斯特林制冷機用直線電機設(shè)計與測試

    鄭文鵬，  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：針對動磁式斯特林制冷機用直線電機的結(jié)構(gòu)特點，給出了電機主要尺寸的估算方法。基于Max—well磁場分析軟件建立一個算例樣機的有限元模型，對該樣機進行性能參數(shù)的仿真計算，同時提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、易于操作的比推力測試方法。將計算結(jié)果與測試結(jié)果進行對比，兩者十分吻合，驗證有關(guān)磁路、有限元計算方法及測試方法的有效性和準確性。

    關(guān)鍵詞：斯特林制冷機；直線電機；動磁式

    中圖分類號：TM 302：TM 359 4文獻標志碼：A文章編號：1673—6540(2010)05-0061-04

0 引言

     隨著空問技術(shù)的發(fā)展，直線式斯特林制冷機在衛(wèi)星探測、遙感、通信等空間環(huán)境有越來越多的應用[1]。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，特別適用于空間環(huán)境。按照直線電機運動部件的不同，呵分為動固式、動磁式等結(jié)構(gòu)。文獻[2]中給出了這兩種結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)對比，盡管動磁式直線電機存在單邊拉力大、技術(shù)難度高等問題，但與動圈式相比，動磁式結(jié)構(gòu)具有推力大、引線簡單、污染小、效率高等一系列優(yōu)點，動圈式直線電機有逐漸被動磁式直線電機取代的趨勢。

1  動磁式直線電機結(jié)構(gòu)及主要尺寸估算

1．1動磁式直線電機結(jié)構(gòu)特點

    動磁式直線電機主要由定子和動子兩部分構(gòu)成，其中定子部分主要為線圈和外鐵心(定子磁軛)，動子部分一般包括磁鋼和內(nèi)鐵心(動子軛)。根據(jù)定子和動子的結(jié)構(gòu)，直線電機可進一步分為很多種”。，且分別具有不同的特點。圖1為其中一種雙磁鋼、徑向充磁的電機結(jié)構(gòu)示意圖。按斯特林制冷機用直線電機的結(jié)構(gòu)，電機磁路為軸對稱結(jié)構(gòu)。由于電機的這種對稱性，通過在r坐標平面內(nèi)建立的二維模型繞z軸旋轉(zhuǎn)一周，即可得到電機的整體三維模型。圖1中虛線表示磁路主回路示意圖。

1．2主要尺寸估算

    電機的主要尺寸與電機的****輸入功率、行程、頻率及效率等參數(shù)有關(guān)。為簡化分析，在估算電機主要尺寸之前，先進行如下假設(shè)：(1)電機的電壓、電流均為正弦，電機功率因數(shù)為l；(2)忽略電機鐵耗及其他雜散損耗；(3)氣隙磁密均勻分布，忽略端部漏磁；(4)電機速度軌跡為正弦，超前位移90。電角度；(5)忽略線圈絕緣厚度。電機的****輸入功率為

式中：umax——氣隙平均直徑；

    imax——線固有效匝數(shù)；

   直線電機頻率，即壓縮機頻率；

    s——直線電機動子行程(動子單向運行****距離)。

    有效匝數(shù)按式(4)計算：

式中：D——線圈實際匝數(shù)；

    N——有效線圈系數(shù)，是磁鋼軸向長度和線

圈軸向長度的比值(見圖1)(動磁式電機y<1．動圈式電機y=1)。

式中：η——****功率時電機的效率。

    電機的****電流除了受電機效率影響外，還受允許的電流密度限制：

式中：Js——線圈允許承受的電流密度。

    由式(1)～(8)，得到斯特林制冷機用直線電機的主要尺寸估算公式：

 

     由于氣隙磁密B受D1、D2影響較大，在利用式(9)進行計算時，應合理預計該值，并根據(jù)工作環(huán)境選取恰當?shù)碾娏髅芏取?/DIV>