斯特林制冷機(jī)用直線電機(jī)設(shè)計(jì)與測試
鄭文鵬， 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：針對(duì)動(dòng)磁式斯特林制冷機(jī)用直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了電機(jī)主要尺寸的估算方法�；贛ax—well磁場分析軟件建立一個(gè)算例樣機(jī)的有限元模型，對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行性能參數(shù)的仿真計(jì)算，同時(shí)提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、易于操作的比推力測試方法。將計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者十分吻合，驗(yàn)證有關(guān)磁路、有限元計(jì)算方法及測試方法的有效性和準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：斯特林制冷機(jī)；直線電機(jī)；動(dòng)磁式
中圖分類號(hào)：TM 302：TM 359 4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673—6540(2010)05-0061-04
0 引言
隨著空問技術(shù)的發(fā)展，直線式斯特林制冷機(jī)在衛(wèi)星探測、遙感、通信等空間環(huán)境有越來越多的應(yīng)用[1]。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)，特別適用于空間環(huán)境。按照直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的不同，呵分為動(dòng)固式、動(dòng)磁式等結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[2]中給出了這兩種結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)對(duì)比，盡管動(dòng)磁式直線電機(jī)存在單邊拉力大、技術(shù)難度高等問題，但與動(dòng)圈式相比，動(dòng)磁式結(jié)構(gòu)具有推力大、引線簡單、污染小、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，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)磁式直線電機(jī)結(jié)構(gòu)及主要尺寸估算
1．1動(dòng)磁式直線電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
動(dòng)磁式直線電機(jī)主要由定子和動(dòng)子兩部分構(gòu)成，其中定子部分主要為線圈和外鐵心(定子磁軛)，動(dòng)子部分一般包括磁鋼和內(nèi)鐵心(動(dòng)子軛)。根據(jù)定子和動(dòng)子的結(jié)構(gòu)，直線電機(jī)可進(jìn)一步分為很多種”。，且分別具有不同的特點(diǎn)。圖1為其中一種雙磁鋼、徑向充磁的電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。按斯特林制冷機(jī)用直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)，電機(jī)磁路為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。由于電機(jī)的這種對(duì)稱性，通過在r坐標(biāo)平面內(nèi)建立的二維模型繞z軸旋轉(zhuǎn)一周，即可得到電機(jī)的整體三維模型。圖1中虛線表示磁路主回路示意圖。
1．2主要尺寸估算
電機(jī)的主要尺寸與電機(jī)的****輸入功率、行程、頻率及效率等參數(shù)有關(guān)。為簡化分析，在估算電機(jī)主要尺寸之前，先進(jìn)行如下假設(shè)：(1)電機(jī)的電壓、電流均為正弦，電機(jī)功率因數(shù)為l；(2)忽略電機(jī)鐵耗及其他雜散損耗；(3)氣隙磁密均勻分布，忽略端部漏磁；(4)電機(jī)速度軌跡為正弦，超前位移90。電角度；(5)忽略線圈絕緣厚度。電機(jī)的****輸入功率為
式中：umax——?dú)庀镀骄睆剑?/DIV>
imax——線固有效匝數(shù)；
直線電機(jī)頻率，即壓縮機(jī)頻率；
s——直線電機(jī)動(dòng)子行程(動(dòng)子單向運(yùn)行****距離)。
有效匝數(shù)按式(4)計(jì)算：
式中：D——線圈實(shí)際匝數(shù)；
N——有效線圈系數(shù)，是磁鋼軸向長度和線
圈軸向長度的比值(見圖1)(動(dòng)磁式電機(jī)y<1．動(dòng)圈式電機(jī)y=1)。
式中：η——****功率時(shí)電機(jī)的效率。
電機(jī)的****電流除了受電機(jī)效率影響外，還受允許的電流密度限制：
式中：Js——線圈允許承受的電流密度。
由式(1)～(8)，得到斯特林制冷機(jī)用直線電機(jī)的主要尺寸估算公式：
由于氣隙磁密B受D1、D2影響較大，在利用式(9)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)合理預(yù)計(jì)該值，并根據(jù)工作環(huán)境選取恰當(dāng)?shù)碾娏髅芏取?/DIV>
1．3算例
某樣機(jī)主要指標(biāo)和參數(shù)選取如表1所示。
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