斯特林制冷機直線電機結構及特點分析

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構形式。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構，并列各種結構的相應特點進行了分析。

    關鍵詞：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、環境、商用、天文、醫學、能源等領域具有廣泛的應用，為上述應用設備提供低溫工作溫度^[1]。隨著空間技術的發展，斯特林制冷機在衛星探測、遙感、通信等空間環境具有越來越重要的應用^[2]。空間環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。

    斯特林制冷機的驅動方式對制冷機的性能起至關重要的作用。早期整體式斯特林制冷機由旋轉電機通過曲柄連桿機構驅動，結構簡圖如圖1所示^[3]。制冷機采用非金屬彈性接觸密封，結構復雜，振動和噪音大，尤其是運動部件的相互磨損和制冷工質氣體的泄露和污染，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備，便于安裝和維護。

    而直線式斯特林制冷機由直線電機驅動，壓縮機和直線電機一體化設計，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，特別適合于空間環境應用。

按照直線電機運動部件的不同，可分為動圈式、動磁式等不同結構，表1為這兩種結構主要技術對比^[4]。隨著空間技術的發展，對斯特林制冷機的壽命、效率等技術要求不斷提高，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構示意圖^[5]。動圈式直線電機定子部分由永磁體產生磁場，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，當它加載交流電，定子磁場和線圈通電產生的磁場就會相互作用，推動氣缸中的活塞作軸向往復運動。這種電機結構的優點是設計容易，動罔上不存在側向磁拉力力，空載時沒有軸向力存在，不存在鐵心損耗。

    動圈式直線電機結構存在以下不足：

    (1)線圈引出線存在飛線，易發生疲勞受損，降低可靠性及運行壽命；

    (2)線圈和制冷工質直接接觸，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，比推力相對較小：

    盡管有人提出外動子等不同結構的動圈式直線電機以便于散熱^[6]，但是同時會增加動子質量及安裝難度。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構示意圖。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，產生軸向驅動力，進而推動活塞往復直線運動。與動圈式直線電機相比，動磁式結構具有如下優點：

    (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)線圈和工質之間可以采用非導磁的屏蔽罩裝置隔離，避免線圈和工質的直接接觸，從而避免非金屬材料的放氣性污染工質；

    (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，動子質量可相對較小，直線電機結構更加緊湊，有利于諧振彈簧設計^[5]。

    由上述比較可知，動磁式直線電機也存在一定的不足，主要表現在：電機具有較大的單邊磁拉力，如