斯特林制冷機用直線電機設計與測試
鄭文鵬， 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：針對動磁式斯特林制冷機用直線電機的結構特點，給出了電機主要尺寸的估算方法。基于Max—well磁場分析軟件建立一個算例樣機的有限元模型，對該樣機進行性能參數的仿真計算，同時提出了一種結構簡單、易于操作的比推力測試方法。將計算結果與測試結果進行對比，兩者十分吻合，驗證有關磁路、有限元計算方法及測試方法的有效性和準確性。
關鍵詞：斯特林制冷機；直線電機；動磁式
中圖分類號：TM 302：TM 359 4文獻標志碼：A文章編號：1673—6540(2010)05-0061-04
0 引言
隨著空問技術的發展，直線式斯特林制冷機在衛星探測、遙感、通信等空間環境有越來越多的應用[1]。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，特別適用于空間環境。按照直線電機運動部件的不同，呵分為動固式、動磁式等結構。文獻[2]中給出了這兩種結構的主要技術對比，盡管動磁式直線電機存在單邊拉力大、技術難度高等問題，但與動圈式相比，動磁式結構具有推力大、引線簡單、污染小、效率高等一系列優點，動圈式直線電機有逐漸被動磁式直線電機取代的趨勢。
1 動磁式直線電機結構及主要尺寸估算
1．1動磁式直線電機結構特點
動磁式直線電機主要由定子和動子兩部分構成，其中定子部分主要為線圈和外鐵心(定子磁軛)，動子部分一般包括磁鋼和內鐵心(動子軛)。根據定子和動子的結構，直線電機可進一步分為很多種”。，且分別具有不同的特點。圖1為其中一種雙磁鋼、徑向充磁的電機結構示意圖。按斯特林制冷機用直線電機的結構，電機磁路為軸對稱結構。由于電機的這種對稱性，通過在r坐標平面內建立的二維模型繞z軸旋轉一周，即可得到電機的整體三維模型。圖1中虛線表示磁路主回路示意圖。
1．2主要尺寸估算
電機的主要尺寸與電機的****輸入功率、行程、頻率及效率等參數有關。為簡化分析，在估算電機主要尺寸之前，先進行如下假設：(1)電機的電壓、電流均為正弦，電機功率因數為l；(2)忽略電機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。電機的****輸入功率為
式中：umax——氣隙平均直徑；
imax——線固有效匝數；
直線電機頻率，即壓縮機頻率；
s——直線電機動子行程(動子單向運行****距離)。
有效匝數按式(4)計算：
式中：D——線圈實際匝數；
N——有效線圈系數，是磁鋼軸向長度和線
圈軸向長度的比值(見圖1)(動磁式電機y<1．動圈式電機y=1)。
式中：η——****功率時電機的效率。
電機的****電流除了受電機效率影響外，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)，得到斯特林制冷機用直線電機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)進行計算時，應合理預計該值，并根據工作環境選取恰當的電流密度。
1．3算例
某樣機主要指標和參數選取如表1所示。
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