斯特林制冷機直線電機結(jié)構(gòu)及特點分析
鄭文鵬，陸英，張洲，蘇偉，魯華
(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)
摘要：斯特林制冷機商線電機按照運動部件的不同可分為動國式和動磁式兩種主要結(jié)構(gòu)形式。文章重點介紹了用于空詞的斯特林制冷機動磁式阿線電機的兒種不同結(jié)構(gòu)，并列各種結(jié)構(gòu)的相應(yīng)特點進行了分析。
關(guān)鍵詞：斯特林制冷機；直線電機；動磁式
O引言
斯特林制冷機在軍事、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必須具有體積小、重量輕、效率高、壽命K等特點。
斯特林制冷機的驅(qū)動方式對制冷機的性能起至關(guān)重要的作用。早期整體式斯特林制冷機由旋轉(zhuǎn)電機通過曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示[3]。制冷機采用非金屬彈性接觸密封，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振動和噪音大，尤其是運動部件的相互磨損和制冷工質(zhì)氣體的泄露和污染，限制了制冷機的工作壽命[4]。因此該類制冷機多用于地面設(shè)備，便于安裝和維護。
而直線式斯特林制冷機由直線電機驅(qū)動，壓縮機和直線電機一體化設(shè)計，采用非接觸式氣體動密封，具有體積小、重量輕、壽命長的特點，特別適合于空間環(huán)境應(yīng)用。
按照直線電機運動部件的不同，可分為動圈式、動磁式等不同結(jié)構(gòu)，表1為這兩種結(jié)構(gòu)主要技術(shù)對比[4]。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，對斯特林制冷機的壽命、效率等技術(shù)要求不斷提高，動圈式直線電機有逐漸被動磁式直線電機取代的趨勢。
1動圈式直線電機
圖2為斯特林制冷機用動閏式直線電機基本結(jié)構(gòu)示意圖[5]。動圈式直線電機定子部分由永磁體產(chǎn)生磁場，運動線圈通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起，置于強磁場中，當(dāng)它加載交流電，定子磁場和線圈通電產(chǎn)生的磁場就會相互作用，推動氣缸中的活塞作軸向往復(fù)運動。這種電機結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是設(shè)計容易，動罔上不存在側(cè)向磁拉力力，空載時沒有軸向力存在，不存在鐵心損耗。
動圈式直線電機結(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，會對制冷工質(zhì)造成污染，影響制冷效果；
(3)動圈與機殼無直接接觸，不利于繞組散熱，會增加電機損耗，降低效率；
(4)磁路有效氣隙較大，比推力相對較�。�
盡管有人提出外動子等不同結(jié)構(gòu)的動圈式直線電機以便于散熱[6]，但是同時會增加動子質(zhì)量及安裝難度。因此，由于上述不足的存在，限制了動圈式直線電機在星載斯特林制冷機方面的應(yīng)用，多用于壽命不是很長的場合(一般情況FMTTF不大于30000h)。
2動磁式直線電機
圖3所示為斯特林制冷機用動磁式直線電機基本結(jié)構(gòu)示意圖。動磁式直線電機線圈位于定子，動子由****磁鐵組成，通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起。同樣，在定子和動子兩個磁場相互作用下，產(chǎn)生軸向驅(qū)動力，進而推動活塞往復(fù)直線運動。與動圈式直線電機相比，動磁式結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點：
(1)線圈位于定子，引出線不再存在飛線，提高可靠性和運行壽命；
(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)線圈和機殼直接接觸，有利于散熱，從而可提高電機效率和功率密度；
(4)由于永磁材料具有高的磁性能，動子質(zhì)量可相對較小，直線電機結(jié)構(gòu)更加緊湊，有利于諧振彈簧設(shè)計[5]。
由上述比較可知，動磁式直線電機也存在一定的不足，主要表現(xiàn)在：電機具有較大的單邊磁拉力，如 |
