动磁式线性压缩机输出特性的实验研究

郑昱鑫

摘要：从压缩机和膨胀机两个方面，研究了分置式斯特林制冷机中动磁式线性压缩机的输出特性。以压缩机输出的PV功为考察对象，实验对比了不同的动子质量和排出器弹簧刚度对压缩机输出特性的影响。对实验结果进行了分析讨论。

关键词：压缩机PV功、排出器刚度、斯特林制冷机

0. 引言

压缩机作为压力波发生器，是斯特林制冷机的重要组成部分。目前，分置式斯特林制冷机采用的压缩机大都是由直线电机驱动的线性压缩机。线性压缩机具有振动小、效率高的优点，符合小型低温制冷机的结构设计要求，是小型低温制冷机中不可替代的关键设备^[1]。按照电机结构的不同，线性压缩机分为动磁式、动铁式和动圈式三种^[2]，本实验的研究对象为对置式动磁线性压缩机。

对于气动式膨胀机，排出器及其支撑弹簧组成一个受迫振动系统，由压缩机产生的周期性压力波驱动^[3]。压缩机不仅向膨胀机提供输入，同时压缩活塞振子和排出器振子在振动上相互影响，二者的匹配对提高制冷机性能有着很重要的意义^[4]。本文以压缩机的输出PV功为输出特性表征参数，通过实验研究了不同动子质量的压缩机对运行频率的响应，对比了不同的排出器弹簧刚度对压缩机输出特性的影响。

0. 理论基础

假设压缩机是刚性的，忽略其振动及重力的影响，系统可简化为一个单自由度受迫振动系统^[1]。文献5给出了压缩机活塞受力分析，并给出了相关计算公式。

根据系统固有频率公式^[6]可得：

(1)

此处的k为包括气体刚度在内的压缩机等效刚度，刚度不在本文讨论的范围内，实验中机械弹簧刚度和充气压力均不变化。由式(1)可得，通过改变压缩机动子质量m可调整压缩机的固有频率，使其在工作频率上谐振。

0. 实验结果及分析

2.1 动子质量对压缩机输出特性的影响

实验对比了动子质量分别为172g和152g的两台压缩机，除动子质量不同外，其余参数均相同。充气压力2.4Mpa，输入功率90W_AC，匹配同一只膨胀机。分别测试两台压缩机在40Hz、45Hz、50Hz、55Hz、60Hz频率下工作输出的PV功，测试结果如图1所示。

图1 动子质量对压缩机输出特性的影响

可见，动子质量152g压缩机在50Hz处谐振，PV功最大值为35.99W，其输出特性在频率低于55Hz时优于动子质量172g压缩机。表明以50Hz频率工作时152g动子的压缩机效率更高。

2.2 排除器弹簧刚度对压缩机输出特性的影响

斯特林制冷机中膨胀机对压缩机的影响主要表现在改变气流阻尼，是一个比较复杂的过程^[4]。将动子质量为152g的压缩机分别匹配排出器弹簧刚度为5.10N/mm和4.67N/mm的两只膨胀机进行实验。其余参数均与前述相同。测试结果如图2所示。

图2 不同排出器弹簧刚度对压缩机输出特性的影响

可见，排出器弹簧刚度减小后，PV功的最大值从41.66W下降到35.99W，降幅13.6%。排出器弹簧刚度的变化并没有改变压缩机的谐振频率，PV功仍然在50Hz处取得最大值。这说明膨胀机主要通过气流阻尼影响压缩机的输出特性，没有改变压缩机的自振固有频率。

0. 结论

本文以压缩机的输出PV功为压缩机输出特性的表征参数，通过实验研究了不同动子质量的压缩机对运行频率的响应。实验对比分析了不同排出器弹簧刚度对压缩机输出特性的影响。得出结论如下：

（1）动子质量152g压缩机的谐振频率比动子质量172g的压缩机更接近50Hz，在这一频率下工作拥有更好的输出特性；

（2）排出器弹簧刚度对压缩机输出特性存在影响，但是膨胀机参数的变化没有改变压缩机的自振频率。

参考文献：

[1]秦宁, 陈厚磊, 蔡京辉. 测量线性压缩机活塞位移和PV功的新方法[J], 低温工程, 2012（2）:5-10.

[2]沈海涛. 动圈型直线压缩机原理性样机的优化和设计[D], 杭州, 浙江大学, 2006.

[3]陈国邦, 汤珂. 小型低温制冷机原理[M], 北京, 科学出版社, 2009.

[4]张存泉, 吴亦农, 陈永生. 斯特林制冷机中压缩活塞振子与排出器振子相互影响的研究[J], 低温与超导, 2004.32(2):39-42.

[5]Marquardt E,Radebaugh R. Design optimization of linear-arm flexure bearing[J], Cryocoolers, 1994(8):293-304

[6]傅志方, 华宏星. 模态分析理论与应用[M], 上海, 上海交通大学出版社, 2000.

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