place

為減輕電機(jī)的質(zhì)量同時(shí)減小鐵損，提高電機(jī)效率，內(nèi)磁軛和外磁軛均采用割槽方案，如圖4所示。通過(guò)對(duì)內(nèi)外軟磁進(jìn)行割槽，可以有效地減少軟磁中的渦流損失，從而降低鐵損，在提高電機(jī)效率的同時(shí)能減輕質(zhì)量。經(jīng)設(shè)計(jì)及計(jì)算，采用此種方案后單個(gè)電機(jī)質(zhì)量約減少15 g，本方案雙電機(jī)對(duì)置式結(jié)構(gòu)布置通過(guò)內(nèi)外磁軛割槽可使壓縮機(jī)減輕質(zhì)量約30 g。

圖4 內(nèi)磁軛及外磁軛結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure of inner and outer soft magnetic

1.2 壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

為減小壓縮機(jī)尺寸及質(zhì)量，線性壓縮機(jī)采用板彈簧支撐，直線電機(jī)和壓縮活塞對(duì)置分布。活塞和磁鋼組件通過(guò)機(jī)械連接一起運(yùn)動(dòng)，組成動(dòng)子部件（m），其受力模型如圖5所示。

圖5 動(dòng)子受力分析模型Fig.5 Force analysis model of the moving parts

在運(yùn)行過(guò)程中，活塞受到彈簧力ks、機(jī)械阻尼cf、電磁力Fe以及氣體力Fg的作用，當(dāng)電機(jī)通以交流電后，帶動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的做功。其電壓平衡方程和運(yùn)動(dòng)控制方程如式（1）、式（2）所示：

式中：Mc為動(dòng)子質(zhì)量；ac為動(dòng)子加速度；U為驅(qū)動(dòng)電壓；Re為線圈電阻；I為電機(jī)電流；Xe為電機(jī)電感值；α為電機(jī)比推力；vc為活塞運(yùn)行速度；Rm,c為壓縮機(jī)的機(jī)械阻尼；ks,c為機(jī)械彈簧剛度；xc為活塞位移；pc為壓縮腔與背壓腔壓差；Ac為活塞面積。

壓縮機(jī)中，活塞所受的氣體力可以分解為同相位的彈簧力Fgas-k和同相位的阻尼力Fgas-use，其等效氣體彈簧剛度kgas及等效氣體阻尼cgas表達(dá)式為式（3）、式（4）。

式中：φ為壓力波超前壓縮活塞位移的相位角；Xc為活塞位移幅值；ΔPc為壓力波幅值。

當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞后，工質(zhì)在壓縮腔內(nèi)按照P-V進(jìn)行熱力學(xué)逆循環(huán)，壓縮機(jī)對(duì)氣體做功以PV功的形式被工質(zhì)吸收，其出口處平均PV功計(jì)算如式（5）所示：

由式（5）可知，針對(duì)同一冷指，當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力波和掃氣容積相同，采用相同的頻率驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)時(shí)，理論上線性壓縮機(jī)的活塞面積和行程存在多種組合，可實(shí)現(xiàn)相同的制冷性能。相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)制冷機(jī)整機(jī)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，確定了活塞受力及運(yùn)動(dòng)的最佳相位關(guān)系，為制冷機(jī)整機(jī)的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，但是針對(duì)活塞位移及行程如何進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化，未做深入的研究[7-9]。基于動(dòng)力學(xué)模型分析計(jì)算可知，活塞面積越小時(shí)，行程較大，壓縮機(jī)軸向尺寸越大；活塞面積越大時(shí)，徑向尺寸越大。因此，要完成壓縮機(jī)輕量化設(shè)計(jì)，且能與氣動(dòng)式斯特林冷指耦合后取得較高的效率，必須對(duì)壓縮機(jī)的活塞直徑和行程進(jìn)行優(yōu)化。

