新型節(jié)能制冷機用直線電機及驅(qū)動控制
王真1,2，魯華2，羅東輝2，張東寧2
(上海交通大學，上海200030；2.中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)
摘要：直線電機直接驅(qū)動制冷機的壓縮機，省去了一般旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動壓縮機時需將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動的曲柄聯(lián)桿機構(gòu)，所以電機與壓縮機一體化設(shè)計后具有振動小、壽命氏的優(yōu)點：雙直線電機與制冷機壓縮機一體化設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案能夠有效地利用空間，大大地減小制冷機的整機結(jié)構(gòu)尺寸。
關(guān)鍵詞：制冷機；直線電機；驅(qū)動控制；PID調(diào)節(jié)
中圖分類號：TM359．4 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)01—0043—03
0引 言
目前，制冷機主要使用旋轉(zhuǎn)式電動機驅(qū)動活塞作往復振動，需要一套將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊本�往復運動的轉(zhuǎn)換機構(gòu)。而轉(zhuǎn)換機構(gòu)的存在，會導致機器總體體積龐大、傳動效率低、噪聲大、磨損利害、壽命短。
本文介紹的是分置式雙直線電機驅(qū)動壓縮機。雙直線電動機與壓縮機一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效利用空間，可以減小制冷機的體積。雙直線電動機驅(qū)動壓縮機，受力對稱，振動小。為進一步減小振動和電磁干擾，直線電機采用正弦脈寬調(diào)制驅(qū)動方式，溫度調(diào)節(jié)采用數(shù)字增量式PID，整個驅(qū)動控制器在單片機協(xié)調(diào)下工作。
1基本結(jié)構(gòu)原理
制冷機用直線電機的基本原理是在通以交變電流的動子線圈在恒定磁場中受力，動子線圈帶動負載作往復運動。
為充分利用空間、減小體積，制冷機用的直線電機現(xiàn)在都與制冷機的壓縮機采用一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。具體的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
圖1是雙直線電機驅(qū)動壓縮機的典型結(jié)構(gòu)，壓縮機與雙直線電機融為一體，壓縮機的汽缸和活塞置于直線電機的內(nèi)部，汽缸體就是直線電機的內(nèi)磁體，活塞又作為直線電機往復運動的支承件。彈簧既是動子線圈的支承件，又是一個儲能元件，在彈簧、直線電機和壓縮機參數(shù)匹配條件下，系統(tǒng)諧振驅(qū)動，效率****。
制冷機用直線電機驅(qū)動控制主要是調(diào)節(jié)直線電機運動振幅實現(xiàn)溫度控制。驅(qū)動控制器的原理框圖如圖2所示。
系統(tǒng)的工作原理是當直線電機驅(qū)動控制器接到系統(tǒng)的起動指令后，即以一定頻率的正弦波驅(qū)動直線電機作****振幅的往復運動。同時監(jiān)測溫度的變化。當溫度接近要求的溫度時，通過調(diào)節(jié)直線電機驅(qū)動電壓的幅值逐漸減小往復運動的幅值，直至達到要求的溫度，然后不斷調(diào)整直線電機的運動幅值使溫度保持在要求的溫度下。
接口的主要功能是完成與上位機的通訊，接收整機系統(tǒng)的起、停指令，并將溫度傳感器信號經(jīng)過處理傳給整機系統(tǒng)。
幅度調(diào)制和正弦波發(fā)生器是在單片機的協(xié)調(diào)控制下，通過一定的算法產(chǎn)生sPwM波形。
溫度傳感信號處理的主要功能是將溫度傳感二極管的輸出信號進行放大。
功率驅(qū)動器用以對sPwM波形進行功率放大，驅(qū)動直線電機。
單片機是防調(diào)處理與整機系統(tǒng)的通信、驅(qū)動控制器的sPwM波形產(chǎn)生、數(shù)字增量式PID調(diào)節(jié)算法計算等。
2直線電機及驅(qū)動控制設(shè)計
2．1直線電機電磁設(shè)計和加工工藝設(shè)計
直線電機的電磁設(shè)汁方案主要有兩種：一種為動圈式，即線圈運動，優(yōu)點是動子重量輕，動態(tài)性能好，缺點是勵磁電流要設(shè)法導人動圈；另一種是動鐵式，即磁鋼運動，缺點是動子重量較重，優(yōu)點是天然無刷形式，散熱條件好，可靠性高。
制冷機用直線電機為提高動態(tài)性能和便于壓縮機與直線電機一體化設(shè)計普遍采用動固式設(shè)計方案。動圈式設(shè)計方案也有兩種選擇：一種是動圈在外、磁鋼在內(nèi)的外動子方案，優(yōu)點是散熱性能較好，缺點是動子相對較重；另一種是動圈在內(nèi)、磁鋼在外的內(nèi)動子方案，其優(yōu)點是動子重量輕，而缺點是散熱性能較差。
動圈在磁鋼外和磁鋼內(nèi)各有優(yōu)、缺點。這與整個制冷機系統(tǒng)參數(shù)、驅(qū)動控制等有關(guān)，目前國外主要公司的產(chǎn)品兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案都有。
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