一种用于自由活塞式线性压缩机的仿真设计方法与流程

本发明隶属于回热式低温制冷机领域，具体是指一种用于自由活塞式线性压缩机的仿真设计方法。

背景技术：
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线性振荡压缩机采用直线感应电机驱动，具有效率高、结构紧凑、体积小的特点。活塞不存在径向力或径向力非常小，极大地减少了活塞的摩擦功耗和磨损，可以通过非接触的气体间隙进行动态密封，压缩机运行寿命长，可靠性高。活塞轴向行程可以自由控制，给压缩机的变容量调节提供了更大的自由度，在变工况下效率比传统的屈杆式压缩机高。

对线性压缩机中电机本体的电磁与动力设计可以采用具有针对性的商业电磁分析软件进行，目前应用最为广泛的是ANSYS Maxwell电磁仿真模块。气体负载作用下的压缩机运行特性与空载状态时具有较大差别，呈现出一种强耦合关系。然而，目前商业电磁分析软件中并未针对自由活塞式线性压缩机的气体负载特性开发出准确有效的联合仿真系统与相应的设计方法。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种在特定气体负载下的自由活塞式线性压缩机仿真设计方法，解决压缩机设计脱离膨胀机负载特性的问题。

仿真设计参数为活塞位移和活塞速度，仿真设计包括以下步骤：

(1)、气体阻尼力F_c计算表达式为：

其中A_p为活塞面积，Δp为压力振幅，sinφ为压力位移相位角的正弦值，X_c为活塞位移s的最大值，v为活塞速度瞬态值；

(2)、机械阻尼力F_r计算表达式为

F_r＝c_r·v

其中c_r为机械阻尼系数，v为活塞速度瞬态值；机械阻尼系数主要由压缩机的装配工艺决定，取值范围为3N·s/m～20N·s/m。

(3)、阻尼力F_d＝F_c+F_r；

(4)、气体弹簧力F_g计算表达式为：

其中A_p为活塞面积，Δp为压力振幅，cosφ为压力位移相位角的余弦值，X_c为活塞位移s能达到的最大值，x为活塞位移的瞬态值；

(5)、机械弹簧力F_m计算表达式为

F_m＝k_m·x

其中k_m为机械弹簧刚度，x为活塞位移的瞬态值；弹簧刚度范围为5000N/m～20000N/m。

(6)、弹性力F_s＝F_g+F_m；

(7)、外部负载代入电机设计模块。

所述的电机设计模块采用ANSYS Maxwell商业电磁软件，其中的激励电压源u为正弦规律变化的理想动态电压源，表达式为：

u＝U₀sin(ωt+ψ)

其中U₀为电压幅值，取值范围0～300V，ω为角频率，取值范围0～200π，ψ为初始相位角，取值范围0～180°。

所述电机设计模块在激励电压源和外部负载输入下，根据有限元数值仿真方法对电机模型进行动态迭代仿真；电机设计模块完成一次仿真计算后，输出活塞位移s与活塞速度v，当前后两次计算结果得出的活塞位移s相对偏差在1％范围内时，即判定仿真结果已经收敛，获得仿真结果：活塞位移和活塞速度；否则将活塞位移s与活塞速度v分别代入运算A和运算B中，进行下一次迭代计算。

本发明实现电机本体与所驱动气体负载的联合仿真，使自由活塞式线性压缩机设计更加有针对性，提高了设计精准性和仿真采用度，有利于实际工程实践的有的放矢，确保制冷机产品的研发进度与质量保证。

附图说明：

图1为自由活塞式线性压缩机仿真设计方法流程图；

具体实施方式：

下面根据附图及实施例进一步描述本专利。

如图1所示，根据本发明所述的自由活塞式线性压缩机的仿真设计方法，对一台具体膨胀机进行匹配压缩机设计，所述外部负载L的确定步骤如下：

仿真设计参数为活塞位移和活塞速度，其特征在于：仿真设计包括以下步骤：

(1)、气体阻尼力F_c计算表达式为：

其中，活塞面积A_p为1E-4π，压力振幅Δp为0.3MPa，压力位移相位角的正弦值sinφ为0.866，活塞位移s的最大值X_c为5mm，v为活塞速度瞬态值，计算得到气体阻尼力F_c与v的函数关系式为F_c＝51.96(N·s/m)·v；

(2)、机械阻尼力F_r计算表达式为

F_r＝c_r·v

其中c_r为机械阻尼系数，取值为10N·s/m，v为活塞速度瞬态值；

(3)、阻尼力F_d＝F_c+F_r＝61.96(N·s/m)·v；

(4)、气体弹簧力F_g计算表达式为：

其中活塞面积A_p为1E-4π，压力振幅Δp为0.3MPa，压力位移相位角的余弦值cosφ为0.5，活塞位移s的最大值X_c为5mm，x为活塞位移的瞬态值，计算得到的气体弹簧力F_g与s的函数关系式为F_g＝9424.78(N/m)·s；

(5)、机械弹簧力F_m计算表达式为

F_m＝k_m·x

其中k_m为机械弹簧刚度，取值为6000N/m；x为活塞位移的瞬态值；

(6)、弹性力F_s＝F_g+F_m＝15424.78(N/m)·x；

(7)、外部负载代入电机设计模块。

所述的电机设计模块采用ANSYS Maxwell商业电磁软件，其中的激励电压源u为正弦规律变化的理想动态电压源，表达式为：

u＝U₀sin(ωt+ψ)

其中电压幅值U₀为60V，角频率ω为100π，初始相位角ψ为π/4。

所述电机设计模块在激励电压源和外部负载输入下，根据有限元数值仿真方法对电机模型进行动态迭代仿真；电机设计模块完成一次仿真计算后，输出活塞位移s与活塞速度v，当前后两次计算结果得出的活塞位移s相对偏差在1％范围内时，即判定仿真结果已经收敛，获得仿真结果：活塞位移和活塞速度；否则将活塞位移s与活塞速度v分别代入运算A和运算B中，进行下一次迭代计算。

最后应说明的是：本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。