CN104948442B - 间接测量线性压缩机电机比推力和机械阻尼系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种间接测量线性压缩机电机比推力和机械阻尼系数的方法，包括在压缩机出口连接声学负载，对整个系统充压，通过调节线性压缩机的运行频率，找到此时最高电声转换效率时对应的线性压缩机的运行频率，在该运行频率条件下，调节声阻抗实部，检测找到当前压缩机最高电声转换效率以及此时对应的声阻抗实部，计算得到电机比推力和机械阻尼系数。采用上述方法，可以简单的检测出线性压缩机的电机比推力α和机械阻尼系数R_m。与现有测试方法相比，本发明的有益效果体现在：可在无需拆解线性压缩机的前提下，对压缩机进行间接测试，测试方法简单易于操作，且避免了由于拆解压缩机带来对其内部结构部件的损坏。

Description

间接测量线性压缩机电机比推力和机械阻尼系数的方法

技术领域

本发明属于线性压缩机领域，具体涉及一种线性压缩机电机比推力和机械阻尼系数的间接测量方法。

背景技术

线性压缩机由于结合了直线电机、柔性板弹簧以及间隙密封等关键技术，具有寿命长、无摩擦、振动低、噪声小以及可靠性高等一系列优势，已广泛应用于低温制冷机和冰箱等领域。线性压缩机可以理解为由三大部分组成：电路部分、机械部分以及声负载部分。其中电机比推力为电路部分的核心关键参数，其值的大小决定了直线电机将电功转化为机械功的能力。而机械阻尼系数为机械部分的关键参数，其值的大小直接影响着机械功的耗散，从而影响机械功向声功的转换。因此电机比推力和机械阻尼系数的测量对于线性压缩机而言至关重要。

图1所示为线性压缩机结构示意图，图2所示为其等效物理模型，其可看做由三部分组成，从左至右分别为：电路部分，机械部分，声学部分。其中U为输入电压，I为输入电流，R_e代表电机的线圈电阻，X_e代表电抗，α为电机比推力，R_m为线性压缩机的机械阻尼系数，M为动子质量，k_s为线性压缩机的板弹簧轴向刚度，p_c代表压缩机出口压力波动，V_c代表线性压缩机出口气体体积流率，R_a为声阻抗实部，X_a为声阻抗虚部。

目前电机比推力α的测量方法为：在压缩机装配之前，对直线电机进行单独测量，向线圈通入1安培电流，用测力计测得电机推力，从而得到电机比推力α。机械阻尼系数R_m的测量方法为：在压缩机装配之前，单独测试机械系统，给动子施加一个初始的位移激励，通过示波器监测动子位移的衰减波形，结合振动力学方程可以得到机械阻尼系数R_m。上述测量过程均发生在压缩机装配之前，需要对参数进行逐一单独测量。线性压缩机在长时间运行过后，由于一些原因，如电机材料性质的改变，动子行程的偏移等，导致电机比推力和机械阻尼系数发生变化，影响压缩机输出特性。此时如需测量这两个参数，需拆开压缩机，较为不便。此外，由于线性压缩机的密封依靠的是活塞与气缸之间微米级的间隙，这也使得其装配极其困难。且在一些场合，缺少上述测量装置，使得参数难以获得。因此，无需拆解压缩机的测试方法显得既简单方便、又高效可靠。

发明内容

本发明提供了一种间接测量线性压缩机电机比推力和机械阻尼系数的方法，该方法在无需拆解压缩机的情况下可实现对压缩机参数的间接无损测量，操作简单，避免了现有技术的复杂检测过程，检测效率高，实施方便。

本发明根据线性压缩机谐振工况下电声转化效率最高的原理，通过合理的测量流程，由所测得负载声阻抗以及压缩机效率来反电机比推力和机械阻尼系数。

本发明在待测压缩机出口连接间接测量装置，通过合理设计的测量流程，计算反推得到电机比推力和机械阻尼系数。

一种间接测量线性压缩机电机比推力和机械阻尼系数的方法，包括：在压缩机出口连接声学负载，通过调节声阻抗负载实部和虚部，检测找到压缩机最高电声转换效率以及此时对应的声阻抗实部，计算得到电机比推力和机械阻尼系数，具体为：在压缩机出口连接声学负载，对整个系统充压，通过调节线性压缩机的运行频率，找到此时最高电声转换效率时对应的线性压缩机的运行频率，在该运行频率条件下，调节声阻抗实部，检测找到当前压缩机最高电声转换效率以及此时对应的声阻抗实部，计算得到电机比推力和机械阻尼系数。

所述压缩机最高电声转换效率为η_max，最高效率对应的声阻抗实部为R_{a_η}，将这两个数据分别带入如下两个计算式，得到所述的电机比推力和机械阻尼系数：

式(1)和式(2)中，A为活塞面积，R_e为电机的线圈电阻；α为线性压缩机的电机比推力，R_m为线性压缩机的机械阻尼系数。

通过调节线性压缩机的运行频率f，找到现行工况下最高电声转换效率η时对应的线性压缩机的运行的运行频率f₁，此时线性压缩机达到谐振，固定该运行频率f₁，调节声阻抗实部R_a，检测找到压缩机最高电声转换效率η_max以及此时对应的声阻抗实部R_{a_η}，从而满足：：

