小型线性制冷压缩机结构设计分析

　　家用电冰箱、冰柜等小型制冷装置是民用领域的耗能大户，其中绝大部分能量消耗在制冷压缩机上，因此提高压缩机效率是实现小型制冷装置节能*主要的技术手段。

　　线性压缩机因其具有的效率高、体积小、结构紧凑、控制方便等诸多优良特性，被认为是小型制冷压缩机节能技术的主要发展方向之一。

　　针对小型制冷装置这一特定使用环境，适用的线性压缩机应具有尺寸小，结构简单，效率高，可靠性高，易于安装，控制方便，成本低等特点。本文根据这些使用要求，对小型线性制冷压缩机的结构设计方案进行了比较分析。

　　1直线电机驱动器分析直线电机驱动器是线性压缩机*重要的组成部分。理论上讲，任何一种直线电机都可以成为线性压缩机的驱动器。各种直线电机特点不同，需要选择*适应电冰箱的种类。

　　直线电机从工作原理和使用角度来划分可分为直线电动机和直线驱动器两大类，见。其中的直线同步振荡电机能够利用电磁力和弹簧共振原理，自动产生高频往复直线运动，可直接推动动子往复运动，出力大，损耗小，效率高，*符合线性压缩机驱动器的使用要求。直线同步振荡电机名称和工作原理都和常见的直线同步电动机比较相近，但结构上比直线同步电动机简单，具有直线同步电机的性能优势而又避免基金项目：国家863计划课题（2007AA05Z258）作者：张立钦（1984-），男，博士生。

　　了直线同步电机结构复杂的缺点，而且在运行过程中可以通过调节电机端电压很方便的调节位移量，便于控制。综上所述，针对小型线性制冷压缩机用驱动器的工作要求，把直线同步振荡电机作为线性压缩机的驱动器非常理想。

　　根据可动体的类型划分，直线同步振荡电机可分为三种，即动铁式、动圈式和动磁式，或可分为动铁式、动圈式、动磁式以及动磁铁式四种类型。

　　是四种类型电机的结构示意图。

　　动铁式直线电机的动子采用铁心材料，磁场则由励磁线圈产生。此类电机能产生较大的驱动力和压缩比，但必须使用多相绕组来产生往复直线运动，体积偏大，而且动子在气隙中的运动不稳定。动圈式即动子由线圈构成，同时由另一个线圈提供励磁，或者用固定的永磁体部件提供。此类电机优点在于活塞行程控制较易，动子上不存在径向力和扭矩，没有空载时的轴向力存在，不存在磁滞损耗。但驱动力相对较小，引线问题不易解决。动磁式动子由永磁材料构成，励磁由线圈完成。有研究表明用率，动子质量减小，有利于相应谐振弹簧的设计，推力更大，效率更高；但原理相对较复杂，系统设计需要考虑永久磁铁的非线性磁导、磁滞损失、电涡流损失等因素的影响。动磁式与动磁铁式的主要区别在于前者动子为单纯的永磁体或永磁体加不导电的支架，后者动子为永磁体加动子铁心，但基本工作原理相同，所以在中有时将这两种结构划为一种。动圈式、动磁式的一个共同特点就是其绕组线圈只需单相就可以达到驱使动子往复振荡运动的目的，因此在尺寸上可以大大减小。而动磁铁式由于存在导磁的中心轴，所以也必须使用多相绕组才能发挥作用，从这一点上来看，又和动铁式比较相似。

　　（c）动磁式（d）动磁铁式四种同步直线振荡电机结构示意图在不同工作环境下，可根据需要选择适当的电机形式。因此根据小型制冷装置应用要求和以上四种直线同步振荡电机的优缺点，选择动磁式直线振荡电机作为驱动器。

　　2活塞布局结构分析由于线性压缩机直线驱动器的固有特性，即在直线方向上往复振荡运动，且在两侧运动状态完全对称，因此线性压缩机很容易实现双气缸对置、双侧活塞压缩。因此选择单侧活塞压缩还是双侧活塞压缩是进行线性压缩机设计中需要考虑的一个问题。

　　两种布局方式的对比示意如。单侧压缩的优点在于结构更简单，而双侧压缩要求尺寸较大，不利于狭小空间内的安装，且进排气系统相应要复杂很多。但双侧活塞运行更加平稳，这是因为如果是单侧压缩的话，则由于在全行程过程中一半时间受到气体力作用而另一半不受气体力，会使得振动的平稳性受到影响，而双侧布局的结构就可以消除这种不利影响，对减少振动带来的不稳定和噪声效果非常明显（见）。此外双侧压缩在同等排气量的要求下频率可以更低，同时因为动子长度相对较长，也更便于使用轴承对动子进行定位。

