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1、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
2、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0.300.402，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
3、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、效率咼。(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
4、一个极其重要的研究 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。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，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
5、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21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,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
6、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。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。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 (77K4W)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。就目前所掌握的各种文献资料来看，国
7、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。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等问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
8、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等研究了一种结构简单的单线圈动磁式直 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M2 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
9、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 0.9k
10、g，气缸直径26mm,活塞行程 18mm【i。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。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
11、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31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 达到3m3/h。目前动磁式直线压缩机的电机功率与压比都比较小，一般而言，其最大功率大都不 超过150W。而且功率过大的话，会导致压缩机动子的往复惯性力很大。为此
12、，本课题考虑选用 对动结构，选择两台一摸一样的动磁式直线空气压缩机对称分布。本文选定动磁式直线压缩机作为研究对象，主要有两方面的内容：（1）对动磁式直线压缩机进行理论分析，建立压缩机的数学模型和有限元模型，并得到动磁式 直线压缩机系统的动态特性。（2）在理论研究基础上，对动磁式直线压缩机进行优化设计，通过实验研究动磁式直线压缩机 的性能。3.2研究难点及预期达到的目标（1）如何建立动磁式直线振荡电机的等效磁路模型，最终得到压缩机在不考虑铁耗与磁漏下的动 力学响应。（2）如何建立动磁式直线振荡电机的有限元分析模型，得到动磁式直线振荡电机的动态特性（3）研究动磁式直线压缩机性能的影响因素，优化这些
13、参数来提高动磁式直线压缩机的性能。（4）对动磁式直线振荡电机铜损、铁损和摩擦损耗的测试没有有效的测试方法，另外还要选择有 效措施的来尽量降低这些损耗。（5）研制一台500W的微型便携式直线空气压缩机，要求在0.7MPa的背压下排气量达到3m3/h。4研究工作详细进度和安排1、根据学校有关管理规定，各系及时做好指导教师及学生的思想动员工作。教师报毕业设计参考 选题。每学年第一学期第7周。2、由各专业建设负责人和所在系进行审题，教师修改完善设计题目，最终确定设计题目及指导教 师。每学年第一学期第8周。3、公布毕业论文（设计）题目，指导学生选题（指导教师尽量与本科生导师制对接），各系将选 题情况汇总
14、并报分院教务办，各项准备工作就绪。每学年第一学期第910周。4、指导教师及时下达任务书，学生开始做外文翻译、文献综述、开题报告。每学年第一学期第 1117周开始。5、完成外文翻译。完成文献综述、开题报告的初稿工作。指导教师与学生讨论确定题目的基本方 案。第一学期18周。学生进一步修改完善文献综述、开题报告。考虑设计方案或论文框架。假期。6、完成文献综述、开题报告定稿。综合课程设计、社会调查同时进行。每学年第二学期2周。7、各系检查学生毕业论文（设计）进展，院教务办和督导组随机抽查。每学年第二学期第3周。8、学生进行毕业实习，完成后提交实习报告，备查。9、学生进行毕业设计，指导教师加强指导中期检
15、查：各系完成自查，分院组织检查，对未完成 毕业论文（设计）规定进度要求的学生应给予警示。教务处随机抽查。每学年第二学期第711 周。10、完成毕业设计（论文）初稿。每学年第二学期第12周。11、指导学生修改毕业论文（设计），指导教师评阅及准备答辩工作，各系负责检查评阅情况每 学年第二学期第13周。12、答辩：组织答辩委员会（小组）进行答辩，分院领导及时抽查答辩情况，并检查评分标准执 行情况。每学年第二学期第1415周。13、将毕业论文（设计）有关材料按要求统一装订成册，并依据嘉兴学院本科生毕业论文（设 计）工作条例规定，将有关毕业论文（设计）系列材料整理、归档。毕业教学环节的最后一周 内。5参
16、考文献1 刘晓辉.动磁式直线空气压缩机的研发D.浙江：浙江大学，2008.2 上官璇峰，李伟.直线电机驱动的活塞式空气压缩机J.微特电机，2000，（06）.3 金涛，郑水英，谢洁飞，马振飞.直线压缩机的研究现状与发展】D.浙江：浙江大学， 2004 .4 Bowman L. A Technical Introduction to Free piston Stirling Cycle Machines: Engines, Coolers, and Heat Pumps J. technical papers, Sunpower Inc., 1993 .5 Unger, Reuven. Developme
