基于simplorr和maxview的線性壓縮機仿真模擬

基于simplorr和maxview的線性壓縮機仿真模擬

0建立線性壓縮機仿真模型線性電機作為驅(qū)動器，主要由機械系統(tǒng)（線性電機驅(qū)動下的循環(huán)）、電機系統(tǒng)（電源對線性電機的驅(qū)動）和勵磁系統(tǒng)（活態(tài)壓縮氣體）組成。與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動鎖相比，這種電機的效率低下。然而,其工作原理相對復雜,工作性能受外部工況的影響較大,還具有一定的非線性動態(tài)特性,不能直接套用旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動的活塞壓縮機的分析方法,因而有必要建立適合線性壓縮機的仿真模型,進行動態(tài)性能模擬與分析。由于線性壓縮機是由機械系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)耦合而成的機電一體化系統(tǒng),各部分之間相互影響,只有建立一個能夠同時進行機械系統(tǒng)的動力學分析、電磁場的數(shù)值分析以及電路系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)性能分析的仿真模型,才能更準確的進行線性壓縮機的仿真模擬。本文在Simplorer仿真軟件和Maxwell磁場二維瞬態(tài)分析軟件聯(lián)合仿真平臺上,將Maxwell磁場二維瞬態(tài)分析的結(jié)果直接引入Simplorer仿真軟件中進行聯(lián)合運行,建立了動磁式線性壓縮機的仿真模型,用于線性壓縮機的性能分析,指導線性壓縮機結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設計。1u3000增設a.u3000xx圖1所示為動磁式線性壓縮機的結(jié)構(gòu)原理圖。動磁式線性壓縮機采用動磁式直線電機作為驅(qū)動裝置,電機由勵磁線圈,內(nèi)、外定子及永磁體組成,永磁體徑向充磁在磁路中產(chǎn)生恒定方向的磁場,勵磁線圈接通交流電后在磁路中產(chǎn)生了方向交替變化的磁場,這2個磁場相互作用,產(chǎn)生作用于永磁體的軸向電磁驅(qū)動力。氣缸中的活塞與直線電機的永磁體部件直接連接,驅(qū)動活塞在氣缸中作往復運動,活塞向一側(cè)運動,當氣缸內(nèi)壓力小于吸氣壓力時,吸氣閥打開吸入氣體,活塞向反向運動,氣體受到壓縮,當氣缸內(nèi)壓力大于排氣壓力時,排氣閥打開排出氣體,如此往復。圖2(a)為線性壓縮機電路簡化模型,圖2(b)為線性壓縮機動力學簡化模型。根據(jù)上面的簡化模型,得到線性壓縮機理論控制方程u=iRe+Ledidt+Κ0dxdt(1)md2xdt2+cfdxdt+ks(x-Δx)+Fg=Fe(2)u=iRe+Ledidt+K0dxdt(1)md2xdt2+cfdxdt+ks(x?Δx)+Fg=Fe(2)其中u——電源電壓i——電流x——活塞位移Re——等效電阻Le——等效電感K0——電磁力系數(shù)m——運動部件質(zhì)量cf——摩擦阻尼系數(shù)ks——諧振彈簧剛度Fg——氣體力Fe——電磁力Δx——活塞運動中心偏移量X——活塞位移振幅圖3為線性壓縮機活塞運動示意圖?；钊跏嘉恢镁嗯艢忾y距離為XS,壓縮氣體時,在氣體力的作用下發(fā)生一定的偏移,偏移量為ΔX,活塞在距離排氣閥X0的位置作振幅為X的往復運動,活塞位移x=Xcosωt。圖4為線性壓縮機壓縮氣體工作循環(huán)簡化指示圖,相應的氣體力描述函數(shù)為1-2絕熱壓縮過程Fg=(p-ps)A=psA[(X0+XX0-x)?