斯特林制冷机直线电机结构及特点分析

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1、斯特林制冷机直线电机结构及特点分析郑文鹏，陆英，张洲，苏伟，鲁华(II，国电子科技集团公一Ⅱ第二卜一研究所，L海200233)摘要：斯特林制冷机直线电机按照运动部件的水问nJ分为功圈式和动越式两种t要结构形式，文章重点介绍了用于窄问的斯特林制冷机动磁式直线电机的lLf—l,不同结构．井对各种鲒构的相应特点进钉r分析。关键词：斯特林制挎机；直线电机；动磁吱0引言斯特林制冷机在军事、环境、商用、天文、陡学、能源等领域具有广泛的应用，为上述应用设备提供低温]_=作温度⋯。随着空间技术的发展，斯特林制冷机在H星探测、遥感、通f^等空间环境具有越来越重要的应用”J。空问环境决定了

2、该类斯特林制冷机必须具有体积小、雨量轻、效率高、寿命K等特点。斯特林制冷机的驱动方式对制冷机的性能起至关重要的作用。早期整体式斯特林制冷机由旋转电机通过曲柄连杆机构驱动，结构简图如图l所示”1。制冷机采用非金属弹性接触密封，结构复杂，振动和噪音大，尤其是运动部什的扣互磨损和制冷T质气体的泄露和污染，限制了制冷机的：L作寿命H。因此该类制冷机多用于地面设备．便r安装和维护。而直线式斯特林制冷机由直线电机驱动，压缩机和直线电机一体化设计，采用{F接触式气体动密封，具有体积小、重量轻、寿命长的特点，特别适合于卒IfIJ环境应j{j。嘲1整体式斯特林制冷机结构简图按照直线电机运

3、动部件的不同，可分为动圈式、动磁式等小同结构，表l为这两种结构主要技术对比IdI。随着空间技术的发展，对斯特林制冷机的寿命、效率等技术要求不断提高，动圈式直线电机有逐渐被动磁式商线电机取代的趋势。衷1动戳式和动圈式直线电机技术比较1动圈式直线电机图2为斯特林制冷机用动圈式直线电机基本结构示意图”‘。动圈式直线电机定子部分由永磁体产生磁场，运动线圈通过支撑件与括塞、掸簧连接在起，置于惺磁场中t当它加载交流电，定子磁场和线圈通电产生的磁场就会相互作用．推动气缸tf·的活塞作轴向往复运动。这种电机结构的优点是设计容易。动圈上不1竽在侧向磁拉力力，守载时没有轴向力存在，不存在铁

4、心损耗。图2动圈式直线电机结构示意图动圈式直线电机结构存在以下不足：(1)线圈引出线存在飞线，易发生疲劳受损，降低可靠性及运行寿命；(2)线圈和制冷工质直接接触，线圈及附属部件的非金属材料存在放气性，会对制冷工质造成污染，影响制冷效果；(3)动圈与机壳无直接接触，不利于绕组散热，会增加电机损耗，降低效率；(4)磁路有效气隙较大，比推力相对较小。尽管有人提出外动子等不同结构的动圈式直线电机以便于散热”J，但是同时会增加动子质量及安装难度。因此，由于上述不足的存在，限制了动圈式直线电机在星载斯特林制冷机方面的应用，多用于寿命不是很长的场合(。般情况下MTTF不太于30009

5、h)。2动磁式直线电机图3所示为斯特林制冷机用动磁式直线电机基本结构示意图。动磁式直线电机线圈位于定子，动子由永久磁铁组成，通过支撑件与活塞、弹簧连接在一起。同样，在定子和动子两个磁场相互作用下，产生轴向驱动力，进而推动活塞往复直线运动。与动圈式直线电机相比，动磁式结构具有如下优点：图3动醴式直线电机结构示意圈(1)线圈位于定子，引出线不再存在飞线，提高可靠性和运行寿命；(2)线圈和工质之间可以采用非导磁的屏蔽罩装置隔离，避免线圈和工质的直接接触，从而避免非金属材料的放气性污染工质；(3)线圈和机壳直接接触，有利于散热，从而可提高电机效率和功率密度：(4)由于永磁材料具

6、有高的磁性能，动于质量可相对较小，直线电机结构更加紧凑，有利于谐振弹簧设计”·。由上述比较可知。动磁式直线电机也存在一定的不足，主要表现在：电机具有较大的单边磁托力，如粜处理不当会健动r向侧面偏移，造成压缩机活塞摩擦气缸，严重影响系统寿命。同时造成电机及压缩机结构复杂，装配难度加大。为克服侧向托力对址缩机带来的不良影响，牛津大学在20世纪70年代末首次将板掸黄支撑技术应用于微型斯特林制冷机”J。板弹簧也称柔性弹簧，其结构煳如图4所不。与普通的柱弹簧相比·板弹簧除丁在轴向产生弹性力外，在彳=}=向有很强的刚度。这样，由十板掸簧的支撑作用，会耐直线}乜机动子的侧向偏移产生很

7、大的抵抗力，避免压缩机活塞和气缸发生摩擦。国营罔4板弹簧结构动磁式直线电机园其优良的特性，在星载斯特林制冷机中应用越来越多，逐渐取代动圈式结构，尤其在要求具有超长寿命的场合尤其明显，动磁式直线电机驱动的斯特林制冷机寿命已经达到50000h以上”。。为i莳足不同盼需求．人”J研制出不同类型的动磁式直线电机，在定子、动子方㈨共有小[百I的结构，其并自的特点也有所小同。21定，铁心有齿楷结构定子铁心有齿槽结构赢线电机示意图如图5所示。为了减小电机的有效气隙，尽ar能提高直线电机比推力，在定f铁心音

8、j分采崩有齿槽结构，励磁线圈位于铁心槽内。动子