由式(3)和式(4)得到所述式(1)和式(2)。

作为优选，所述声学负载包括通过管路与所述压缩机出口连通的气库，以及设置在所述管路上的阀门；通过改变阀门开度来实现对声学负载声阻抗实部的调节；通过改变运行频率、充气压力或气库体积实现对声阻抗虚部的调节，从而得到压缩机最高电声转换效率以及此时对应的声阻抗实部。

其中声阻抗实部R_a和声阻抗虚部X_a由下式计算得到：

式(5)和式(6)中，γ为工质气体绝热指数；P_M为系统充气压力；11表示交变量幅值，W_e是线性压缩机的输入电功；p_c代表压缩机出口压力波动；p_r代表阀门和气库之间管路的压力波动；为p_c和p_r之间的相位差；f为线性压缩机的运行频率；V为气库体积。

所述压缩机的电声转换效率由下式计算得到：

本发明中，A、γ、P_M、V、f均可采用现有方法检测得到、计算得到或者现有资料中查到；

本发明的阀门与线性压缩机之间的管路上设有用于检测压缩机出口压力波动p_c的检测点，所述阀门与气库之间的管路上设有用于检测阀门和气库之间管路的压力波动p_r的检测点。

本发明的具体检测步骤包括：

(1)固定阀门开度，即固定声阻抗实部R_a1，对于给定气库与充气压力，得到声阻抗虚部X_a1；

(2)调节线性压缩机的运行频率f，使线性压缩机获得该声阻抗下的最高效率；

(3)固定该运行频率f，调节阀门开度，即调节声阻抗实部R_a，得到线性压缩机的最高效率η_max，以及此时对应的声阻抗实部R_{a_η}，即得到式(3)和式(4)，联立式(3)和式(4)得到α和R_m，如式(1)和式(2)。

采用上述方法，可以简单的检测出线性压缩机的电机比推力α和机械阻尼系数R_m。与现有测试方法相比，本发明的有益效果体现在：可在无需拆解线性压缩机的前提下，对压缩机进行间接测试，测试方法简单易于操作，且避免了由于拆解压缩机带来对其内部结构部件的损坏。

附图说明

图1为线性压缩机结构示意图；

图2为线性压缩的等效物理模型图；

图3为线性压缩机驱动RC声学负载结构示意图。

具体实施方式

图3所示为实现本发明间接测量线性压缩机电机比推力和机械阻尼系数的方法的装置结构示意图。即在压缩机出口连接管路，在该管路上设置一组阀门R和气库C，其中阀门靠近压缩机出口设置。其中阀门的作用在于提供等效阻抗实部，而气库的作用在于提供等效阻抗虚部。通过一些合理的实验测量，可以反推得到压缩机的电机比推力α、机械阻尼系数R_m这两个重要且不易实际测量的参数。实验中需要在阀门前后各安装一个压力传感器，用于测量该处的压力波动p_c和p_r，p_c代表压缩机出口的压力波动，p_r代表阀门和气库之间管路的压力波动，从而计算阀门R、气库C负载的声阻抗、压缩机输出声功以及压缩机电声转换效率。阀门R、气库C负载的特点在于其可以实现对负载阻抗实部和虚部的独立调节，使二者不至于相互影响。

实验中由阀门R、气库C负载组成的声阻抗实部和虚部分别为：

式中γ为工质气体绝热指数，p_M为系统充气压力，||表示交变量幅值，f为线性压缩机的运行频率，V为气库体积，为p_c和p_r之间的相位差。

线性压缩机的电声转换效率η表达式分别为：

W_e是线性压缩机的输入电功，可由功率计测得。

结合上述分析，本发明采用的具体测量方法为：

首先对于给定气库充气，系统充气压力为p_M，固定阀门开度，根据式(1)和式(2)得到声阻抗实部R_a1和声阻抗虚部X_a1，在此条件下，调节线性压缩机的运行频率f，根据式(3)找到现行工况下最高电声转换效率η时对应的线性压缩机的运行的运行频率f₁，此时压缩机达到谐振；

固定该运行频率f₁，调节阀门开度，即调节声阻抗实部R_a，根据式(3)找到线性压缩机的最高效率η_max，以及此时对应的声阻抗实部R_{a_η}，此时有：

R_e代表电阻，R_m为线性压缩机的机械阻尼系数；

由式(4)和式(5)得到电机比推力α和机械阻尼系数R_m的表达式：

将η_max，R_{a_η}，A，R_e代入式(6)和式(7)，即可求得电机比推力和机械阻尼系数。

图1所示为典型的线性压缩机结构示意图，主要包括位于两侧的两组板弹簧1，每组板弹簧1有两个；与一组板弹簧1固定的动子2；固定在动子2端部的活塞3，活塞3位于压缩腔4内；设于一组板弹簧1之间的电机5和线圈6；两个活塞3之间为压缩腔4。