-1]Fg=(p?ps)A=psA[(X0+XX0?x)??1]2-3定壓排氣過程Fg=(p-ps)A=(pd-ps)A3-4絕熱膨脹過程Fg=pdA(V2VX)?-psA=A[(X0-XX0-x)?pd-ps]Fg=pdA(V2VX)??psA=A[(X0?XX0?x)?pd?ps]4-1定壓吸氣過程Fg=(p-ps)A=0由于氣體力是關于x(t)的非線性周期函數(shù),為簡化計算,通常采用傅里葉(Fourier)級數(shù)進行線性化,得到當量氣體力Feg方程Feg=∞∑n=1(ancosωt+bnsinωt)+a02Feg=∑n=1∞(ancosωt+bnsinωt)+a02an=2Τ∫Τ0Fg(t)cosnωtdtan=2T∫T0Fg(t)cosnωtdt(n=0,1,2,…)(3)bn=2Τ∫Τ0Fg(t)sinnωtdtbn=2T∫T0Fg(t)sinnωtdt(n=0,1,2,…)相應地,得到氣體力的等效剛度kg和等效阻尼系數(shù)cg和氣體力fg的計算公式kg=a1(X?X0)X(4)cg=b1(X?X0)ωX(5)fg=a02(6)kg=a1(X?X0)X(4)cg=b1(X?X0)ωX(5)fg=a02(6)活塞運動中心偏移量ΔXΔX=X0-Xs=fgks(7)ΔX=X0?Xs=fgks(7)供電頻率ω與固有頻率ωn之比,即頻率比λλ=ωωn=ω√ks+kgm(8)將Fe=K0i和Feg=kgx+cgdxdt+fg代入公式(2)得到md2xdt2+(cf+cg)dxdt+(ks+kg)x=Κ0i(9)相應地,線性壓縮機的輸出功Po及壓縮效率ηΡo=12cg(ωX)2(10)η=ΡoΡi(11)2線性壓縮機的模擬建模2.1非線性壓縮機仿真線性壓縮機的主要仿真過程是在上述的理論基礎上,通過傅里葉級數(shù)簡化法將氣體力進行線性化處理,在Simplorer仿真軟件和Maxwell磁場二維瞬態(tài)分析軟件聯(lián)合仿真平臺上,計算線性壓縮機在不同工況下所需的輸入功與壓縮效率。Simplorer是一種具有較高協(xié)同能力的仿真工具,可以建立機械結(jié)構(gòu)、電工電子元器件、控制部件等各種物理技術(shù)模型,還提供了一種基于有限元模型的鏈接功能,可以直接將Maxwell等機電元件模型導入其中,建立更精確的仿真模型。圖5為線性壓縮機仿真框圖。首先在Maxwell軟件平臺上建立直線電機的模型,設定直線電機的結(jié)構(gòu)尺寸,材料性能及線圈等初始參數(shù),然后將Maxwell中的直線電機模型導入到在Simplorer軟件中,同時在Simplorer軟件中建立電路模型和線性壓縮機的動力學模型,設定線性壓縮機的供電參數(shù),運動部件質(zhì)量,諧振彈簧剛度,摩擦阻尼系數(shù)及氣體力簡化模型等參數(shù),通過聯(lián)合仿真運行,可以得到電流、輸入功、行程、電磁力等參數(shù)與時間的關系曲線。2.2求解器的選擇在Maxwell(2D)中建立動磁式直線振動電機的瞬態(tài)仿真模型,如圖6。在內(nèi)外定子之間的氣隙中生成Band,用于將靜止物體與運動物體分開,選擇Tansient作為求解器。打開Designsettings中的Advancedproductcoupling項,選擇Enabeltransient-transientlinkwithsimplorer。電源激勵參數(shù)中線圈參數(shù)選擇External項,由外部電路連接。