便攜式直線空氣壓縮機設(shè)計與研究 開題報告

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告</p><p>　　題目：　 　便攜式直線空氣壓縮機設(shè)計與研究 　　</p><p><b>　　1選題的背景、意義</b></p><p>　　壓縮空氣是僅次于電力的第二大動力能源，又是具有多種用途的工藝氣源，

2、其應(yīng)用范圍遍及石油、化工、冶金、電力、機械、輕工、紡織、汽車制造、電子、食品、醫(yī)藥、生化、國防、科研等行業(yè)和部門[1]?？諝鈮嚎s機是機電引氣源裝置中的主體，它是將原動（通常是電動機）的機械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置。空氣壓縮機被廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。因此對空壓機的進一步改進設(shè)計和研發(fā)，對于整個國民經(jīng)濟的發(fā)展有著非常重要的意義。</p><p>　　傳統(tǒng)的活塞式空氣壓縮機主要是由旋轉(zhuǎn)

3、電機驅(qū)動，這種壓縮機的發(fā)展歷史悠久，具有豐富的設(shè)計制造和運行經(jīng)驗。由于這種壓縮機中存在曲柄連桿機構(gòu)，這會在活塞上了形成較大的側(cè)向力，加劇了活塞與氣缸的磨損，影響了效率與壽命；其次，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，曲軸、連桿、軸瓦、滑塊等部件加工工藝復(fù)雜，成本高，易損件多；另外，傳統(tǒng)活塞式壓縮活塞噪音大，系統(tǒng)內(nèi)部存在較大的傾覆力矩，從而引起較大的振動和噪聲；能量傳遞環(huán)節(jié)多，機械效率低(微型壓縮機約消耗15％電動機輸入功率)，整機效率一般為0.30～0.40[2

4、]，而且進一步提高該類壓縮機的效率很難取得突破。</p><p>　　在尋求高效節(jié)能壓縮機的過程中，直線壓縮機作為一種理想的替代機型被提了出來，并已進行了大量的研究。直線壓縮機主要利用直線電機驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動壓縮機活塞做往復(fù)直線運動，根據(jù)所采用的驅(qū)動源類型來劃分直線壓縮機，主要有：直線振蕩電機驅(qū)動的壓縮機、復(fù)合次級直線電機驅(qū)動的壓縮機以及直線步進電機驅(qū)動的直線壓縮機等三種類型。而按電磁驅(qū)動方式不同，電磁振動壓縮機又可

5、分為動圈式、動鐵式以及動磁式[1]。直線壓縮機具有以下一些顯著的優(yōu)點：</p><p>　　總體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。</p><p>　　摩擦少、噪音低、壽命長、可靠性高。</p><p><b>　　能耗低、效率高。</b></p><p>　　活塞行程可調(diào)、在變工況下有較高的效率。</p><p&g

6、t;　　適應(yīng)性強、易實現(xiàn)無油潤滑。</p><p>　　反應(yīng)速度快、隨動性能好。</p><p>　　正是由于直線壓縮機具有的這些優(yōu)秀特點，使它成為未來微型壓縮機的一個極其重要的研究發(fā)展方向。尤其是在微型便攜式壓縮機領(lǐng)域。</p><p>　　其中的動磁式直線壓縮機是一種被廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)類型，其靜子由內(nèi)外鐵芯組成, 外鐵芯上纏繞著環(huán)形的勵磁線圈, 形成至少三個磁極。

7、動子由永久磁鐵組成,通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起。工作磁場由兩部分組成, 一部分是由勵磁線圈產(chǎn)生的交變磁場;另一部分是由永久磁鐵產(chǎn)生的恒定磁場。在兩個磁場的相互作用下,產(chǎn)生軸向的驅(qū)動力, 進而推動活塞往復(fù)直線運動[3]。由于目前直線壓縮機的應(yīng)用主要集中在小功率的制冷領(lǐng)域，應(yīng)用范圍比較小[1]，而鑒于其中的動磁式直線壓縮機的獨特結(jié)構(gòu)和突出優(yōu)點，如果進一步提高其功率，其應(yīng)用范圍和前景必將更為廣闊，其經(jīng)濟效益和社會效益也將更加明顯。在不久