图2所示为其等效物理模型，其可看做线性压缩机由三部分组成，从左至右分别为：电路部分，机械部分，声学部分。其中U为输入电压，I为输入电流，R_e代表电机的线圈电阻，X_e代表电抗，α为电机比推力，R_m为机械阻尼系数，M为动子质量，k_s为板弹簧刚度，p_c代表压缩机出口压力波动，V_c代表压缩机出口气体体积流率，R_a为声阻抗实部，X_a为声阻抗虚部。其中R_e比较方便直接测量(如采用万用表等)，这里作为已知条件。

理论基础

这里定义线性压缩机的电阻抗Z_e、机械阻抗Z_m及声阻抗Z_a如下：

Z_e＝R_e+jX_e

Z_m＝R_m+j(ωM-k_s/ω)＝R_m+jX_m

其中j为虚数单位，ω＝2πf为线性压缩机运行的角频率，f为线性压缩机的运行频率，X_m为等效机械阻抗虚部。

定义：

X＝X_m+A²X_a

其中A为活塞面积。则可以求解得到压缩机的电声转换效率表达式为：

其中A是活塞面积。当X＝0时压缩机达到谐振工况，在谐振工况下，存在最佳声阻抗实部R_{a_η}：

使得压缩机从输入电功到输出声功的转化效率达到最高，最高效率为η_max：

基于上述理论基础分析，可通过调节声负载实部和虚部，找得压缩机最高效率以及所对应的声阻抗值，继而计算得到电机比推力和机械阻尼系数。基于上述理论基础分析，证明了本发明方法的可行性。同时本发明方法步骤简单，检测效率高。

Claims (7)

1.一种间接测量线性压缩机电机比推力和机械阻尼系数的方法，其特征在于，包括：在压缩机出口连接声学负载，对整个系统充压，通过调节线性压缩机的运行频率，找到此时最高电声转换效率时对应的线性压缩机的运行频率，在该运行频率条件下，调节声阻抗实部，检测找到当前压缩机最高电声转换效率以及此时对应的声阻抗实部，计算得到电机比推力和机械阻尼系数。

2.根据权利要求1所述的间接测量线性压缩机电机比推力和机械阻尼系数的方法，其特征在于，所述当前压缩机最高电声转换效率为η_max，最高电声转换效率对应的声阻抗实部为R_{a_η}，将这两个数据分别带入如下两个计算式，得到所述的电机比推力α和机械阻尼系数R_m：

式(1)和式(2)中，A为活塞面积，R_e为电机的线圈电阻；α为线性压缩机的电机比推力，R_m为线性压缩机的机械阻尼系数。

3.根据权利要求2所述的间接测量线性压缩机电机比推力和机械阻尼系数的方法，其特征在于，通过调节线性压缩机的运行频率f，找到现行工况下最高电声转换效率η时对应的线性压缩机的运行的运行频率f₁，此时线性压缩机达到谐振，固定该运行频率f₁，调节声阻抗实部R_a，检测找到压缩机最高电声转换效率η_max以及此时对应的声阻抗实部R_{a_η}，从而得到所述式(1)和式(2)。

4.根据权利要求3所述的间接测量线性压缩机电机比推力和机械阻尼系数的方法，其特征在于，所述声学负载包括通过管路与所述压缩机出口连通的气库，以及设置在所述管路上的阀门；通过改变阀门开度来实现对声学负载声阻抗实部的调节；通过改变运行频率、充气压力或气库体积实现对声阻抗虚部的调节，从而得到压缩机最高电声转换效率以及此时对应的声阻抗实部。

5.根据权利要求4所述的间接测量线性压缩机电机比推力和机械阻尼系数的方法，其特征在于，所述声阻抗实部R_a和声阻抗虚部X_a由下式计算得到：

式(5)和式(6)中，γ为工质气体绝热指数；P_M为系统充气压力；||表示交变量幅值；p_c代表压缩机出口压力波动；p_r代表阀门和气库之间管路的压力波动；为p_c和p_r之间的相位差；f为线性压缩机的运行频率；V为气库体积。

6.根据权利要求4所述的间接测量线性压缩机电机比推力和机械阻尼系数的方法，其特征在于，所述压缩机的电声转换效率由下式计算得到：

式(7)中，γ为工质气体绝热指数；P_M为系统充气压力；||表示交变量幅值，W_e是线性压缩机的输入电功；p_c代表压缩机出口压力波动；p_r代表阀门和气库之间管路的压力波动；为pc和pr之间的相位差；f为线性压缩机的运行频率；V为气库体积。

7.根据权利要求5或6所述的间接测量线性压缩机电机比推力和机械阻尼系数的方法，其特征在于，所述压缩机与阀门之间的管路上设有用于检测p_c的检测点，所述阀门与气库之间的管路上设有用于检测p_r的检测点。