2.3機械力學模型在Simplorer中插入上述的動磁式直線振蕩電機的Maxwell2D模型,在電機模型的T1、T3端加入電路模型,主要包括電源E1、電阻R1、電感L1、電量計WM1,在電機模型的T2、T4端加入機械力學模型,主要包括壓縮機的摩擦阻尼Cf-TRB1,諧振彈簧Ks-TRB1,質(zhì)量因子MASS-TRB1,氣體等效阻尼Cg-TRB1,氣體等效剛度Kg-TRB1及機械接地端子,如圖7。輸入電壓為E1.V=Ucos(ωt),其幅值及頻率可以根據(jù)需要調(diào)整。氣體等效剛度和等效阻尼系數(shù)由吸排氣壓力及氣缸直徑和額定行程確定,采用傅里葉級數(shù)法將非線性的氣體力線性化,得到相應的氣體等效剛度kg和氣體等效阻尼系數(shù)cg。3線性壓縮機果本文通過對開發(fā)的線性壓縮機樣機進行壓縮空氣實驗,將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行比較,分析線性壓縮機在不同排氣壓力下的性能特點,同時驗證仿真模型。表1為實驗所采用的線性壓縮機樣機的基本參數(shù)。線性壓縮機壓縮空氣實驗系統(tǒng)原理及實驗臺如圖8和圖9,實驗過程中線性壓縮機從空氣中直接吸入空氣,壓縮后排出,吸氣壓力為大氣壓力0.1MPa,通過調(diào)節(jié)閥的開度來控制線性壓縮機的排氣壓力?；钊谐掏ㄟ^位移傳感器測得,調(diào)節(jié)輸入電壓值,使得線性壓縮機在不同的排氣壓力下的行程達到設定的上死點。4排氣壓力的影響首先通過理論模型公式(3)～(8),計算樣機在不同排氣壓力下的氣體等效剛度,等效阻尼系數(shù),活塞運動中心偏移量及頻率比。由于氣體力的作用,線性壓縮機在壓縮氣體的過程中,活塞運動中心位置會發(fā)生一定的偏移,不同排氣壓力下,偏移量不同。為保證壓縮效率,根據(jù)不同排氣壓力下的偏置量確定活塞行程大小,從而保證恒定的活塞上死點,如圖10,可以看出氣體等效剛度,等效阻尼系數(shù),活塞行程隨著排氣壓力的增大而增大。而頻率比隨著排氣壓力的增加而減小,在0.4MPa附近接近于1.0。將計算的氣體等效剛度,等效阻尼系數(shù)代入線性壓縮機仿真模型。線性壓縮機壓縮空氣實驗通過調(diào)節(jié)供電電壓,滿足上面不同排氣壓力的活塞行程,測量相應的電壓、電流及輸入功。仿真過程采用與實驗過程同樣的參數(shù),計算不同排氣壓力下驅(qū)動線性壓縮機達到與實驗過程同樣的行程所需要的電壓、電流及輸入功和壓縮效率。仿真結(jié)果和實驗結(jié)果比較見圖11。Maxwell與Simplorer聯(lián)合運行仿真的結(jié)果與實驗結(jié)果的對比顯示,仿真結(jié)果與實驗結(jié)果所反映的線性壓縮機性能特點是一致的。仿真結(jié)果與實驗的結(jié)果之間存在一定的偏差,偏差的存在主要是由于線性壓縮機的實際工作過程存在一定的非線性特性,但二者直接的偏差較小,電壓值、電流值和輸入功的偏差均在15%以內(nèi),因而可以證明上述線性壓縮機仿真模型是合理可行的。線性壓縮機在諧振彈簧剛度為36640N/m,運動部件計算質(zhì)量為0.518kg的配置條件下,當排氣絕對壓力從0.3MPa增加到0.6MPa時,為保證活塞上死點不變,所需的電壓、電流和輸入功都隨著排氣壓力的增加而增加。壓縮效率隨著排氣壓力的增加先增加后減小,當排氣壓力為0.4MPa時,效率最高。根據(jù)動力學理論,機械振動系統(tǒng)越接近共振狀態(tài)時效率越高,而線性壓縮機在排氣壓力為0.4MPa時,線性壓縮機的固有頻率與運行頻率最接近(如圖10(d)),因而此時其效率最高。5實驗結(jié)果對比本文以線性壓縮機的動力學模型理論和熱力學理論分析為基礎,在Simplorer和Maxwell聯(lián)合仿真平臺上建立了線性壓縮機仿真模型,對開發(fā)的線性壓縮機