斯特林制冷机用直线电机设计与测试
郑文鹏， 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：针对动磁式斯特林制冷机用直线电机的结构特点，给出了电机主要尺寸的估算方法。基于Max—well磁场分析软件建立一个算例样机的有限元模型，对该样机进行性能参数的仿真计算，同时提出了一种结构简单、易于操作的比推力测试方法。将计算结果与测试结果进行对比，两者十分吻合，验证有关磁路、有限元计算方法及测试方法的有效性和准确性。
关键词：斯特林制冷机；直线电机；动磁式
中图分类号：TM 302：TM 359 4文献标志码：A文章编号：1673—6540(2010)05-0061-04
0 引言
随着空问技术的发展，直线式斯特林制冷机在卫星探测、遥感、通信等空间环境有越来越多的应用[1]。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，特别适用于空间环境。按照直线电机运动部件的不同，呵分为动固式、动磁式等结构。文献[2]中给出了这两种结构的主要技术对比，尽管动磁式直线电机存在单边拉力大、技术难度高等问题，但与动圈式相比，动磁式结构具有推力大、引线简单、污染小、效率高等一系列优点，动圈式直线电机有逐渐被动磁式直线电机取代的趋势。
1 动磁式直线电机结构及主要尺寸估算
1．1动磁式直线电机结构特点
动磁式直线电机主要由定子和动子两部分构成，其中定子部分主要为线圈和外铁心(定子磁轭)，动子部分一般包括磁钢和内铁心(动子轭)。根据定子和动子的结构，直线电机可进一步分为很多种”。，且分别具有不同的特点。图1为其中一种双磁钢、径向充磁的电机结构示意图。按斯特林制冷机用直线电机的结构，电机磁路为轴对称结构。由于电机的这种对称性，通过在r坐标平面内建立的二维模型绕z轴旋转一周，即可得到电机的整体三维模型。图1中虚线表示磁路主回路示意图。
1．2主要尺寸估算
电机的主要尺寸与电机的****输入功率、行程、频率及效率等参数有关。为简化分析，在估算电机主要尺寸之前，先进行如下假设：(1)电机的电压、电流均为正弦，电机功率因数为l；(2)忽略电机铁耗及其他杂散损耗；(3)气隙磁密均匀分布，忽略端部漏磁；(4)电机速度轨迹为正弦，超前位移90。电角度；(5)忽略线圈绝缘厚度。电机的****输入功率为
式中：umax——气隙平均直径；
imax——线固有效匝数；
直线电机频率，即压缩机频率；
s——直线电机动子行程(动子单向运行****距离)。
有效匝数按式(4)计算：
式中：D——线圈实际匝数；
N——有效线圈系数，是磁钢轴向长度和线
圈轴向长度的比值(见图1)(动磁式电机y<1．动圈式电机y=1)。
式中：η——****功率时电机的效率。
电机的****电流除了受电机效率影响外，还受允许的电流密度限制：
式中：Js——线圈允许承受的电流密度。
由式(1)～(8)，得到斯特林制冷机用直线电机的主要尺寸估算公式：
由于气隙磁密B受D1、D2影响较大，在利用式(9)进行计算时，应合理预计该值，并根据工作环境选取恰当的电流密度。
1．3算例
某样机主要指标和参数选取如表1所示。
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