斯特林制冷機(jī)直線壓縮機(jī)磁場(chǎng)分析
丁國(guó)忠1，張曉青1，何名順1，吳鋒2，鄂青2
(1.華中科技大學(xué)，湖北武漢430074; 2.武漢工程大學(xué)，湖北武漢430073)
摘要：對(duì)已研制的動(dòng)圈式直線壓縮機(jī)和動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)建立適應(yīng)有限元分析的數(shù)學(xué)模型，采用電磁場(chǎng)分析軟件研究了斯特林用贏線壓縮機(jī)的磁場(chǎng)分布，分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)情況基本符合，并在此基礎(chǔ)上提出了動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)的改進(jìn)方案。
關(guān)鍵詞：斯特林；直線壓縮機(jī)；有限元
中圖分類(lèi)號(hào)：TM359.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7018(2008)07-0026-03
0 引 言
微型斯特林制冷機(jī)是光電子技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)和空間遠(yuǎn)程通訊技術(shù)中的關(guān)鍵部件，它要求采用無(wú)油潤(rùn)滑的間隙密封的直線壓縮機(jī)。直線壓縮機(jī)的性能決定了斯特林制冷機(jī)的性能和壽命。動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)具有更大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)和潛力，是當(dāng)前斯特林用直線壓縮機(jī)研究的熱點(diǎn)，但目前使用的大部分還是動(dòng)圈式直線壓縮機(jī)。動(dòng)圈式直線壓縮機(jī)的線圈引線隨著動(dòng)圈一起振動(dòng)，易折斷，而且因動(dòng)固質(zhì)量大，不能在高頻下工作，同時(shí)徑向充磁的永磁造成動(dòng)子的偏心，使壓縮機(jī)活塞無(wú)法與氣缸形成高質(zhì)量的間隙密封。雖然經(jīng)過(guò)改進(jìn)后壽命可以達(dá)到2～3年，但由于加工精度要求高，加工成本難以下降，而且不斷磨損和堵塞會(huì)使運(yùn)行壽命縮短，以致成為斯特林制冷機(jī)的壽命瓶頸。而動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、活塞磨損小、壽命長(zhǎng)、控制簡(jiǎn)單，能夠?qū)φ袷幍念l率和位移進(jìn)行控制，隨著高磁通量永磁體釹鐵硼的發(fā)展及結(jié)構(gòu)改進(jìn)，還會(huì)有進(jìn)一步的性能改善。活塞桿長(zhǎng)度的減小，對(duì)于減小誤差傳遞以及避免連接導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)，都有利于斯特林制冷機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行并提高壽命。因此在直線壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，需要對(duì)其電磁場(chǎng)進(jìn)行分析，以利于減少漏磁和增大推力，進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。
華中科技大學(xué)制冷與低溫實(shí)驗(yàn)室從20世紀(jì)80年代初期就開(kāi)始研究斯特林制冷機(jī)，設(shè)計(jì)并制作了直線壓縮機(jī)[1,2]近年來(lái)，有限元法得到了快速發(fā)展，被認(rèn)為是電機(jī)工程領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展最迅速的一種技術(shù)。直線壓縮機(jī)的電磁場(chǎng)問(wèn)題可以象電機(jī)一樣用有限元法求解[3,4]。利用電磁場(chǎng)理論和有限元法進(jìn)行直線電機(jī)的電磁場(chǎng)分析與計(jì)算，是整個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能分析的重要組成部分，由于直線壓縮機(jī)的等效磁路模型只能對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行粗略的計(jì)算分析，具有很大的局限性。而以場(chǎng)的觀點(diǎn)，全面、系統(tǒng)地分析電機(jī)的性能，進(jìn)行電機(jī)的設(shè)計(jì)、性能分析及仿真計(jì)算，則顯示出極大的優(yōu)越性[5].
電磁場(chǎng)的分析和計(jì)算通常歸納為求微分方程的解，而電機(jī)只有邊界條件，因此電機(jī)的定解條件為邊值問(wèn)題。研究電機(jī)磁場(chǎng)時(shí)，一般采用第一類(lèi)和第二類(lèi)邊界條件。
1 數(shù)學(xué)模型
因?yàn)槲缓瘮?shù)較容易建立邊界條件，所以電機(jī)電磁場(chǎng)有限元分析一般采用位函數(shù)表示。又由于使用矢量磁位可以方便地繪出磁力線分布并求出磁通，因此目前二維磁場(chǎng)計(jì)算大多數(shù)采用矢量磁位。電機(jī)電磁場(chǎng)一般不考慮位移電流的影響，屬于似穩(wěn)場(chǎng)，可以按照穩(wěn)態(tài)情況處理，在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上磁場(chǎng)基本一致，分析最多的是平行于動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向的平行平面場(chǎng)，此時(shí)電流密度與矢量磁位只有一個(gè)分量。對(duì)于穩(wěn)態(tài)情況，直線電機(jī)中的磁場(chǎng)采用圓柱坐標(biāo)系，其軸向平面上的電磁場(chǎng)問(wèn)題可表示成邊值問(wèn)題：
在直線電機(jī)中，外邊界(即第一類(lèi)邊界條件)磁矢位為零，對(duì)稱(chēng)軸為第二類(lèi)邊界，此時(shí)磁力線全部在r—z平面內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度只有r軸和z軸的分量，其表達(dá)式分別為：
在研的直線壓縮機(jī)主要有動(dòng)圈式壓縮機(jī)和動(dòng)磁式壓縮機(jī)兩種，我們分別對(duì)其建立幾何模型進(jìn)行分析[6]。動(dòng)圈式和動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)模型如圖1所示。
2 計(jì)算結(jié)果與分析
網(wǎng)格劃分均采用三角形單元，如圖2所示。為了精確計(jì)算永磁體運(yùn)動(dòng)區(qū)域的磁場(chǎng)分布，需要細(xì)化
網(wǎng)格，其他部分根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小由密到疏劃分網(wǎng) |
