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

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233)

    摘要：斯特林制冷机商线电机按照运动部件的不同可分为动国式和动磁式两种主要结构形式。文章重点介绍了用于空词的斯特林制冷机动磁式阿线电机的儿种不同结构，并列各种结构的相应特点进行了分析。

    关键词：斯特林制冷机；直线电机；动磁式

O引言

    斯特林制冷机在军事、环境、商用、天文、医学、能源等领域具有广泛的应用，为上述应用设备提供低温工作温度^[1]。随着空间技术的发展，斯特林制冷机在卫星探测、遥感、通信等空间环境具有越来越重要的应用^[2]。空间环境决定了该类斯特林制冷机必须具有体积小、重量轻、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1所示^[3]。制冷机采用非金属弹性接触密封，结构复杂，振动和噪音大，尤其是运动部件的相互磨损和制冷工质气体的泄露和污染，限制了制冷机的工作寿命^[4]。因此该类制冷机多用于地面设备，便于安装和维护。

    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，采用非接触式气体动密封，具有体积小、重量轻、寿命长的特点，特别适合于空间环境应用。

按照直线电机运动部件的不同，可分为动圈式、动磁式等不同结构，表1为这两种结构主要技术对比^[4]。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直线电机取代的趋势。

1动圈式直线电机

    图2为斯特林制冷机用动闰式直线电机基本结构示意图^[5]。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活塞、弹簧连接在一起，置于强磁场中，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，推动气缸中的活塞作轴向往复运动。这种电机结构的优点是设计容易，动罔上不存在侧向磁拉力力，空载时没有轴向力存在，不存在铁心损耗。

    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^[6]，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(一般情况FMTTF不大于30000h)。

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****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：

    (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)由于永磁材料具有高的磁性能，动子质量可相对较小，直线电机结构更加紧凑，有利于谐振弹簧设计^[5]。

    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拉力，如