微小型线性压缩机励磁线圈的分析与优化

doi:10.7523/j.ucas.2024.043

摘要/Abstract

摘要：

蒸汽压缩制冷能应对恶劣高温环境，使电子设备在更低的温度下运行，但需要解决微小型化和无油两个关键问题。基于有限元分析对线性压缩机励磁线圈进行数值模拟，优化线圈与外定子铁芯之间的结构以实现更紧凑的空间布局，从而进一步减小压缩机体积。同时开发了无骨架线圈以提高槽满率，使结构更紧凑，仿真对比表明该方案能有效提升电机的输出能力和效率。最终设计并制作了一款样机，其中直线电机的尺寸为外径61 mm、长度36 mm。实验测得电磁力系数为20.73 N·A^-1，与仿真结果21.34 N·A^-1非常接近，并在无油工况下进行了调压实验，在实现微小型化和无油的同时保证其性能。

关键词: 线性压缩机, 直线电机, 有限元分析, 电子设备冷却

Abstract:

Vapor compression refrigeration can operate electronic devices at lower temperatures even under harsh conditions， but it faces critical challenges in miniaturization and oil-free operation. This paper presents a detailed analysis and optimization of the excitation coils of the linear compressor using finite element analysis. The optimization allows the coil to be more compactly integrated with the outer stator core， further reducing the compressor's volume. A bobbinless coil was developed to increase the slot fill factor， resulting in a more compact structure. Simulation comparisons demonstrate effective enhancements in motor output capacity and efficiency. A prototype was constructed， featuring a linear motor with an outer diameter of 61 mm and a length of 36 mm. The measured electromagnetic force coefficient is 20.73 N·A^-1， which is very close to the simulation result of 21.34 N·A^-1. Voltage regulation experiments were also conducted under oil-free conditions， confirming that the device can maintain its performance while achieving miniaturization and oil-free operation.

Key words: linear compressor, linear motor, finite element analysis, electronic device cooling

中图分类号:

TB652

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图/表 10

图1 直线电机结构图

Fig.1 Structural diagram of the linear motor

图2 有限元分析模型

Fig.2 Finite element analysis model

图3 槽面积相关参数对电机性能的影响

Fig.3 Influence of slot area-related parameters on motor performance

图4 槽满率和线径对电机性能的影响

Fig.4 Influence of slot fill factor and wire diameter on motor performance

表1 优化后线圈相关尺寸参数

Table 1 Optimized dimensional parameters of the coil

参数	数值
齿长/mm	13
齿后长度/mm	3
齿根宽度/mm	5
齿尖宽度/mm	1
漆包线裸径/mm	0.60
漆包线线径/mm	0.64
槽满率/%	65
匝数	319
线圈电阻/Ω	3.01

图5 额定工况下电机运行状态

Fig.5 Operating status of the motor under rated conditions

图6 有骨架和无骨架两种方案下电机性能对比

Fig.6 Comparison of motor performance under two schemes： with and without a bobbin

图7 实验系统原理图

Fig.7 Schematic diagram of the experimental system

图8 电机性能测试结果

Fig.8 Motor performance test results

表2 微小型线性压缩机参数

Table 2 Parameters of miniature linear compressors

型号	压缩机尺寸（外径/mm $×$ 长度/mm）	质量/kg	电磁力系数/(N·A^-1)
邓伟峰^[22]	110 $×$ 250	8.0	13.9
洪昊等^[23]	62 $×$ 118	1.2	9.6^#
蒋珍华等^[24]	NA	4.5	15.7^#
陆国华等^[25]	60 $×$ 166	2.2	13.0^#
本文	63 $×$ 105	0.8	20.7

表2 微小型线性压缩机参数

Table 2 Parameters of miniature linear compressors

型号	压缩机尺寸（外径/mm $×$ 长度/mm）	质量/kg	电磁力系数/(N·A^-1)
邓伟峰^[22]	110 $×$ 250	8.0	13.9
洪昊等^[23]	62 $×$ 118	1.2	9.6^#
蒋珍华等^[24]	NA	4.5	15.7^#
陆国华等^[25]	60 $×$ 166	2.2	13.0^#
本文	63 $×$ 105	0.8	20.7

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