单侧弹簧线性压缩机可行性实验研究

　　单恻弹簧线性压缩机可行性为采用单侧弹簧的线性压缩机的原理示意图。压缩机静止时，通过将活塞初始位置布置于上死点位置，与活塞相连的弹簧处于自由长度状态，运行时，在气体荷载的作用下，活塞由初始位置（上死点）偏移到的运动中心后，在上死点和下死点之间往复运行。

　　对于单侧弹簧线性压缩机，当线性压缩机的设计行程幅值确定为X时，则活塞初始位置与运动中心之间的距离4X等于活塞的设计行程幅值，即4X=X，该偏移量是由气体力荷载的作用产生。

　　2.2样机的设计与开发根据线性压缩机的设计排气容积和设计工况等条件，对活塞行程与直径进行优化设计，确定其设计行程，根据设计工况下气体力线性化结果确定谐振弹簧的刚度及运动部件的质量，然后进行线性压缩机的结构设计。

　　为设计开发的单侧弹簧线性压缩机样机的结构示意图。压缩机样机主要包括：由内定子、外定子、永磁体动子和励磁线圈构成的线性电机、气缸、活塞、谐振弹簧、吸气阀及排气阀等部件。其中谐振弹簧采用圆柱螺旋压缩弹簧布置在电机动子和压缩机机身之间。

　　为设计开发的动磁式单侧弹簧线性压缩机样机，其主要参数如表1.单侧弹簧线性压缩机样机3样机可行性验证，在定频率定排气压力情形下，一定电压范围内，单侧弹簧线性压缩机运动中心到上死点距离随着电压的升高保持定值，这与前面结构形式分析时单侧弹簧线性压缩机的运动中心到上死点距离（4X）由气体力荷载的作用产生，即排气压力不变，运动中心到上死点距离（4X）也不变。当电压继续增加，压缩机的运动中心到上死点距离（4X）会出现激增，这是因为出现严重撞缸导致压缩机行程不对称而使运动中心到上死点距离（4X）出现较大增幅。

　　定排气压力空气压缩试验中发现，当排气压力低于设计排气压力时，压缩机行程没有到达设计行程就会出现撞缸的现象。的（b）中所示，出现严重的撞缸现象前，相同排气压力下，压缩机行程随电压的升高呈现线性增加。在这个线性区内会有轻微的撞缸现象发生，但因为我们采用了类似菌状阀的排气结构设计，即便出现轻微的撞缸，也不会使得压缩机的运行参数出现紊乱；不同排气压力下，排气压力值越高，达到上死点位置所需要的电压值越大。

　　因而单侧弹簧线性压缩机控制中可以通过调整电压值来让活塞在运动过程中达到上死点的位置，同时保证压缩机不出现撞缸。

　　中（b）和（c）分别显示，在定频率定排气压力情形，一定的电压区域内，压缩机行程和功率随电压的增加线性地增加，当电压超过这个区域后，活塞行程、功率都出现一个激增的现象，出现这种情形我们认为是压缩机出现了严重的撞缸现象，导致压缩机运行各参数出现了不稳定。

　　3.3不同谐振弹簧刚度的空气压缩，相同排气压力下，采用4组弹簧作为谐振弹簧组的线性压缩机行程小于采用2组弹簧的压缩机，即单侧弹簧线性压缩机金属谐振弹簧刚度越大，其行程越小；当压缩机达到相同的行程时，金属谐振弹簧刚度大的压缩机所对应的排气压力会更高。这与样机结构形式分析的单侧弹簧线性压缩机的偏移量（运动中心到上死点距离）是由气体力荷载的作用产生相一致。

　　（b）中所示，一定阀门开度情形下，单侧弹簧线性压缩机排气压力随电压的增加而增加。

　　（c）中所示，单侧弹簧线性压缩机单位行程的功耗会随电压变化出现明显的先增加后减少再增加的规律。因为定阀门开度时，随着电压的增加，压缩机排气压力增加，相应行程增加，带来被压缩的空气量增加以及铜损增加。这些等因素使得单位行程压气功耗增加。当电压继续增加时，由压缩气体等效刚度与金属弹簧构成的谐振单元刚度使得压缩机固有频率与供电频率相接近，压缩机趋近共振状态，此时压缩机效率接近*高值，因而单位行程压气功耗出现明显下降；而当电压继续增加时，排气压力继续增加，压缩机远离共振区，其功耗又会因压缩气体量的增加、铜损增加等因素使得其单位行程压气功耗再度增加。

　　（c）中还可以看出，采用2组金属弹簧作为谐振弹簧组的压缩机相比采用4组金属弹簧的压缩机出现共振点所需的电压值高。因为压缩机接近共振状态时，需压缩气体等效弹簧刚度与金属弹簧构成的谐振单元刚度使得压缩机固有频率与供电频率相接近，对应的电压值也高。因而采用2组金属弹簧作为谐振单元的单侧弹簧压缩机出现共振时所需电压值较高。

　　压缩机排气压力、活塞行程、功率及单位行程耗功随电源频率的变化规律。

　　（d）分别为定阀门开度下，单侧弹簧线性压缩机变频性能曲线。

　　单侧弹簧线性压缩机变频性能曲线（c）所示，压缩机的功率随着电源频率的加而减少，是因为排气压力降低和压缩机行程减少（a）和（b）所示，排气压力和压缩机行程随着电源频率的增加而减少，这是因为压缩机排气压力较低，没有达到设计时动子质量和谐振弹簧刚度理想匹配区域，因而压缩机固有频率较低，随着供电频率的增加压缩机远离共振区域，造成排气压力降低和行程减少；另外在相同的频率时，通过增大电压可以提高排气压力，对应压缩机活塞行程也会增加，这是因为压缩机的运动中心位置随着排气压力的增加远离上死点位置使得行程增加。

　　共同作用导致压缩气体耗功减少。

　　（d）所示，压缩机单位耗功随频率的增加而增加。因为电源频率较低时接近压缩机的固有频率，此时压缩机效率高，当增加电源频率，使得压缩机远离共振区域，效率降低，造成压缩机单位耗功量增加；在频率相同情形下，增加电压使得排气压力增加，从而压缩机单位耗功量也增加。

　　在定阀门开度下，单侧弹簧线性压缩机变频性能实验表明，压缩机工作在其固有频率附近又有较高的效率，因而在对单侧弹簧线性压缩机设计时为得到较高的频率特性，需要设计压缩机的供电频率和固有频率比约等于1，通常略大于1.由于单侧弹簧线性压缩机活塞初始位置与运动中心之间的距离等于活塞的设计行程幅值即4X =X，因此单侧弹簧线性压缩机选用的弹簧刚度值较小，为得到单侧弹簧线性压缩机较好的频率特性，在电源频率一定的情形下，压缩机运动部件的质量也会减小。从产品节材角度来说，单侧弹簧线性压缩机利用了压缩气体作为气体弹簧来减少谐振弹簧的用量，同时达到减少压缩机运动部件质量，使得压缩机的运动惯性减少，达到线性压缩机轻型化的目的。

　　4结论通过对一种新型动磁式单侧弹簧线性压缩机样机的开发，并在此基础上进行了样机可行性空气压缩实验研究。得出了以下结论：通过样机空气压缩实验，结果验证了单侧弹簧线性压缩机的可行性，且其具有利用压缩气体作为气体弹簧来减少谐振弹簧的用量，同时减少压缩机运动部件质量，实现线性压缩机轻型化的优点；样机实验表明，当压缩机排气压力工况变化时，可以通过调节电压值来保证压缩机活塞在上死点位置运行。