斯特林制冷機(jī)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(jī)在衛(wèi)星探測(cè)、遙感、通信等空間環(huán)境具有越來(lái)越重要的應(yīng)用[2]?？臻g環(huán)境決定了該類(lèi)斯特林制冷機(jī)必須具有體積小、重量輕、效率高、壽命K等特點(diǎn)。
斯特林制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式對(duì)制冷機(jī)的性能起至關(guān)重要的作用。早期整體式斯特林制冷機(jī)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示[3]。制冷機(jī)采用非金屬?gòu)椥越佑|密封，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振動(dòng)和噪音大，尤其是運(yùn)動(dòng)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(jī)的工作壽命[4]。因此該類(lèi)制冷機(jī)多用于地面設(shè)備，便于安裝和維護(hù)。
而直線(xiàn)式斯特林制冷機(jī)由直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓縮機(jī)和直線(xiàn)電機(jī)一體化設(shè)計(jì)，采用非接觸式氣體動(dòng)密封，具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，特別適合于空間環(huán)境應(yīng)用。

按照直線(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的不同，可分為動(dòng)圈式、動(dòng)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(duì)比[4]。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，對(duì)斯特林制冷機(jī)的壽命、效率等技術(shù)要求不斷提高，動(dòng)圈式直線(xiàn)電機(jī)有逐漸被動(dòng)磁式直線(xiàn)電機(jī)取代的趨勢(shì)。 1動(dòng)圈式直線(xiàn)電機(jī)
圖2為斯特林制冷機(jī)用動(dòng)閏式直線(xiàn)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖[5]。動(dòng)圈式直線(xiàn)電機(jī)定子部分由永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)線(xiàn)圈通過(guò)支撐件與活塞、彈簧連接在一起，置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)它加載交流電，定子磁場(chǎng)和線(xiàn)圈通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)相互作用，推動(dòng)氣缸中的活塞作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)容易，動(dòng)罔上不存在側(cè)向磁拉力力，空載時(shí)沒(méi)有軸向力存在，不存在鐵心損耗。 動(dòng)圈式直線(xiàn)電機(jī)結(jié)構(gòu)存在以下不足：
(1)線(xiàn)圈引出線(xiàn)存在飛線(xiàn)，易發(fā)生疲勞受損，降低可靠性及運(yùn)行壽命；
(2)線(xiàn)圈和制冷工質(zhì)直接接觸，線(xiàn)圈及附屬部件的非金屬材料存在放氣性，會(huì)對(duì)制冷工質(zhì)造成污染，影響制冷效果；
(3)動(dòng)圈與機(jī)殼無(wú)直接接觸，不利于繞組散熱，會(huì)增加電機(jī)損耗，降低效率；
(4)磁路有效氣隙較大，比推力相對(duì)較?。?br /> 盡管有人提出外動(dòng)子等不同結(jié)構(gòu)的動(dòng)圈式直線(xiàn)電機(jī)以便于散熱[6]，但是同時(shí)會(huì)增加動(dòng)子質(zhì)量及安裝難度。因此，由于上述不足的存在，限制了動(dòng)圈式直線(xiàn)電機(jī)在星載斯特林制冷機(jī)方面的應(yīng)用，多用于壽命不是很長(zhǎng)的場(chǎng)合(一般情況FMTTF不大于30000h)。
2動(dòng)磁式直線(xiàn)電機(jī)
圖3所示為斯特林制冷機(jī)用動(dòng)磁式直線(xiàn)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖。動(dòng)磁式直線(xiàn)電機(jī)線(xiàn)圈位于定子，動(dòng)子由永久磁鐵組成，通過(guò)支撐件與活塞、彈簧連接在一起。同樣，在定子和動(dòng)子兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用下，產(chǎn)生軸向驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而推動(dòng)活塞往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。與動(dòng)圈式直線(xiàn)電機(jī)相比，動(dòng)磁式結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)線(xiàn)圈位于定子，引出線(xiàn)不再存在飛線(xiàn)，提高可靠性和運(yùn)行壽命；
(2)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)圈和機(jī)殼直接接觸，有利于散熱，從而可提高電機(jī)效率和功率密度；
(4)由于永磁材料具有高的磁性能，動(dòng)子質(zhì)量可相對(duì)較小，直線(xiàn)電機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，有利于諧振彈簧設(shè)計(jì)[5]。