當(dāng)掃氣容積一定時(shí)，隨著活塞面積的增大，氣體作用面積增大，壓縮活塞的位移幅值減小，因此在相同的充氣壓力下氣體彈簧剛度和氣體阻尼增加，如圖6（a）所示。從圖6（b）可以看出，當(dāng)活塞直徑從10.5 mm減小至8.0 mm時(shí)，壓縮機(jī)的動(dòng)質(zhì)量由109 g減至48 g。當(dāng)采用對(duì)置式結(jié)構(gòu)時(shí)，整機(jī)質(zhì)量可減少100 g以上。另外，當(dāng)活塞直徑減小時(shí)，根據(jù)壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算可知，壓縮機(jī)的輸入功率和電流逐漸減小，PV功效率和電機(jī)效率則逐漸上升。當(dāng)活塞直徑由10.5 mm減小至8 mm時(shí)，壓縮機(jī)的功耗降低了9 W，如圖6（c）所示，電機(jī)效率由57%升高至78%，如圖6（d）所示。但是，壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)由于零部件裝配無(wú)法避免的差異導(dǎo)致對(duì)置活塞位移幅值并不完全相等。結(jié)合活塞在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中平衡位置的偏移情況，為保證高溫環(huán)境下制冷機(jī)可正常運(yùn)行，活塞在額定工況下的位移幅值不應(yīng)超過(guò)電機(jī)許用位移幅值的2/3。因此，壓縮活塞直徑設(shè)計(jì)為9 mm，對(duì)應(yīng)的活塞位移幅值約為2.4 mm，壓縮機(jī)動(dòng)質(zhì)量為67 g。

圖6 固定掃氣容積下壓縮機(jī)關(guān)鍵參數(shù)隨活塞直徑的變化曲線Fig.6 key parameters of compressor change with the diameter of piston

1.3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)直線電機(jī)、活塞和氣缸的尺寸確定后，須針對(duì)壓縮機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如磁鋼骨架、線圈骨架及氣缸座，通過(guò)材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及強(qiáng)度校核等進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

磁鋼骨架與磁鋼通過(guò)膠黏工藝固定，為增加兩者的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，在磁鋼骨架上增加槽型結(jié)構(gòu)用以儲(chǔ)膠。另外，為減少直線電機(jī)的漏磁，且在氣隙寬度的限制下滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，磁鋼骨架采用鈦合金加工。

動(dòng)磁式線性壓縮機(jī)采用外置線圈，不銹鋼線圈骨架與氣缸座、端蓋等不銹鋼零件通過(guò)激光焊接固定在一起，作為薄壁承壓結(jié)構(gòu)將背壓腔與大氣環(huán)境隔離開(kāi)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行應(yīng)力分析和優(yōu)化，在減輕質(zhì)量的同時(shí)須保證強(qiáng)度。設(shè)計(jì)的線圈骨架結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布如圖7所示，其最大形變?yōu)?.016 mm，此時(shí)充氣壓力為4 MPa。線圈與磁鋼之間的單邊間隙為0.8 mm，正常充氣壓力為2.5 MPa左右，表明線圈骨架的強(qiáng)度可滿足使用要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，單個(gè)線圈骨架質(zhì)量約50 g。關(guān)鍵零件實(shí)物照片如圖8所示。

圖7 線圈骨架結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress distribution of coil framework

圖8 壓縮機(jī)關(guān)鍵零部件實(shí)物圖Fig.8 Critical parts of the compressor

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

壓縮機(jī)實(shí)物如圖9所示，其直徑為44 mm，長(zhǎng)度為114 mm。為驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)輕量化分析的準(zhǔn)確性，為壓縮機(jī)預(yù)留了配重空間。通過(guò)調(diào)節(jié)配重塊的質(zhì)量來(lái)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)動(dòng)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)固有頻率點(diǎn)的調(diào)節(jié)。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果可知，活塞直徑9 mm對(duì)應(yīng)的動(dòng)質(zhì)量為67 g，可采用鎢鋼制作配重塊。作為對(duì)比，另外加工不銹鋼配重塊，使配重后動(dòng)質(zhì)量為60 g。圖10為空載掃頻結(jié)果，測(cè)試過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電壓為4V。由測(cè)試結(jié)果可知，動(dòng)質(zhì)量為60 g時(shí)，壓縮機(jī)空載的固有頻率為40 Hz；動(dòng)質(zhì)量為67 g時(shí)，固有頻率為37 Hz。采用鎢鋼配重時(shí)，壓縮機(jī)在空載共振點(diǎn)功耗有所降低。

