Electromechanical analysis of linear compressor for household refrigerators

Lineer kompresörler konvansiyonel buzdolabı kompresörlerine üstün bir alternatif sağlamaktadır. Lineer kompresörlerde lineer aktüatörler kullanılarak, dönel hareketi lineer harekete çeviren külfetli mekanizmaların gerekliliğini ortadan kaldırmaktadır. Bu araştırma iki farklı aplikasyona yönelik lineer aktüatörleri detaylı bir şekilde incelemektedir: hareketli demir (sarmal bobin) ve hareketli mıknatıs lineer aktüatörler (MMLAs). Lineer kompresördeki lineer salınım hareketi için Sarmal bobin bazlı lineer aktüatör ile birlikte yaylı bir sistem önerilmektedir. Statör bobininin aç-kapa kontrolü, armatürün ileri geri hareketini sağlamaktadır. Çıkış basıncı, salınım hareket frekansı ve strok uzunluğu elektromanyetik kuvvetin büyüklüğü için esas alınan parametreler olup, bunlar geometrik ve bobin sarım özelliklerini tanımlamaktadır. Bu özellikler ve sonucunda oluşan elektromanyetik kuvvetin arasındaki ilişki relüktans metodu kullanılarak belirlenmektedir. Sarmal bobinin statik ve dinamik özelliklerinin zamana bağlı ve zamandan bağımsız durumlardaki manyetik kuvvetlerine ulaşmak için sonlu elemanlar analizi kullanılmıştır. (kullanılan manyetik malzemelerin lineer olmayan tepkileri göz önünde bulundurulduğunda,). Aktüatörün statik ve dinamik tepkilerini doğrulamak için deneysel düzenek kurulmuş ve burada toplanan veriler kullanılmıştır. Frekansa bağlı fonksiyonu çıkarmak için darbe çekici ve ivme ölçer metodu kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar, elektrikle harekete geçirilmiş sarmal bobinini farklı frekanslar ile kuvvetlerin ve akım değerlerinin karşılaştırılması ile ve en iyi performans için gerekli en iyi frekans bulunmaktadır. MMLA'lar yüksek verimlilikleri, hızlanma yoğunlukları, düşük kayıpları, hızlı tepkileri ve daha küçük zaman sabitleri ile diğer kompresörlere kıyasla daha üstündür. Bu araştırma MMLA ile ilgili dinamik elektriksel ve mekanik değerleri belirlemek için analitik bir model sunmakta. Tasarım aşamasında, aktüatörün istenen performansa ulaşması için tasarımın incelenmesi, belirlenmesi ve istenilen çalışma parametrelerinin belirlenmesi için özgün bir yöntem sunulmaktadır. Elektromekanik sistemin transfer fonksiyonunu bulmak için Laplas dönüşü uygulanmıştır. Hız, strok ve bobin akımının frekansa bağlı değişimini incelemek için, fonksiyonlar frekans bazında incelenmiştir. Fazörler kullanılarak motor sabiti ve uyarım frekansının dinamik parametreler üzerindeki büyüklük ve faz etkileri incelenmiştir. Ek olarak, sistemin daha verimli çalışması için en iyi uyarım frekansını bulmak amacı ile frekans tepki fonksiyonunun strok ve akıma olan oranı bulunmuştur. Tüm matematiksel modeller deneysel veriler ile desteklenmiştir. Motor sabiti ve uyarım frekansının etkileri için toplanan deneysel veriler modellerin sonuçları ile örtüşmektedir. MMLA'de manyetik akı yoğunluğu ve manyetik kuvvetleri tahmin etmek için geliştirilen bir yöntem sunulmaktadır. 3B sonlu elemanlar yöntemi ile yapılan bir analizin hesap süresi göz önünde bulundurulduğunda, 2B sonlu elemanlar ile analitik modellerin birleşimi bu yöntemi cazip kılmaktadır. 2 boyutlu sonlu elemanların yardımı ile manyetik akı yolları birkaç döngüye ayrılmaktadır. Dahası, döngüler sonlu bölgelere bölünüp ortalama değerler çizgi ve yaylarla temsil edilerek her manyetik akı döngüsünün relüktansı tahmin edilmektedir. Relüktans modeli armatür pozisyonunun etkisini de içererek, manyetik akı yoğunluğunu strok pozisyonunun fonksiyonu olarak tahmin edebilmektedir. Stator yoğunluğu da dahil etmek için Ampère yasası ile birlikte sayısal yinelemeli bir simülasyon koşulmuştur. Ek olarak, relüktans modeli hem statör hem de armatürün lineer aktüatörün geometrik ve manyetik parametrelerini içermektedir. Sonuç olarak, hızlı bir simülasyon ile lineer aktüatörün geometrik parametrelerinin optimizasyonunu sağlamak mümkün. Dahası, iş enerji metodu ile manyetik kuvvet nümerik olarak hesaplanmaktadır. 3 boyutlu sonlu elemanlar metodu ile simülasyon koşma süreleri karşılaştırılmıştır. Sunulan yöntem simülasyon süresini önemli düzeyde azaltmaktadır. Ev tipi buzdolaplarındaki lineer rezonans kompresörlerinde lineer git-gel hareketi için hareketli mıknatıslı özgün bir lineer aktüatör sunulmaktadır. Bu çalışma statör ve armatür tasarımları ile birlikte CAD modellerini ve geometrik parametreleri sağlamaktadır. Dahası, sunulan aktüatörün çalışma prensipleri açıklanmaktadır. Statör montajı tek fazlı AC elektrikle uyarılmış iki ters sarılmış bobinden oluşmakta ve radyal olarak manyetize olan armatürün git-gel hareketini sağlamakta. Ev Elektromekanik analitik model sayesinde, armatürün strok, hız ve akselerasyon gibi dinamik parametreleri türetilmektedir. Ek olarak, statör sarımının zamana bağlı akım modeli de sunulmuştur. Bu tepkiler rezonans frekansta, deneysel düzenek kurulup sensörlerin yardımı ile deneysel olarak onaylanmıştır. Yay, sönümleme, atalet ve manyetik kuvvetlerin tahmini için sistemin kinematikleri tartışılmaktadır. Bu dinamik parametrelerin zaman alanında tepkisini tahmin etmek için bir simülasyon koşulmuş ve uyarılma frekansı üzerindeki etkileri tartışılmıştır. Kuvvet modelleri rezonans frekansta deneysel olarak doğrulanmıştır. Lineer kompresör uygulamasında lineer aktüatörün performansını değerlendirmek için, lineer kompresör ile birlikte konvansiyonel döner kompresörün; verim, strok, akım, debi gibi performans parametrelerinin karşılaştırması sunulmuştur.