电冰箱用线性压缩机研究与开发

图 11 活塞行程控制方案示意框图 5 结论 通过对直线电机、吸排气装置及控制系统的大量实验研究和理论分析，开发出采用 R600a 制冷剂的冰箱用线性压缩机样机，额定工况 COP 为 1.61。目前正在深入研究电磁、 机械、热工耦合特性，改进压缩机结构和加工装配精度，进一步提升 COP，为线性压缩机 产业化打下坚实基础。 参考文献
国家 863 计划课题（2007AA05Z258）
图 2 LGE 线性压缩机 图 3 Embraco 线性压缩机 国内关于冰箱用线性压缩机的研究起步相对较晚， 主要是高校和科研院所从事的探索性 研究。中国科学院理化技术研究所在原来脉冲管制冷用线性压缩机研究基础上，从 2005 年 开始电冰箱用线性压缩机的研制工作[4]，并在 2010 年完成了国家 863 计划课题 “电冰箱用 线性压缩机研究与开发”的研究，开发出电冰箱用线性压缩机样机，并开始着手实施产业化 工作。 2 直线电机的开发 直线电机驱动器是线性压缩机最重要部件。 理论上讲， 任何一种直线电机都可以成为线 性压缩机的驱动器。根据电冰箱用线性压缩机的工作特点，目前为止，国内外绝大多数的研 究都采用了动磁式直线振荡电机作为线性压缩机的驱动器， 其基本原理是通过在静止不动的 线圈中通以交变电流，产生变化磁场，并与永磁体构成的动子所产生的磁场相互作用，使动 子直接往复运动，如图 3[5]所示。
在控制系统中采用 PWM 调制方式，对励磁电的电压和频率进行调节，从而有效地控制 线性压缩机工作状态和制冷量。开发的 PWM 调制驱动电路板见图 10。
图 10 采用 PWM 调制方式的驱动电路板 此外， 实现精确可靠的活塞行程控制的前提是活塞行程的检测。 但研究表明系统中增加 位移传感器后，一方面无法保证系统可靠性和灵敏度，另外还增加了成本[5]。因此在研究中 采用了自传感技术， 即一种利用直线电机本身作为位移传感器的技术， 与传统的位移传感器 不同，具有结构简单、成本低及易于维修等优点。 通过理论分析和方案设计，从硬件和软件两方面实施了控制方案。整个系统以 PWM 逆 变电路和一个 PC 上的 LabVIEW 程序为核心。激励电源的电压和电流分别由电压互感器和 电流互感器测量，信号经由数据采集卡采集，通过 R232 端口输入 LabVIEW 程序，用以计 算实际的活塞位移。真实位移同时也由位移传感器进行测量，并输入程序用于对比和校正。 另外一方面， 由数字温度传感器测量的排气侧温度参数也输入程序中， 在软件中计算相应的 制冷剂压力，并按预设算法计算出频率调整值和电压命令值，施加至电机。活塞行程控制方 案见图 11。
图 9 线性压缩机制冷变容量调节测试结果 4 行程控制系统的开发 线性压缩机中由于取消了曲柄连杆传动机构， 不受传动机构的刚性限制， 因此线性压缩 机的活塞在运动过程中的上死点和下死点均不固定， 其变化取决于直线电机励磁电压参数和 外界气体负载的变化。如果活塞行程减小，会大大降低制冷系统的制冷能力；而如果活塞行 程的突然变大， 会发生活塞冲缸现象， 这样不仅活塞行程的变化不仅会影响到线性压缩机的 正常工作，还有可能损坏压缩机。因此，线性压缩机行程控制系统目标是保证线性压缩机运 行时活塞行程稳定而不发生行程跳跃振荡以及冲缸现象， 同时在变工况情况下保证活塞达到 预定的上死点位置，保持线性压缩机高效运行。
图 3 动磁式直线振荡电机工作原理 本文中的研究采用了 Redlich 型圆筒式直线电机，具有结构紧凑、漏磁较小等特点，通 过优化设计，可以获得稳定的行波磁场，使动子在磁场中平稳运动。配以不同规格的谐振元 件后，可针对不同的负载条件获得较高的效率。图 4 为制作的直线电机样机。
图 4 直线振荡电机样机
电冰箱用线性压缩机的研究与开发
邹慧明 ,张立钦
1 1, 2
，彭国宏
1, 2
，ห้องสมุดไป่ตู้明生
1, 2
，田长青
1
（1.中国科学院理化技术研究所，北京
100190；2.中国科学院研究生院，北京
100190）
摘要：线性压缩机具有效率高、结构简单、体积小、容量调节性能优异等优点，是目前电冰 箱用压缩机的一个发展热点。 本文在分析国内外冰箱用线性压缩机的发展简况基础上， 介绍 了我们在直线电机、电机效率测量、吸排气装置、压缩机样机、压缩机控制器等方面的研究 开发情况。 1 前言 我国是制冷设备生产和应用大国， 相关统计数据显示， 目前我国冰箱的产量已居世界首 位，冰箱保有量已达 2 亿多台。在我国城乡居民的家庭用电量中，30%～40%左右为电冰箱 用电，其中压缩机消耗 80%以上电量，是电冰箱中最主要的耗能部件。因此提高电冰箱用 制冷压缩机的节能水平日益成为当前国内外的研究重点。 线性压缩机的研究正是在这一背景 下开展起来的。 与传统的往复式压缩机不同，线性压缩机是采用直线电机驱动（见图 1-b） 。由于省去 了传统往复式压缩机由旋转运动转换为直线往复运动的传动机构， 直线电机的电磁驱动力方 向始终与活塞的运动方向在同一直线上， 活塞将不存在径向力或径向力非常小， 极大地减少 [1] 了活塞的摩擦功耗和磨损，易于实现无油润滑 。因此线性压缩机具有效率高、结构简单、 体积小等特点[2]，且自由活塞也给压缩机的变容量调节提供了更大的自由度。
dx 计算得到。负载力由电机与负 dt
载之间设置的微型拉压力传感器测得。根据电机效率
T
