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嘉兴学院毕业设计（论文）开题报告

题目： 便携式直线空气压缩机设计与研究 学院名称：机电工程学院 专业班级： 机械101 学生姓名： 朱任远 1选题的背景、意义

压缩空气是仅次于电力的第二大动力能源，又是具有多种用途的工艺气源，其应用范围遍及石油、化工、冶金、电力、机械、轻工、纺织、汽车制造、电子、食品、医药、生化、国防、科研等行业和部门[1]。空气压缩机是机电引气源装置中的主体，它是将原动（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。空气压缩机被广泛应用于生活生产的各个环节。因此对空压机的进一步改进设计和研发，对于整个国民经济的发展有着非常重要的意义。

传统的活塞式空气压缩机主要是由旋转电机驱动，这种压缩机的发展历史悠久，具有丰富的设计制造和运行经验。由于这种压缩机中存在曲柄连杆机构，这会在活塞上了形成较大的侧向力，加剧了活塞与气缸的磨损，影响了效率与寿命；其次，结构复杂，曲轴、连杆、轴瓦、滑块等部件加工工艺复杂，成本高，易损件多；另外，传统活塞式压缩活塞噪音大，系统内部存在较大的倾覆力矩，从而引起较大的振动和噪声；能量传递环节多，机械效率低(微型压缩机约消耗15％电动机输入功率)，整机效率一般为0.30～0.40[2]，而且进一步提高该类压缩机的效率很难取得突破。

在寻求高效节能压缩机的过程中，直线压缩机作为一种理想的替代机型被提了出来，并已进行了大量的研究。直线压缩机主要利用直线电机驱动技术驱动压缩机活塞做往复直线运动，根据所采用的驱动源类型来划分直线压缩机，主要有：直线振荡电机驱动的压缩机、复合次级直线电机驱动的压缩机以及直线步进电机驱动的直线压缩机等三种类型。而按电磁驱动方式不同，电磁振动压缩机又可分为动圈式、动铁式以及动磁式[1]。直线压缩机具有以下一些显著的优点：

(1) 总体结构紧凑、体积小。

(2) 摩擦少、噪音低、寿命长、可靠性高。 (3) 能耗低、效率高。

(4) 活塞行程可调、在变工况下有较高的效率。 (5) 适应性强、易实现无油润滑。 (6) 反应速度快、随动性能好。

正是由于直线压缩机具有的这些优秀特点，使它成为未来微型压缩机的一个极其重要的研究

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发展方向。尤其是在微型便携式压缩机领域。

其中的动磁式直线压缩机是一种被广泛应用的结构类型，其静子由内外铁芯组成, 外铁芯上缠绕着环形的励磁线圈, 形成至少三个磁极。动子由永久磁铁组成,通过支撑件与活塞、弹簧连接在一起。工作磁场由两部分组成, 一部分是由励磁线圈产生的交变磁场;另一部分是由永久磁铁产生的恒定磁场。在两个磁场的相互作用下,产生轴向的驱动力, 进而推动活塞往复直线运动[3]。由于目前直线压缩机的应用主要集中在小功率的制冷领域，应用范围比较小[1]，而鉴于其中的动磁式直线压缩机的独特结构和突出优点，如果进一步提高其功率，其应用范围和前景必将更为广阔，其经济效益和社会效益也将更加明显。在不久的将来，动磁式直线空气压缩机也许会成为微型便携式压缩机领域的一种重要类型，这也本课题的研究意义所在。

2相关研究的最新成果及动态

2.1国外直线压缩机发展概况

国外对直线压缩机的研究开发已有几十年的历史,早期有代性的有荷兰飞利浦公司开发的动圈型直线振动压缩机,以及美国Sunpower公司开发的一种用于脉管型低温制冷器的磁铁可动型直线压缩机[4]。90年代后期,美国Sunpower公司开发了用于家用制冷机的直线马达制冷压缩机[5],与现有的家用往复式压缩机相比,效率可提高 15%到25%。日本松下、神钢、瑞典Electrolux、巴西Embraco等海外主要白色家电和压缩机生产企业也都已处在开发阶段。

