高效直线双极空气压缩系统研究

高效直线双极空气压缩系统研究

代克金，温鲜慧，代雨婷 ，潘剑飞

深圳市深信创联智能科技有限责任公司，广东深圳 518100

摘要：“高效直线双极空气压缩系统研究”技术主要应用于工业压缩空气制备领域，研发技术综合运用直驱直线驱动、机械优化设计、先进控制方法以及信息处理等技术的创新特点，采用自主研发的直线电机空气压缩技术，配合双极压缩、永磁变频技术与机电技术等，实现高效节能的直驱空气压缩系统。与传统采用旋转电机原理压缩技术相比，具有本质区别，节能最高达25%以上。本技术属于新能源领域中的高效节能技术，研究技术面向高效节能空压设备，为制造型企业提供全方位工业空压节能相关解决方案，本课题核心关键技术处于业界领先地位。

关键词：直线；工艺；研究

1.　工艺范畴

研究技术成果主要应用于需要压缩空气作为加工介质的制造行业，课题研究技术综合运用直驱直线电机技术、永磁变频驱动技术、先进控制技术空压系统机械优化设计等技术创新点，实现直驱直线电机驱动下，空压系统双方向连续做功，具有同等条件下寿命高、振动小、噪音低以及效率等优势，解决传统旋转电机空压系统压缩效率低、能耗高等问题。随着本课题技术应用推广产业化，将进一步促进制造行业空压设备的升级改造，提升生产效率和质量。

2.　研究内容：

高效直线电机电磁有限元优化设计，其中包括：

1）电机数学建模及机械特性分析；

2）电磁特性有限元分析与优化。

基于直线压缩的高效永磁变频控制策略研究，包含：

1）变频电力电子驱动研究；

2）高效控制技术与策略。

双极压缩空气气路改进与管道优化技术，包含：

1）双极压缩空气系统节能技术原理与工艺；

2）压缩空气流程、润滑流程及干燥技术研究；

3）控制管路流程工艺与优化研究。

直线双极压缩系统节能管理与综合评定，其中包括：

1）系统压缩效率计算与能耗因素分析；

2）系统节能指标计算与评定；

3）系统运行管理平台实现。

3.技术指标

1）直线电机效率92%以上；

2）双极连续做功，空气压缩比提升65%；

3）直线空压机整体压缩效率提升18%，节能25%以上；

4）将压缩空气系统的输送压损降低92%以上，气损降低92%以上。

4. 技术原理与研究路线

直线压缩机的节能高效运行的实际需求出发，由左至右，总体分为理论分析、结构设计、结构优化、控制与测试四个步骤。每一研究阶段技术配合仿真及实验工具进行有效验证。研究成果将为直线压缩机的永磁变频控制提供理论依据。

5.创新特点

1. 基于直驱直线电机驱动技术，配合节能效率更高的永磁变频技术，提升压缩空气系统的能效水平。

2. 采用双极压缩技术，实现压缩机在往复运动中持续做功，提升直线空压系统的运行效率。

3. 实现压缩空气系统实时运行状态在线监控与管理，降低因故障造成的管理损失，提升企业设备运行安全管理效率。

高效直线双极空气压缩系统的创新点是：实现高效率、连续的空气压缩动作，结合先进直线电机设计技术，实现对空气直接压缩；配合双极压缩机构，实现系统连续做功；配合永磁变频驱动控制技术，实现任意压力下压缩机构的最大效率输出等。

6. 本文研究主要在压缩机压缩气体的背景下，设计新型直驱式压缩机为被控对象开展了直线压缩机的研究，设计基于硬件系统要求，完成系统的软件设计。通过控制系统的搭建，测试了系统空载和负载特性以及串联电容的输出特性。

1）对本课题的研究背景和意义进行了分析。主要从减少功耗的意义、直驱式压缩机和直线电机的发展和直线压缩机的工作原理与分类三方面进行了概括。

2）详细介绍了动磁式直线压缩机的结构，说明了其工作原理和运动特性，分析了系统共振的数学理论，简化了气体力的非线性特性，并得到了系统等效刚度与等效阻尼以及线性化后的数学模型。

3）应用有限仿真软件分析了动磁式直线电机稳态和瞬态性能，得出系统的输出特性。并在有限仿真软件的帮助下，针对动磁式直线电机的结构以控制变量法进行了深入的分析，并得出优化方案，提高了系统性能。

4）设计了基于直线压缩机控制系统，分析了系统在空载下的输出特性以及串联电容前后输出特性的比较，发现在串联电容下，在55hz 100v的正弦输入电压下，活塞行程提高3.2mm，排气力提高2kg/cm²。负载情况下，分析了气体力对活塞位置的影响、活塞位置对出力的影响、活塞行程对出力的影响，发现活塞运动下止点距离气缸底部距离越小，排气力越大，但当其距离过小时，会影响系统的平稳运行的一般性结论。在10hz，100v的正弦输入电压下负载运行，根据负载实验的一般性结论，自动调整活塞位置，保证活塞运动下止点距离气缸底部2mm，行程为8mm，此时系统在同等条件输入下的排气力最大，且能平稳运行。

7.新产品与技术创新展望

基于课题时间等方面的原因，对直线压缩机的研究还有很多不足之处，今后的工作可以从以下几个方面进行进一步的研究和完善：

1）活塞位置的自动调节控制算法上需要进一步的探索，对控制算法进行优化设计，提高压缩气体的效率。

2）为了进一步提高系统效率，可以尝试在活塞的另一边增加一个气缸，组成双缸结构。这样充分利用了活塞的往复直线运动，在两个方向均能压缩气体。在活塞行程路径中，等间距可装置数个光电传感器，以此可判断活塞的位置，针对位置做控制调节，省去在外安装编码器的机构，简化了系统的结构。

3）为进一步加大动子的电磁力，提高排气量，可对动磁式直线电机结构继续优化，即让动子在两组甚至三组内、外定子的共同作用下运动，这样动子的电磁力将会是原结构的两至三倍。共振弹簧虽然在理论上不损耗能量，但实际中的确有能量的损耗，可尝试去掉弹簧机构，利用气缸中气体力代替弹簧的作用，这样不但简化了结构，降低了成本，更提高了系统的运行效率。