斯特林制冷機(jī)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)分析
鄭文鵬，陸英，張洲，蘇偉，魯華
(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)
摘要：斯特林制冷機(jī)商線電機(jī)按照運(yùn)動(dòng)部件的不同可分為動(dòng)國式和動(dòng)磁式兩種主要結(jié)構(gòu)形式。文章重點(diǎn)介紹了用于空詞的斯特林制冷機(jī)動(dòng)磁式阿線電機(jī)的兒種不同結(jié)構(gòu)，并列各種結(jié)構(gòu)的相應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：斯特林制冷機(jī)；直線電機(jī)；動(dòng)磁式
O引言
斯特林制冷機(jī)在軍事、環(huán)境、商用、天文、醫(yī)學(xué)、能源等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，為上述應(yīng)用設(shè)備提供低溫工作溫度[1]。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，斯特林制冷機(jī)在衛(wèi)星探測、遙感、通信等空間環(huán)境具有越來越重要的應(yīng)用[2]。空間環(huán)境決定了該類斯特林制冷機(jī)必須具有體積小、重量輕、效率高、壽命K等特點(diǎn)。
斯特林制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式對(duì)制冷機(jī)的性能起至關(guān)重要的作用。早期整體式斯特林制冷機(jī)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示[3]。制冷機(jī)采用非金屬彈性接觸密封，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振動(dòng)和噪音大，尤其是運(yùn)動(dòng)部件的相互磨損和制冷工質(zhì)氣體的泄露和污染，限制了制冷機(jī)的工作壽命[4]。因此該類制冷機(jī)多用于地面設(shè)備，便于安裝和維護(hù)。
而直線式斯特林制冷機(jī)由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓縮機(jī)和直線電機(jī)一體化設(shè)計(jì)，采用非接觸式氣體動(dòng)密封，具有體積小、重量輕、壽命長的特點(diǎn)，特別適合于空間環(huán)境應(yīng)用。
按照直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的不同，可分為動(dòng)圈式、動(dòng)磁式等不同結(jié)構(gòu)，表1為這兩種結(jié)構(gòu)主要技術(shù)對(duì)比[4]。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，對(duì)斯特林制冷機(jī)的壽命、效率等技術(shù)要求不斷提高，動(dòng)圈式直線電機(jī)有逐漸被動(dòng)磁式直線電機(jī)取代的趨勢。
1動(dòng)圈式直線電機(jī)
圖2為斯特林制冷機(jī)用動(dòng)閏式直線電機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖[5]。動(dòng)圈式直線電機(jī)定子部分由永磁體產(chǎn)生磁場，運(yùn)動(dòng)線圈通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起，置于強(qiáng)磁場中，當(dāng)它加載交流電，定子磁場和線圈通電產(chǎn)生的磁場就會(huì)相互作用，推動(dòng)氣缸中的活塞作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)容易，動(dòng)罔上不存在側(cè)向磁拉力力，空載時(shí)沒有軸向力存在，不存在鐵心損耗。
動(dòng)圈式直線電機(jī)結(jié)構(gòu)存在以下不足：
(1)線圈引出線存在飛線，易發(fā)生疲勞受損，降低可靠性及運(yùn)行壽命；
(2)線圈和制冷工質(zhì)直接接觸，線圈及附屬部件的非金屬材料存在放氣性，會(huì)對(duì)制冷工質(zhì)造成污染，影響制冷效果；
(3)動(dòng)圈與機(jī)殼無直接接觸，不利于繞組散熱，會(huì)增加電機(jī)損耗，降低效率；
(4)磁路有效氣隙較大，比推力相對(duì)較小：
盡管有人提出外動(dòng)子等不同結(jié)構(gòu)的動(dòng)圈式直線電機(jī)以便于散熱[6]，但是同時(shí)會(huì)增加動(dòng)子質(zhì)量及安裝難度。因此，由于上述不足的存在，限制了動(dòng)圈式直線電機(jī)在星載斯特林制冷機(jī)方面的應(yīng)用，多用于壽命不是很長的場合(一般情況FMTTF不大于30000h)。
2動(dòng)磁式直線電機(jī)
圖3所示為斯特林制冷機(jī)用動(dòng)磁式直線電機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖。動(dòng)磁式直線電機(jī)線圈位于定子，動(dòng)子由****磁鐵組成，通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起。同樣，在定子和動(dòng)子兩個(gè)磁場相互作用下，產(chǎn)生軸向驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而推動(dòng)活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。與動(dòng)圈式直線電機(jī)相比，動(dòng)磁式結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)線圈位于定子，引出線不再存在飛線，提高可靠性和運(yùn)行壽命；
(2)線圈和工質(zhì)之間可以采用非導(dǎo)磁的屏蔽罩裝置隔離，避免線圈和工質(zhì)的直接接觸，從而避免非金屬材料的放氣性污染工質(zhì)；
(3)線圈和機(jī)殼直接接觸，有利于散熱，從而可提高電機(jī)效率和功率密度；
(4)由于永磁材料具有高的磁性能，動(dòng)子質(zhì)量可相對(duì)較小，直線電機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，有利于諧振彈簧設(shè)計(jì)[5]。
由上述比較可知，動(dòng)磁式直線電機(jī)也存在一定的不足，主要表現(xiàn)在：電機(jī)具有較大的單邊磁拉力，如 |
