家用電冰箱、冰柜等小型制冷裝置是民用領(lǐng)域的耗能大戶，其中絕大部分能量消耗在制冷壓縮機(jī)上，因此提高壓縮機(jī)效率是實(shí)現(xiàn)小型制冷裝置節(jié)能*主要的技術(shù)手段。

　　線性壓縮機(jī)因其具有的效率高、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便等諸多優(yōu)良特性，被認(rèn)為是小型制冷壓縮機(jī)節(jié)能技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。

　　針對小型制冷裝置這一特定使用環(huán)境，適用的線性壓縮機(jī)應(yīng)具有尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，效率高，可靠性高，易于安裝，控制方便，成本低等特點(diǎn)。本文根據(jù)這些使用要求，對小型線性制冷壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比較分析。

　　1直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分析直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是線性壓縮機(jī)*重要的組成部分。理論上講，任何一種直線電機(jī)都可以成為線性壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。各種直線電機(jī)特點(diǎn)不同，需要選擇*適應(yīng)電冰箱的種類。

　　直線電機(jī)從工作原理和使用角度來劃分可分為直線電動(dòng)機(jī)和直線驅(qū)動(dòng)器兩大類，見。其中的直線同步振蕩電機(jī)能夠利用電磁力和彈簧共振原理，自動(dòng)產(chǎn)生高頻往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，可直接推動(dòng)動(dòng)子往復(fù)運(yùn)動(dòng)，出力大，損耗小，效率高，*符合線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使用要求。直線同步振蕩電機(jī)名稱和工作原理都和常見的直線同步電動(dòng)機(jī)比較相近，但結(jié)構(gòu)上比直線同步電動(dòng)機(jī)簡單，具有直線同步電機(jī)的性能優(yōu)勢而又避免基金項(xiàng)目：國家863計(jì)劃課題（2007AA05Z258）作者：張立欽（1984-），男，博士生。

　　了直線同步電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，而且在運(yùn)行過程中可以通過調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓很方便的調(diào)節(jié)位移量，便于控制。綜上所述，針對小型線性制冷壓縮機(jī)用驅(qū)動(dòng)器的工作要求，把直線同步振蕩電機(jī)作為線性壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)器非常理想。

　　根據(jù)可動(dòng)體的類型劃分，直線同步振蕩電機(jī)可分為三種，即動(dòng)鐵式、動(dòng)圈式和動(dòng)磁式，或可分為動(dòng)鐵式、動(dòng)圈式、動(dòng)磁式以及動(dòng)磁鐵式四種類型。

　　是四種類型電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

　　動(dòng)鐵式直線電機(jī)的動(dòng)子采用鐵心材料，磁場則由勵(lì)磁線圈產(chǎn)生。此類電機(jī)能產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力和壓縮比，但必須使用多相繞組來產(chǎn)生往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，體積偏大，而且動(dòng)子在氣隙中的運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。動(dòng)圈式即動(dòng)子由線圈構(gòu)成，同時(shí)由另一個(gè)線圈提供勵(lì)磁，或者用固定的永磁體部件提供。此類電機(jī)優(yōu)點(diǎn)在于活塞行程控制較易，動(dòng)子上不存在徑向力和扭矩，沒有空載時(shí)的軸向力存在，不存在磁滯損耗。但驅(qū)動(dòng)力相對較小，引線問題不易解決。動(dòng)磁式動(dòng)子由永磁材料構(gòu)成，勵(lì)磁由線圈完成。有研究表明用率，動(dòng)子質(zhì)量減小，有利于相應(yīng)諧振彈簧的設(shè)計(jì)，推力更大，效率更高；但原理相對較復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮永久磁鐵的非線性磁導(dǎo)、磁滯損失、電渦流損失等因素的影響。動(dòng)磁式與動(dòng)磁鐵式的主要區(qū)別在于前者動(dòng)子為單純的永磁體或永磁體加不導(dǎo)電的支架，后者動(dòng)子為永磁體加動(dòng)子鐵心，但基本工作原理相同，所以在中有時(shí)將這兩種結(jié)構(gòu)劃為一種。動(dòng)圈式、動(dòng)磁式的一個(gè)共同特點(diǎn)就是其繞組線圈只需單相就可以達(dá)到驅(qū)使動(dòng)子往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)的目的，因此在尺寸上可以大大減小。而動(dòng)磁鐵式由于存在導(dǎo)磁的中心軸，所以也必須使用多相繞組才能發(fā)揮作用，從這一點(diǎn)上來看，又和動(dòng)鐵式比較相似。