8、的將來，動磁式直線空氣壓縮機也許會成為微型便攜式壓縮機領(lǐng)域的一種重要類型，這也本課題的研究意義所在。</p><p>　　2相關(guān)研究的最新成果及動態(tài) </p><p>　　2.1國外直線壓縮機發(fā)展概況</p><p>　　國外對直線壓縮機的研究開發(fā)已有幾十年的歷史,早期有代性的有荷蘭飛利浦公司開發(fā)的動圈型直線振動壓縮機,以及美國Sunpower公司開發(fā)的一種用于脈管

9、型低溫制冷器的磁鐵可動型直線壓縮機[4]。90年代后期,美國Sunpower公司開發(fā)了用于家用制冷機的直線馬達制冷壓縮機[5],與現(xiàn)有的家用往復(fù)式壓縮機相比,效率可提高 15%到25%。日本松下、神鋼、瑞典Electrolux、巴西Embraco等海外主要白色家電和壓縮機生產(chǎn)企業(yè)也都已處在開發(fā)階段。</p><p>　　由于動磁式直線壓縮機的諸多優(yōu)點，它引起了眾多研究機構(gòu)的開發(fā)興趣，是目前最有發(fā)展前途并被廣泛研究

10、和開發(fā)的機型[6]。動磁式直線壓縮機廣泛應(yīng)用在低溫制冷領(lǐng)域，尤其是需要更大制冷量，而且需要長壽命考核指標時，動磁式直線壓縮機就成為主要選擇[7]。由美國戈達德空間飛行中心（GSFC）在2002年發(fā)射Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager(RHESSI)飛船中利用Sunpower公司的M77B（77K@4W）型動磁式斯特林制冷機為鍺探測器提供低于80K工作環(huán)境，制冷機壽命、可靠性及振動特

11、性完全滿足要求[8]。</p><p>　　就目前所掌握的各種文獻資料來看，國外動磁式直線壓縮機的民用化程度要遠遠高于其他類型的壓縮機，美國的Sunpower公司和韓國的LG公司在動磁式直線壓縮機的研究和開發(fā)領(lǐng)域走在了世界的最前列。韓國LG電子公司與Sunpower公司密切合作，投入60多位研究人員，耗資400億韓元，歷經(jīng)8年研制成功了一臺用于DIOS雙開門冰箱的動磁式直線壓縮機，獲500多項專利技術(shù)，并于200

12、4年投入到韓國市場，隨后將推向美國和歐洲市場[9]。除Sunpower、LG之外，還有許多的公司正在進行研究，英國Sheffield大學的R．E．Clark等[10]對一種用于微型空壓機的動磁式直線電機進行了深入研究，分析了渦流對整機性能的影響，提出了一種跟蹤壓縮機共振頻率的方法，提高了壓縮機的效率。日本的Daiki Ebihara等[11]研究了一種結(jié)構(gòu)簡單的單線圈動磁式直線振蕩電機，并給出了電機的靜態(tài)特性曲線。</p>

13、<p>　　2.2國內(nèi)直線壓縮機發(fā)展概況</p><p>　　相比之下，國內(nèi)對于動磁式直線壓縮機的研究尚處于起步階段，相關(guān)的研究資料還比較少。浙江大學的趙科、金濤等[12]研制了一臺新型的扁平型動磁式直線壓縮機，該機采用直線振蕩電機驅(qū)動，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等特點，它們還對該壓縮機進行了性能測試，并指出了影響直線壓縮機性能的關(guān)鍵因素。華中科技大學的丁國忠、張曉青等學者[13]對斯特林用直線壓縮機進行了

