斯特林制冷机直线电机结构及特点分析

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，动子由永久磁铁组成，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，如果处理不当会使动子向侧面偏移，造成压缩机活塞摩擦气缸，严重影响系统寿命。同时造成电机及压缩机结构复杂，装配难度加大。
为克服侧向拉力列压缩机带来的不良影响，牛津大学在20世纪70年代末首次将板弹簧支撑技术应用于微型斯特林制冷机[7]。板弹簧也称柔性弹簧，其结构图如图4所示。与普通的柱弹簧相比，板弹簧除了在轴向产生弹性力外，在径向有很强的刚度。这样，由于板弹簧的支撑作用，会对直线屯机动子的侧向偏移产生很大的抵抗力，避免压缩机活塞和气缸发生摩擦。 动磁式直线电机因其优良的特性，在星载斯特林制冷机中应用越来越多，逐渐取代动圈式结构，尤其在要求具有超长寿命的场合尤其明显，动磁式直线电机驱动的斯特林制冷机寿命已经达到50000h以上[7]。为满足不同的需求，人们研制出不同类型的动磁式直线电机，在定子、动子方面具有不同的结构，其各自的特点也有所不同。
2.1定了铁心有齿槽结构
定子铁心有齿槽结构直线电机示意图如图5所示。为了减小电机的有效气隙，尽可能提高直线电机比推力，在定子铁心部分采用有齿槽结构，励磁线圈位于铁心槽内。动子部分由单磁钢构成，充磁方向为径向。通过铁心齿的磁路导向作用，可降低铁心和动子磁路的有效气隙，从而提高气隙磁通密度，获得较大的比推力。在图5所示的结构中，无齿槽的内铁心和有齿槽的外铁心均静止不动，仅磁钢(包括磁钢支架，未画出)运动。采用这种结构可以降低动子质量，有利于提高动态性能。在动态性能允许的情况下，无齿槽的内铁心可以和磁钢固定在一起，共同运动，结构更加简单。
为进一步优化电机磁场，减少端部漏磁影响，文献[8]对上述结构进行了改进，如图6所示。与图5结构不同之处在于在主磁钢的两端各增加了一段和主磁钢极性相反的辅助磁铡，可对磁路起优化作用，获得更大的比推力和更高的效率，实测效率达到83％。 综上所述，铁心有齿槽结构的直线电机阕有效气隙较小，可以获得大的比推力。但是同时带来的问题是侧向磁拉力也很大，装配难度加大，对电机和压缩机的装配工艺提出了很高的要求。这种结构对板弹簧的径向刚度要求更高，往往需要双边板弹簧支撑。
2.2定子铁心无齿槽结构
为减小侧向磁拉力带来的不利影响，可采用定子铁心不开槽结构，如图7所示。该结构电机线圈分左右两个，电流方向相反。磁钢也为左右两块，径向充磁，极性相反。主磁路由左磁钢-左气隙-左线圈-外铁心-右线圈-右气隙-右磁钢．内铁心-左磁钢，形成回路。实际有效气隙为左右气隙和线圈部分，因此气隙较大。这种结构和有齿槽结构相比，可以较大的降低单边磁拉力，易于安装。但另一方面，由于气隙较大，漏磁增加，  定程度上削弱气隙磁密，直线电机的比推力会有所降低。
由图7结构看出，动子部分由磁钢和内铁心组成，容易造成动子质量太大，不利于系统谐振。可以采取内铁心和磁钢分离、内铁心静止的方式降低动子质量，但是同时在磁钢和内铁心之间会增加一个气隙，系统更加复杂。
文献[9]提出了一种结构紧凑的单磁钢结构，更适合于小功率星载斯特林制冷机直线电机的应用，其结构如图8所示。动子部分由一个磁钢和内铁心组成，磁钢充磁方向为轴向。与图7结构相比，动子部分结构更加紧凑，动子体积和质量较小，且易于装配，日前已大量用于星载斯特林制冷机的有关产品。 3结语
斯特林制冷机在空间领域具有极大的应用和发展潜力，并成为冷却空间红外元件的主力军。而空间使用环境要求斯特林制冷机具有更高的效率更长的寿命。为此，驱动斯特林制冷机的直线电机的性能就至关重要。本文分析了适于星载斯特林制冷机的直线电机的不同结构及其特点，在实际研制过程中可根据使用环境的具体要求，结合自身的分析和加工能力，选择最合适的直线电机结构。