　?。╟）動(dòng)磁式（d）動(dòng)磁鐵式四種同步直線振蕩電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖在不同工作環(huán)境下，可根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)形式。因此根據(jù)小型制冷裝置應(yīng)用要求和以上四種直線同步振蕩電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇動(dòng)磁式直線振蕩電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。

　　2活塞布局結(jié)構(gòu)分析由于線性壓縮機(jī)直線驅(qū)動(dòng)器的固有特性，即在直線方向上往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)，且在兩側(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全對稱，因此線性壓縮機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)雙氣缸對置、雙側(cè)活塞壓縮。因此選擇單側(cè)活塞壓縮還是雙側(cè)活塞壓縮是進(jìn)行線性壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)問題。

　　兩種布局方式的對比示意如。單側(cè)壓縮的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)更簡單，而雙側(cè)壓縮要求尺寸較大，不利于狹小空間內(nèi)的安裝，且進(jìn)排氣系統(tǒng)相應(yīng)要復(fù)雜很多。但雙側(cè)活塞運(yùn)行更加平穩(wěn)，這是因?yàn)槿绻菃蝹?cè)壓縮的話，則由于在全行程過程中一半時(shí)間受到氣體力作用而另一半不受氣體力，會(huì)使得振動(dòng)的平穩(wěn)性受到影響，而雙側(cè)布局的結(jié)構(gòu)就可以消除這種不利影響，對減少振動(dòng)帶來的不穩(wěn)定和噪聲效果非常明顯（見）。此外雙側(cè)壓縮在同等排氣量的要求下頻率可以更低，同時(shí)因?yàn)閯?dòng)子長度相對較長，也更便于使用軸承對動(dòng)子進(jìn)行定位。

　　選用何種布局與采用哪種型式的直線驅(qū)動(dòng)器關(guān)系密切。在上文對各種直線振蕩驅(qū)動(dòng)器的分析中提到了有部分驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案使用了動(dòng)鐵式或動(dòng)磁鐵式的設(shè)計(jì)方案，在這種情況下壓縮機(jī)存在實(shí)心軸，也更適合使用雙側(cè)布局；而如果米用動(dòng)圈式或動(dòng)磁式單相直線振蕩電機(jī)的方案，再配上雙側(cè)布局會(huì)完全抵消掉單相電機(jī)在尺寸上和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，所以此時(shí)使用單側(cè)布局更為優(yōu)化。

　　以上從理論上對單雙側(cè)壓縮的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比。但是如果壓縮機(jī)功率較小，而且對安裝空間沒有特別嚴(yán)格的限制的話，則單雙側(cè)布局對整機(jī)性能影響的區(qū)別并沒有特別明顯。因此，采用兩種結(jié)構(gòu)同時(shí)制作的方案，并進(jìn)行對比研究。

　　3氣路結(jié)構(gòu)分析傳統(tǒng)的壓縮機(jī)氣路結(jié)構(gòu)中，吸排氣閥位于氣缸的同側(cè)，由多層不同結(jié)構(gòu)的閥板拼合在一起構(gòu)成吸排氣的通路。但這種設(shè)計(jì)對線與性壓縮機(jī)而言并不適用，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)中，吸排氣閥片是隱藏在整個(gè)閥板內(nèi)部的，閥板本身不具有彈性，普通回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)活塞行程受傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的嚴(yán)格限制，不會(huì)發(fā)生撞缸；而線性壓縮機(jī)的活塞行程是沒有剛性限制的，因此一旦活塞運(yùn)動(dòng)超出預(yù)期行程，就會(huì)閥板發(fā)生剛性碰撞，造成強(qiáng)烈的噪音，甚至導(dǎo)致零部件受損。為避免以上問題，一種解決方案是設(shè)計(jì)了盤型彈簧支撐，有機(jī)材料制成的排氣閥體，使得整個(gè)排氣閥部分具有彈性，從而避免發(fā)生剛性碰撞，同時(shí)由于比舌簧閥具有更大的通流面積，這種氣閥可以*大限度的減小過壓縮損失。另外將吸氣閥轉(zhuǎn)移到中空活塞的頂部，使得吸氣閥和吸氣通道都在活塞中，使流動(dòng)阻力和吸氣加熱損失都降到了*低。這種氣道布局方案具有一定優(yōu)勢，但只在結(jié)構(gòu)沒有實(shí)心軸的情況下適用。因此還可以進(jìn)一步將彈簧改為彈性中空元件，例如波紋管等，同時(shí)將吸排氣閥體了吸排氣閥體與活塞之間不會(huì)發(fā)生剛性碰撞。該方法已申請發(fā)明專利。兩種吸排氣結(jié)構(gòu)見。