14、研究，提出隨著科技的發(fā)展，斯特林直線壓縮機的電聲轉(zhuǎn)換效率將越來越高，同時也在由動圈式向動磁式發(fā)展。上海交通大學的王仕越、巨永林[14]研制了一種新型動磁式直線壓縮機的電機，分析了電動機參數(shù)對動子運動特性和電動機性能的影響。浙江大學劉曉輝、李志海、鄭水英[15]針對動磁式直線壓縮機模型樣機建立了基于有限元的磁固耦合動態(tài)特性分析模型，該模型考慮了磁路的非線性特性、漏磁通及永磁體位置等因素的影響，比傳統(tǒng)的等效磁路模型更完整。中南林業(yè)科技大學的

15、謝潔飛、李新華、李香貴、楊波[16]建立了動磁式直線冰箱壓縮機的理論數(shù)學模型，采用描述函數(shù)法對氣缸內(nèi)非線性氣體力進行了線性化。在2005年，浙江大學化工機械研究所設(shè)計和研制了國內(nèi)首臺冰箱用動磁式直線壓縮機，該壓縮機動子</p><p>　　目前，國外對直線壓縮機的研究和試驗處于遙遙領(lǐng)先地位，他們都有自己的一套設(shè)計方法，且產(chǎn)品質(zhì)量高，但是由于技術(shù)保密等等問題，并不以公開。而國內(nèi)對動磁式直線壓縮機的研究無論是廣度還是

16、深度與國外相比還有很大差距，特別是理論設(shè)計和控制研究都方面都遠遠不足，這大大限制了國內(nèi)動磁式直線壓縮機的應(yīng)用范圍，難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[3]。</p><p>　　作為制冷與空調(diào)系統(tǒng)核心部件的壓縮機，在以領(lǐng)域或行業(yè)為單位的使用量是最多的，盡管現(xiàn)有壓縮機的種類繁多，從其發(fā)展趨勢來看，結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能以及微振低噪等特點是壓縮機制造技術(shù)不斷追求的改善目標[18]。</p><p>　　3課題的研究內(nèi)

17、容及擬采取的研究方法（技術(shù)路線）、研究難點及預(yù)期達到的目標</p><p>　　3.1研究內(nèi)容及研究方法</p><p>　　由于動磁式直線壓縮機具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的優(yōu)點及其獨特的結(jié)構(gòu)，如果進一步提高它的功率，其應(yīng)用范圍和前景必將十分廣闊。因此，本課題嘗試設(shè)計功率更大的動磁式直線壓縮機，最終目標是要設(shè)計一臺功率約為500W的動磁式直線空氣壓縮機，要求在0.7MPa的背壓下排氣量達到3m3

18、/h。目前動磁式直線壓縮機的電機功率與壓比都比較小，一般而言，其最大功率大都不超過150W。而且功率過大的話，會導(dǎo)致壓縮機動子的往復(fù)慣性力很大。為此，本課題考慮選用對動結(jié)構(gòu)，選擇兩臺一摸一樣的動磁式直線空氣壓縮機對稱分布。</p><p>　　本文選定動磁式直線壓縮機作為研究對象，主要有兩方面的內(nèi)容：</p><p>　　對動磁式直線壓縮機進行理論分析，建立壓縮機的數(shù)學模型和有限元模型，并

19、得到動磁式直線壓縮機系統(tǒng)的動態(tài)特性。</p><p>　　在理論研究基礎(chǔ)上，對動磁式直線壓縮機進行優(yōu)化設(shè)計，通過實驗研究動磁式直線壓縮機的性能。</p><p>　　3.2 研究難點及預(yù)期達到的目標</p><p>　?。?）如何建立動磁式直線振蕩電機的等效磁路模型，最終得到壓縮機在不考慮鐵耗與磁漏下的動力學響應(yīng)。</p><p>　?。?）