由于动磁式直线压缩机的诸多优点，它引起了众多研究机构的开发兴趣，是目前最有发展前途并被广泛研究和开发的机型[6]。动磁式直线压缩机广泛应用在低温制冷领域，尤其是需要更大制冷量，而且需要长寿命考核指标时，动磁式直线压缩机就成为主要选择[7]。由美国戈达德空间飞行中心（GSFC）在2002年发射Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager(RHESSI)飞船中利用Sunpower公司的M77B（77K@4W）型动磁式斯特林制冷机为锗探测器提供低于80K工作环境，制冷机寿命、可靠性及振动特性完全满足要求[8]。

就目前所掌握的各种文献资料来看，国外动磁式直线压缩机的民用化程度要远远高于其他类型的压缩机，美国的Sunpower公司和韩国的LG公司在动磁式直线压缩机的研究和开发领域走在了世界的最前列。韩国LG电子公司与Sunpower公司密切合作，投入60多位研究人员，耗资400亿韩元，历经8年研制成功了一台用于DIOS双开门冰箱的动磁式直线压缩机，获500多项专利技术，并于2004年投入到韩国市场，随后将推向美国和欧洲市场[9]。除Sunpower、LG之外，还有许多的公司正在进行研究，英国Sheffield大学的R．E．Clark等[10]对一种用于微型空压机的动磁式直线电机进行了深入研究，分析了涡流对整机性能的影响，提出了一种跟踪压缩机共振频率的方法，提高了压缩机的效率。日本的Daiki Ebihara等[11]研究了一种结构简单的单线圈动磁式直

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线振荡电机，并给出了电机的静态特性曲线。

2.2国内直线压缩机发展概况

相比之下，国内对于动磁式直线压缩机的研究尚处于起步阶段，相关的研究资料还比较少。浙江大学的赵科、金涛等[12]研制了一台新型的扁平型动磁式直线压缩机，该机采用直线振荡电机驱动，具有结构紧凑、效率高等特点，它们还对该压缩机进行了性能测试，并指出了影响直线压缩机性能的关键因素。华中科技大学的丁国忠、张晓青等学者[13]对斯特林用直线压缩机进行了研究，提出随着科技的发展，斯特林直线压缩机的电声转换效率将越来越高，同时也在由动圈式向动磁式发展。上海交通大学的王仕越、巨永林[14]研制了一种新型动磁式直线压缩机的电机，分析了电动机参数对动子运动特性和电动机性能的影响。浙江大学刘晓辉、李志海、郑水英[15]针对动磁式直线压缩机模型样机建立了基于有限元的磁固耦合动态特性分析模型，该模型考虑了磁路的非线性特性、漏磁通及永磁体位置等因素的影响，比传统的等效磁路模型更完整。中南林业科技大学的谢洁飞、李新华、李香贵、杨波[16]建立了动磁式直线冰箱压缩机的理论数学模型，采用描述函数法对气缸内非线性气体力进行了线性化。在2005年，浙江大学化工机械研究所设计和研制了国内首台冰箱用动磁式直线压缩机，该压缩机动子质量0.9kg，气缸直径26mm，活塞行程18mm[1]。浙江大学的叶晓平、马永寿、金涛[17]研制了一台采用直线振荡电机驱动的新型结构的直线压缩机，并对压缩机的部分性能指标进行了测试。

目前，国外对直线压缩机的研究和试验处于遥遥领先地位，他们都有自己的一套设计方法，且产品质量高，但是由于技术保密等等问题，并不以公开。而国内对动磁式直线压缩机的研究无论是广度还是深度与国外相比还有很大差距，特别是理论设计和控制研究都方面都远远不足，这大大限制了国内动磁式直线压缩机的应用范围，难以实现产业化[3]。

作为制冷与空调系统核心部件的压缩机，在以领域或行业为单位的使用量是最多的，尽管现有压缩机的种类繁多，从其发展趋势来看，结构紧凑、高效节能以及微振低噪等特点是压缩机制造技术不断追求的改善目标[18]。

3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标

3.1研究内容及研究方法

由于动磁式直线压缩机具有结构紧凑、效率高的优点及其独特的结构，如果进一步提高它的功率，其应用范围和前景必将十分广阔。因此，本课题尝试设计功率更大的动磁式直线压缩机，最终目标是要设计一台功率约为500W的动磁式直线空气压缩机，要求在0.7MPa的背压下排气量

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