　　選擇何種吸排氣結(jié)構(gòu)也與采用哪種型式的直線驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。如采用動(dòng)磁鐵式，在存在實(shí)心軸的情況下想要利用中空活塞進(jìn)氣比較困難；相應(yīng)的，采用動(dòng)圈式或動(dòng)磁式則不存在這個(gè)問題，相反如采用中空活塞進(jìn)氣對結(jié)構(gòu)的簡化還更有利。計(jì)劃對這兩種氣路結(jié)構(gòu)同時(shí)制作，并進(jìn)行比較分析。

　　4密封潤滑結(jié)構(gòu)方案分析傳統(tǒng)上活塞腔的密封是依靠活塞環(huán)和潤滑油膜而進(jìn)行密封的。除此之外，可以把活塞外表面與活塞腔內(nèi)壁接觸的部分涂上一層涂層材料（如特氟龍等），效果突出，更適用于上述活塞頭部吸氣的氣路結(jié)構(gòu)方案。另外還有一種特殊的磁性流體物質(zhì)也已經(jīng)用于壓縮機(jī)活塞腔的密封。從氣路結(jié)構(gòu)的角度考慮，采用涂層方案更為合適。

　　從理論上來說直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的線性壓縮機(jī)因?yàn)閿P棄了效率低下的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而且動(dòng)子與定子之間又不直接接觸，完全可以做到無油潤滑，但是這需要極高的裝配精度來保證，而且由于直線電機(jī)中越來越多的采用永磁體部件，使得作用在動(dòng)子軸上的側(cè)向力普遍影響到了直線電機(jī)的性能，所以目前小型線性壓縮機(jī)仍需采用有油潤滑的方式，但由于撤消了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，需要研究開發(fā)單獨(dú)的供油裝置。供油裝置實(shí)質(zhì)上與一臺(tái)小型泵的功能相同，因此可以利用各類泵的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。如柱塞式供油裝置，或是利用隔膜泵原理的供油裝置，見。

　　以上兩種供油裝置方案也將分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　隔膜泵式供油裝置結(jié)構(gòu)示意諧振件方案分析目前線性壓縮機(jī)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的諧振件主要是柱彈簧和板彈簧兩種。諧振件在直線振蕩電機(jī)中一方面用于限制調(diào)節(jié)動(dòng)子位移，另一方面則是調(diào)整整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的彈性系數(shù)。柱彈簧無論是設(shè)計(jì)、計(jì)算、生產(chǎn)，都要比板彈簧容易，適用范圍廣。

　　因此從工藝和成本角度來說，柱彈簧具有一定優(yōu)勢。但板彈簧尺寸小，軸向剛度和徑向剛度都優(yōu)于柱彈簧。研究證明采用板彈簧可以大幅度提高壓縮機(jī)的性能和穩(wěn)定性。想要使用板彈簧，目前面臨的突出問題是板彈簧使用范圍狹窄，不同電機(jī)都要對彈簧形狀進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工作量很大；更為突出的矛盾是作為一項(xiàng)敏感技術(shù)，各發(fā)達(dá)國家對其掌握的板式柔性彈簧的設(shè)計(jì)方法和性能分析方法進(jìn)行了嚴(yán)密的技術(shù)封鎖，因此應(yīng)用困難較大。因此計(jì)劃使用合適的柱彈簧作為壓縮機(jī)的諧振件。

　　6結(jié)論根據(jù)電冰箱使用要求，經(jīng)過對線性壓縮機(jī)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及活塞布局、氣路、密封、潤滑和諧振元件的不同方案進(jìn)行比較，認(rèn)為動(dòng)磁式直線同步振蕩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的線性壓縮機(jī)經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，可以達(dá)到效率與尺寸成本之間的較為優(yōu)化效果，因此選擇此種電機(jī)作為線性壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，并配以表面涂層活塞以及作為諧振件的柱彈簧。在此基礎(chǔ)上，確定兩套活塞布局、氣路結(jié)構(gòu)以及潤滑方案，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。