由上述比較可知，動(dòng)磁式直線(xiàn)電機(jī)也存在一定的不足，主要表現(xiàn)在：電機(jī)具有較大的單邊磁拉力，如果處理不當(dāng)會(huì)使動(dòng)子向側(cè)面偏移，造成壓縮機(jī)活塞摩擦氣缸，嚴(yán)重影響系統(tǒng)壽命。同時(shí)造成電機(jī)及壓縮機(jī)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(jī)帶來(lái)的不良影響，牛津大學(xué)在20世紀(jì)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(jī)[7]。板彈簧也稱(chēng)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(qiáng)的剛度。這樣，由于板彈簧的支撐作用，會(huì)對(duì)直線(xiàn)屯機(jī)動(dòng)子的側(cè)向偏移產(chǎn)生很大的抵抗力，避免壓縮機(jī)活塞和氣缸發(fā)生摩擦。 動(dòng)磁式直線(xiàn)電機(jī)因其優(yōu)良的特性，在星載斯特林制冷機(jī)中應(yīng)用越來(lái)越多，逐漸取代動(dòng)圈式結(jié)構(gòu)，尤其在要求具有超長(zhǎng)壽命的場(chǎng)合尤其明顯，動(dòng)磁式直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的斯特林制冷機(jī)壽命已經(jīng)達(dá)到50000h以上[7]。為滿(mǎn)足不同的需求，人們研制出不同類(lèi)型的動(dòng)磁式直線(xiàn)電機(jī)，在定子、動(dòng)子方面具有不同的結(jié)構(gòu)，其各自的特點(diǎn)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(xiàn)電機(jī)示意圖如圖5所示。為了減小電機(jī)的有效氣隙，盡可能提高直線(xiàn)電機(jī)比推力，在定子鐵心部分采用有齒槽結(jié)構(gòu)，勵(lì)磁線(xiàn)圈位于鐵心槽內(nèi)。動(dòng)子部分由單磁鋼構(gòu)成，充磁方向?yàn)閺较?。通過(guò)鐵心齒的磁路導(dǎo)向作用，可降低鐵心和動(dòng)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(wú)齒槽的內(nèi)鐵心和有齒槽的外鐵心均靜止不動(dòng)，僅磁鋼(包括磁鋼支架，未畫(huà)出)運(yùn)動(dòng)。采用這種結(jié)構(gòu)可以降低動(dòng)子質(zhì)量，有利于提高動(dòng)態(tài)性能。在動(dòng)態(tài)性能允許的情況下，無(wú)齒槽的內(nèi)鐵心可以和磁鋼固定在一起，共同運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。
為進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)磁場(chǎng)，減少端部漏磁影響，文獻(xiàn)[8]對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，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(duì)磁路起優(yōu)化作用，獲得更大的比推力和更高的效率，實(shí)測(cè)效率達(dá)到83％。 綜上所述，鐵心有齒槽結(jié)構(gòu)的直線(xiàn)電機(jī)闋有效氣隙較小，可以獲得大的比推力。但是同時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題是側(cè)向磁拉力也很大，裝配難度加大，對(duì)電機(jī)和壓縮機(jī)的裝配工藝提出了很高的要求。這種結(jié)構(gòu)對(duì)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(wú)齒槽結(jié)構(gòu)
為減小側(cè)向磁拉力帶來(lái)的不利影響，可采用定子鐵心不開(kāi)槽結(jié)構(gòu)，如圖7所示。該結(jié)構(gòu)電機(jī)線(xiàn)圈分左右兩個(gè)，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(xiàn)圈-外鐵心-右線(xiàn)圈-右氣隙-右磁鋼．內(nèi)鐵心-左磁鋼，形成回路。實(shí)際有效氣隙為左右氣隙和線(xiàn)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(xiàn)電機(jī)的比推力會(huì)有所降低。
由圖7結(jié)構(gòu)看出，動(dòng)子部分由磁鋼和內(nèi)鐵心組成，容易造成動(dòng)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(dòng)子質(zhì)量，但是同時(shí)在磁鋼和內(nèi)鐵心之間會(huì)增加一個(gè)氣隙，系統(tǒng)更加復(fù)雜。
文獻(xiàn)[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(jī)直線(xiàn)電機(jī)的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。動(dòng)子部分由一個(gè)磁鋼和內(nèi)鐵心組成，磁鋼充磁方向?yàn)檩S向。與圖7結(jié)構(gòu)相比，動(dòng)子部分結(jié)構(gòu)更加緊湊，動(dòng)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(jī)的有關(guān)產(chǎn)品。 3結(jié)語(yǔ)
斯特林制冷機(jī)在空間領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿Γ⒊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(jī)具有更高的效率更長(zhǎng)的壽命。為此，驅(qū)動(dòng)斯特林制冷機(jī)的直線(xiàn)電機(jī)的性能就至關(guān)重要。本文分析了適于星載斯特林制冷機(jī)的直線(xiàn)電機(jī)的不同結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，在實(shí)際研制過(guò)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(xiàn)電機(jī)結(jié)構(gòu)。