　　选用何种布局与采用哪种型式的直线驱动器关系密切。在上文对各种直线振荡驱动器的分析中提到了有部分驱动器的设计方案使用了动铁式或动磁铁式的设计方案，在这种情况下压缩机存在实心轴，也更适合使用双侧布局；而如果米用动圈式或动磁式单相直线振荡电机的方案，再配上双侧布局会完全抵消掉单相电机在尺寸上和结构上的优势，所以此时使用单侧布局更为优化。

　　以上从理论上对单双侧压缩的优缺点进行了对比。但是如果压缩机功率较小，而且对安装空间没有特别严格的限制的话，则单双侧布局对整机性能影响的区别并没有特别明显。因此，采用两种结构同时制作的方案，并进行对比研究。

　　3气路结构分析传统的压缩机气路结构中，吸排气阀位于气缸的同侧，由多层不同结构的阀板拼合在一起构成吸排气的通路。但这种设计对线与性压缩机而言并不适用，因为这种结构中，吸排气阀片是隐藏在整个阀板内部的，阀板本身不具有弹性，普通回转式压缩机活塞行程受传动机构的严格限制，不会发生撞缸；而线性压缩机的活塞行程是没有刚性限制的，因此一旦活塞运动超出预期行程，就会阀板发生刚性碰撞，造成强烈的噪音，甚至导致零部件受损。为避免以上问题，一种解决方案是设计了盘型弹簧支撑，有机材料制成的排气阀体，使得整个排气阀部分具有弹性，从而避免发生刚性碰撞，同时由于比舌簧阀具有更大的通流面积，这种气阀可以*大限度的减小过压缩损失。另外将吸气阀转移到中空活塞的顶部，使得吸气阀和吸气通道都在活塞中，使流动阻力和吸气加热损失都降到了*低。这种气道布局方案具有一定优势，但只在结构没有实心轴的情况下适用。因此还可以进一步将弹簧改为弹性中空元件，例如波纹管等，同时将吸排气阀体了吸排气阀体与活塞之间不会发生刚性碰撞。该方法已申请发明专利。两种吸排气结构见。

　　选择何种吸排气结构也与采用哪种型式的直线驱动器有关。如采用动磁铁式，在存在实心轴的情况下想要利用中空活塞进气比较困难；相应的，采用动圈式或动磁式则不存在这个问题，相反如采用中空活塞进气对结构的简化还更有利。计划对这两种气路结构同时制作，并进行比较分析。

　　4密封润滑结构方案分析传统上活塞腔的密封是依靠活塞环和润滑油膜而进行密封的。除此之外，可以把活塞外表面与活塞腔内壁接触的部分涂上一层涂层材料（如特氟龙等），效果突出，更适用于上述活塞头部吸气的气路结构方案。另外还有一种特殊的磁性流体物质也已经用于压缩机活塞腔的密封。从气路结构的角度考虑，采用涂层方案更为合适。

　　从理论上来说直线电机驱动的线性压缩机因为摈弃了效率低下的机械传动机构，而且动子与定子之间又不直接接触，完全可以做到无油润滑，但是这需要极高的装配精度来保证，而且由于直线电机中越来越多的采用永磁体部件，使得作用在动子轴上的侧向力普遍影响到了直线电机的性能，所以目前小型线性压缩机仍需采用有油润滑的方式，但由于撤消了旋转运动机构，需要研究开发单独的供油装置。供油装置实质上与一台小型泵的功能相同，因此可以利用各类泵的原理进行设计。如柱塞式供油装置，或是利用隔膜泵原理的供油装置，见。

　　以上两种供油装置方案也将分别进行实验验证。

　　隔膜泵式供油装置结构示意谐振件方案分析目前线性压缩机直线电机驱动器内的谐振件主要是柱弹簧和板弹簧两种。谐振件在直线振荡电机中一方面用于限制调节动子位移，另一方面则是调整整个振动系统的弹性系数。柱弹簧无论是设计、计算、生产，都要比板弹簧容易，适用范围广。

　　因此从工艺和成本角度来说，柱弹簧具有一定优势。但板弹簧尺寸小，轴向刚度和径向刚度都优于柱弹簧。研究证明采用板弹簧可以大幅度提高压缩机的性能和稳定性。想要使用板弹簧，目前面临的突出问题是板弹簧使用范围狭窄，不同电机都要对弹簧形状进行重新设计，设计工作量很大；更为突出的矛盾是作为一项敏感技术，各发达国家对其掌握的板式柔性弹簧的设计方法和性能分析方法进行了严密的技术封锁，因此应用困难较大。因此计划使用合适的柱弹簧作为压缩机的谐振件。

　　6结论根据电冰箱使用要求，经过对线性压缩机直线电机驱动器以及活塞布局、气路、密封、润滑和谐振元件的不同方案进行比较，认为动磁式直线同步振荡电机驱动的线性压缩机经过合理设计，可以达到效率与尺寸成本之间的较为优化效果，因此选择此种电机作为线性压缩机的驱动器，并配以表面涂层活塞以及作为谐振件的柱弹簧。在此基础上，确定两套活塞布局、气路结构以及润滑方案，分别进行实验研究。