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，比推力相對較小：
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，如果處理不當會使動子向側(cè)面偏移，造成壓縮機活塞摩擦氣缸，嚴重影響系統(tǒng)壽命。同時造成電機及壓縮機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配難度加大。
為克服側(cè)向拉力列壓縮機帶來的不良影響，牛津大學(xué)在20世紀70年代末首次將板彈簧支撐技術(shù)應(yīng)用于微型斯特林制冷機[7]。板彈簧也稱柔性彈簧，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。與普通的柱彈簧相比，板彈簧除了在軸向產(chǎn)生彈性力外，在徑向有很強的剛度。這樣，由于板彈簧的支撐作用，會對直線屯機動子的側(cè)向偏移產(chǎn)生很大的抵抗力，避免壓縮機活塞和氣缸發(fā)生摩擦。
動磁式直線電機因其優(yōu)良的特性，在星載斯特林制冷機中應(yīng)用越來越多，逐漸取代動圈式結(jié)構(gòu)，尤其在要求具有超長壽命的場合尤其明顯，動磁式直線電機驅(qū)動的斯特林制冷機壽命已經(jīng)達到50000h以上[7]。為滿足不同的需求，人們研制出不同類型的動磁式直線電機，在定子、動子方面具有不同的結(jié)構(gòu)，其各自的特點也有所不同。
2.1定了鐵心有齒槽結(jié)構(gòu)
定子鐵心有齒槽結(jié)構(gòu)直線電機示意圖如圖5所示。為了減小電機的有效氣隙，盡可能提高直線電機比推力，在定子鐵心部分采用有齒槽結(jié)構(gòu)，勵磁線圈位于鐵心槽內(nèi)。動子部分由單磁鋼構(gòu)成，充磁方向為徑向。通過鐵心齒的磁路導(dǎo)向作用，可降低鐵心和動子磁路的有效氣隙，從而提高氣隙磁通密度，獲得較大的比推力。在圖5所示的結(jié)構(gòu)中，無齒槽的內(nèi)鐵心和有齒槽的外鐵心均靜止不動，僅磁鋼(包括磁鋼支架，未畫出)運動。采用這種結(jié)構(gòu)可以降低動子質(zhì)量，有利于提高動態(tài)性能。在動態(tài)性能允許的情況下，無齒槽的內(nèi)鐵心可以和磁鋼固定在一起，共同運動，結(jié)構(gòu)更加簡單。
為進一步優(yōu)化電機磁場，減少端部漏磁影響，文獻[8]對上述結(jié)構(gòu)進行了改進，如圖6所示。與圖5結(jié)構(gòu)不同之處在于在主磁鋼的兩端各增加了一段和主磁鋼極性相反的輔助磁鍘，可對磁路起優(yōu)化作用，獲得更大的比推力和更高的效率，實測效率達到83％。
綜上所述，鐵心有齒槽結(jié)構(gòu)的直線電機闋有效氣隙較小，可以獲得大的比推力。但是同時帶來的問題是側(cè)向磁拉力也很大，裝配難度加大，對電機和壓縮機的裝配工藝提出了很高的要求。這種結(jié)構(gòu)對板彈簧的徑向剛度要求更高，往往需要雙邊板彈簧支撐。
2.2定子鐵心無齒槽結(jié)構(gòu)
為減小側(cè)向磁拉力帶來的不利影響，可采用定子鐵心不開槽結(jié)構(gòu)，如圖7所示。該結(jié)構(gòu)電機線圈分左右兩個，電流方向相反。磁鋼也為左右兩塊，徑向充磁，極性相反。主磁路由左磁鋼-左氣隙-左線圈-外鐵心-右線圈-右氣隙-右磁鋼．內(nèi)鐵心-左磁鋼，形成回路。實際有效氣隙為左右氣隙和線圈部分，因此氣隙較大。這種結(jié)構(gòu)和有齒槽結(jié)構(gòu)相比，可以較大的降低單邊磁拉力，易于安裝。但另一方面，由于氣隙較大，漏磁增加， 定程度上削弱氣隙磁密，直線電機的比推力會有所降低。
由圖7結(jié)構(gòu)看出，動子部分由磁鋼和內(nèi)鐵心組成，容易造成動子質(zhì)量太大，不利于系統(tǒng)諧振。可以采取內(nèi)鐵心和磁鋼分離、內(nèi)鐵心靜止的方式降低動子質(zhì)量，但是同時在磁鋼和內(nèi)鐵心之間會增加一個氣隙，系統(tǒng)更加復(fù)雜。
文獻[9]提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的單磁鋼結(jié)構(gòu)，更適合于小功率星載斯特林制冷機直線電機的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。動子部分由一個磁鋼和內(nèi)鐵心組成，磁鋼充磁方向為軸向。與圖7結(jié)構(gòu)相比，動子部分結(jié)構(gòu)更加緊湊，動子體積和質(zhì)量較小，且易于裝配，日前已大量用于星載斯特林制冷機的有關(guān)產(chǎn)品。
3結(jié)語
斯特林制冷機在空間領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿Γ⒊蔀槔鋮s空間紅外元件的主力軍。而空間使用環(huán)境要求斯特林制冷機具有更高的效率更長的壽命。為此，驅(qū)動斯特林制冷機的直線電機的性能就至關(guān)重要。本文分析了適于星載斯特林制冷機的直線電機的不同結(jié)構(gòu)及其特點，在實際研制過程中可根據(jù)使用環(huán)境的具體要求，結(jié)合自身的分析和加工能力，選擇最合適的直線電機結(jié)構(gòu)。
參考文獻
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