Po 100% ，其中电机输入功 Pi Pi
可以通过功率计直接测得，输出功 Po f Fl vdt ，根据公式分别测出电机运动的速度 v 和
0

作用给负载的负载力 Fl 后，通过积分计算得到，继而得到被测电机的效率特性。
（a） （b） 图 1 传统往复式压缩机和线性压缩机的结构比较 线性压缩机的研究开发已有几十年的历史， 早期主要是应用于航天或军事领域的小型低 温制冷循环系统， 作为斯特林制冷机和脉冲管低温制冷机的压力波发生器。 随着人们对线性 压缩机认识的不断加深， 相关研究逐步转向民用领域。 目前在民用领域线性压缩机已经得到 了一些应用，主要有：日本的泽藤（SAWAFUJI）公司生产的小型冷藏箱，采用的是小型动 圈式线性压缩机；日东工器（NITTO KOHKI）公司生产的空压机、真空泵及小型冷藏箱均 采用的是线性压缩机；韩国 LGE 公司生产的 DIOS 双开门豪华冰箱搭载的是动磁式线性压 缩机（图 2） 。继韩国 LGE 的线性压缩机冰箱在全世界家电市场推广后，很多海外白色家电 和压缩机生产企业，如日本松下、神钢、瑞典 Electrolux，巴西 Embraco 等也在积极开发小 型制冷装置用线性压缩机[3]。2010 年，巴西 Embraco 发布了已完成冰箱用线性压缩机开发 的报告。Embraco 的线性压缩机是与新西兰 Fisher & Paykel 公司联合开发的，据称可实现无 油润滑，在结构上与 LGE 的线性压缩机有很大的不同（图 3）。
[1] Redlich R, Unger R, Van der Walt NR. Linear Compressors: Motor Configuration, Modulation and Systems[C]. In: Proceeding of the International Compressor Engineering Conference at Purdue, Purdue Univ., 1996. 23-26. [2] Remich NC Jr. The Linear Compressor [M]. Chicago: Appliance Manufacturer, 1993. [3] 张立钦，邹慧明，徐洪波，田长青. 小型制冷装置用线性压缩机的研究及应用[J]. 压缩 机技术, 2008(5):1-6. [4] Huiming Zou, Liqin Zhang, Guohong Peng, Changqing Tian. Piston Stroke Design Optimization for Linear Compressor[J]. Advanced Materials Research. 2011, 189-193: 1635-1640. [5] J. Sung, C. Lee, G. Kim, et al. Sensorless control for linear compressors[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. 2006, 24:273-286. [6] 邹慧明. 双缸对置式线性压缩机开发与研究[D]. 北京：中国科学院研究生院. 2010.
图 7 吸排气方式示意图 图 8 线性压缩机样机示意图 压缩机制冷性能试验依据国家标准 GB/T5773-2004 《容积式制冷剂压缩机性能试验方 法》 ，采用“第二制冷剂量热器法”作为主要测量方法，“水冷冷凝器量热器法”作为辅助测量 方法而进行。在标准压缩机性能实验台上，以 R600a 为制冷剂，测得线性压缩机样机在额 定工况下输入功率 133W，制冷量达到 215.8W，COP 为 1.61。并且该线性压缩机在小幅调 整驱动电压和频率的基础上，可实现 40 % - 100 %的制冷变容量调节，见图 9。
图 6 不同排气压力下的电机效率曲线
3 压缩机样机的开发 在开发直线振荡电机的基础上，进一步开发出适用于该直线电机结构特征的吸排气结 构，构成电冰箱用线性压缩机。其主要结构特点为：吸气通路在中空的活塞内腔中，通过位 于活塞顶端的吸气阀进入气缸， 被压缩后从位于气缸端头的排气阀排出。 这种结构的优点在 于， 线性压缩机的活塞行程是随着外部荷载工况的变化动态变化的， 因而可能会出现活塞冲 缸的现象， 为保证压缩机的可靠运行和长寿命， 采用非金属复合材料的排气阀配合螺旋弹簧 的排气装置可以很好地减小活塞冲缸带来的损害。吸排气结构示意图见图 7，线性压缩机样 机见图 8。
本文根据动磁式直线振荡电机特点， 提出了一种直线振荡电机效率测试方法 — 气体负 [6] 载效率测试法，如图 5 所示 。被测电机通过力传感器连接一个活塞，推动活塞在气缸中往 复运动压缩空气做功，通过调节排气阀调节排气压力，从而模拟不同的电机负载。电机运动 速度 v 可以通过位移传感器测得电机运动位移后根据 v
图 5 气体负载法电机效率测试原理图 图 6 为采用不同谐振弹簧在不同排气压力下的电机效率曲线。 当采用刚度为 54.44N/mm 的谐振弹簧组时，电机在 0.25MPa 的排气压力下效率最高，为 85.9% ；当采用刚度为 44.64N/mm 的谐振弹簧组时，电机在 0.4MPa 的排气压力下效率最高，为 84.7%；当采用刚 度为 38.4N/mm 的谐振弹簧组时，电机在 0.5MPa 的排气压力下效率最高，为 78.3%。