20、如何建立動磁式直線振蕩電機的有限元分析模型，得到動磁式直線振蕩電機的動態(tài)特性</p><p>　?。?）研究動磁式直線壓縮機性能的影響因素，優(yōu)化這些參數(shù)來提高動磁式直線壓縮機的性能。</p><p>　　（4）對動磁式直線振蕩電機銅損、鐵損和摩擦損耗的測試沒有有效的測試方法，另外還要選擇有效措施的來盡量降低這些損耗。。</p><p>　?。?）研制一臺500W的微

21、型便攜式直線空氣壓縮機，要求在0.7MPa的背壓下排氣量達到3m3/h。</p><p>　　4研究工作詳細進度和安排</p><p>　　1、根據(jù)學校有關(guān)管理規(guī)定，各系及時做好指導(dǎo)教師及學生的思想動員工作。教師報畢業(yè)設(shè)計參考選題。每學年第一學期第7周。</p><p>　　2、由各專業(yè)建設(shè)負責人和所在系進行審題，教師修改完善設(shè)計題目，最終確定設(shè)計題目及指導(dǎo)教師。每

22、學年第一學期第8周。</p><p>　　3、公布畢業(yè)論文（設(shè)計）題目，指導(dǎo)學生選題（指導(dǎo)教師盡量與本科生導(dǎo)師制對接），各系將選題情況匯總并報分院教務(wù)辦，各項準備工作就緒。每學年第一學期第9～10周。</p><p>　　4、指導(dǎo)教師及時下達任務(wù)書，學生開始做外文翻譯、文獻綜述、開題報告。每學年第一學期第11～17周開始。</p><p>　　5、完成外文翻譯。完成

23、文獻綜述、開題報告的初稿工作。指導(dǎo)教師與學生討論確定題目的基本方案。第一學期18周。</p><p>　　學生進一步修改完善文獻綜述、開題報告?？紤]設(shè)計方案或論文框架。假期。</p><p>　　6、完成文獻綜述、開題報告定稿。綜合課程設(shè)計、社會調(diào)查同時進行。每學年第二學期1～2周。</p><p>　　7、各系檢查學生畢業(yè)論文（設(shè)計）進展，院教務(wù)辦和督導(dǎo)組隨機抽查

24、。每學年第二學期第3周。</p><p>　　8、學生進行畢業(yè)實習，完成后提交實習報告，備查。</p><p>　　9、學生進行畢業(yè)設(shè)計，指導(dǎo)教師加強指導(dǎo) 中期檢查：各系完成自查，分院組織檢查，對未完成畢業(yè)論文（設(shè)計）規(guī)定進度要求的學生應(yīng)給予警示。教務(wù)處隨機抽查。每學年第二學期第7—11周。</p><p>　　10、完成畢業(yè)設(shè)計（論文）初稿。每學年第二學期第12周

25、。</p><p>　　11、指導(dǎo)學生修改畢業(yè)論文（設(shè)計），指導(dǎo)教師評閱及準備答辯工作，各系負責檢查評閱情況 每學年第二學期第13周。</p><p>　　12、答辯：組織答辯委員會（小組）進行答辯，分院領(lǐng)導(dǎo)及時抽查答辯情況，并檢查評分標準執(zhí)行情況。每學年第二學期第14～15周。</p><p>　　13、將畢業(yè)論文（設(shè)計）有關(guān)材料按要求統(tǒng)一裝訂成冊，并依據(jù)《嘉興學

26、院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）工作條例》規(guī)定，將有關(guān)畢業(yè)論文（設(shè)計）系列材料整理、歸檔。畢業(yè)教學環(huán)節(jié)的最后一周內(nèi)。</p><p><b>　　5參考文獻</b></p><p>　　［1］劉曉輝．動磁式直線空氣壓縮機的研發(fā)［D］．浙江：浙江大學，2008．</p><p>　?。?］上官璇峰，李偉．直線電機驅(qū)動的活塞式空氣壓縮機［J］．微特電機，2

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34、;</p><p>　　簽字： 年 月 日</p><p><b>　　研究所意見：</b></p><p>　　簽字： 年 月 日</p><p><b>　　學院意見：</b></p><p>　　簽字：