圖9 壓縮機(jī)實(shí)物樣機(jī)Fig.9 Experimental prototype of the compressor

圖10 不同配重空載掃頻測(cè)試結(jié)果Fig.10 The current vary with frequency on no-load condition

對(duì)不同配重的壓縮機(jī)耦合直徑為9 mm的氣動(dòng)式斯特林冷指進(jìn)行測(cè)試。充氣壓力為2.2 MPa，常溫工況（23℃）下，固定熱負(fù)載為1.3 W，調(diào)節(jié)電壓及頻率使冷盤溫度維持在77 K，各參數(shù)變化如圖11所示。從圖11（a）可以看出，動(dòng)質(zhì)量為60 g時(shí)，輸入功率為38 W；動(dòng)質(zhì)量為67 g時(shí)，輸入功率為35.5 W。當(dāng)動(dòng)質(zhì)量為67 g時(shí)，壓縮機(jī)電流及功率因數(shù)均明顯低于60 g，如圖11（b）所示。當(dāng)頻率從54 Hz增加到74 Hz時(shí)，67 g動(dòng)質(zhì)量的功率因數(shù)從0.9增加到0.96，工作電流最小為3.64 A；60 g動(dòng)質(zhì)量的功率因數(shù)則從0.83增加至0.91，最小工作電流為3.68 A，如圖11（c）所示。從圖11（d）可以看出，當(dāng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率為70 Hz時(shí)，動(dòng)質(zhì)量為67 g的相對(duì)比卡諾效率超過(guò)14%，而動(dòng)質(zhì)量為60 g時(shí)的比卡諾效率則接近13%。

圖11 不同配重下整機(jī)性能參數(shù)變化曲線Fig.11 Performance parameters of the cooler vary with the driven frequency

當(dāng)冷頭溫度維持在77 K時(shí)，制冷量隨輸入功率的變化如圖12所示，動(dòng)質(zhì)量為67 g時(shí)的最大制冷量為1.9 W@77 K，此時(shí)輸入功率為64 W；動(dòng)質(zhì)量為60 g時(shí)，最大制冷量為1.8 W@77 K，此時(shí)輸入功率為66 W。

圖12 不同配重時(shí)制冷量隨輸入功率的變化曲線Fig.12 The cooling capacity change with input power

由上述測(cè)試結(jié)果可知，用性能較優(yōu)的配重得到的壓縮機(jī)性能與理論分析中直徑9 mm的壓縮機(jī)所對(duì)應(yīng)的67 g動(dòng)質(zhì)量一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)理論分析過(guò)程的準(zhǔn)確性。稱重結(jié)果表明，壓縮機(jī)整機(jī)質(zhì)量約787 g，耦合氣動(dòng)式膨脹機(jī)后，整機(jī)質(zhì)量小于950 g，比質(zhì)量小于0.73 kg/W。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)并研制了一款微型輕量化動(dòng)磁式線性壓縮機(jī)，質(zhì)量為787 g。研究結(jié)論如下：

（1）采用了動(dòng)磁式直線電機(jī)設(shè)計(jì)，磁路合理，比推力設(shè)計(jì)滿足使用要求；采用內(nèi)外軟磁割槽方案實(shí)現(xiàn)了電機(jī)鐵損優(yōu)化及電機(jī)的輕量化；

（2）對(duì)壓縮機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析表明，當(dāng)壓縮機(jī)的掃氣容積一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)，壓縮機(jī)的動(dòng)質(zhì)量隨活塞面積的減小而減小，PV功效率及電機(jī)效率會(huì)逐漸上升，但活塞位移幅值逐漸增大。在進(jìn)行壓縮機(jī)輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合直線電機(jī)動(dòng)子的許用位移幅值進(jìn)行考慮；

（3）耦合氣動(dòng)式斯特林冷指實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，環(huán)境溫度為23℃時(shí)可實(shí)現(xiàn)的額定制冷量為1.3 W@77 K@35.6 W，此時(shí)比卡諾效率為14.1%，比質(zhì)量小于0.73 kg/W，最大制冷量為1.9 W@77 K@64 W。