斯特林制冷機在軍事、環(huán)境、商用、天文、醫(yī)學、能源等領域具有廣泛的應用，為上述應用設備提供低溫工作溫度[1]。隨著空間技術的發(fā)展，斯特林制冷機在衛(wèi)星探測、遙感、通信等空間環(huán)境具有越來越重要的應用[2]?？臻g環(huán)境決定了該類斯特林制冷機必須具有體積小、重量輕、效率高、壽命K等特點。
斯特林制冷機的驅動方式對制冷機的性能起至關重要的作用。早期整體式斯特林制冷機由旋轉電機通過曲柄連桿機構驅動，結構簡圖如圖1所示[3]。制冷機采用非金屬彈性接觸密封，結構復雜，振動和噪音大，尤其是運動部件的相互磨損和制冷工質氣體的泄露和污染，限制了制冷機的工作壽命[4]。因此該類制冷機多用于地面設備，便于安裝和維護。
而直線式斯特林制冷機由直線電機驅動，壓縮機和直線電機一體化設計，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，特別適合于空間環(huán)境應用。
按照直線電機運動部件的不同，可分為動圈式、動磁式等不同結構，表1為這兩種結構主要技術對比[4]。隨著空間技術的發(fā)展，對斯特林制冷機的壽命、效率等技術要求不斷提高，動圈式直線電機有逐漸被動磁式直線電機取代的趨勢。
1動圈式直線電機
圖2為斯特林制冷機用動閏式直線電機基本結構示意圖[5]。動圈式直線電機定子部分由永磁體產生磁場，運動線圈通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起，置于強磁場中，當它加載交流電，定子磁場和線圈通電產生的磁場就會相互作用，推動氣缸中的活塞作軸向往復運動。這種電機結構的優(yōu)點是設計容易，動罔上不存在側向磁拉力力，空載時沒有軸向力存在，不存在鐵心損耗。
動圈式直線電機結構存在以下不足：
(1)線圈引出線存在飛線，易發(fā)生疲勞受損，降低可靠性及運行壽命；
(2)線圈和制冷工質直接接觸，線圈及附屬部件的非金屬材料存在放氣性，會對制冷工質造成污染，影響制冷效果；
(3)動圈與機殼無直接接觸，不利于繞組散熱，會增加電機損耗，降低效率；
(4)磁路有效氣隙較大，比推力相對較?。?br /> 盡管有人提出外動子等不同結構的動圈式直線電機以便于散熱[6]，但是同時會增加動子質量及安裝難度。因此，由于上述不足的存在，限制了動圈式直線電機在星載斯特林制冷機方面的應用，多用于壽命不是很長的場合(一般情況FMTTF不大于30000h)。
2動磁式直線電機
圖3所示為斯特林制冷機用動磁式直線電機基本結構示意圖。動磁式直線電機線圈位于定子，動子由永久磁鐵組成，通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起。同樣，在定子和動子兩個磁場相互作用下，產生軸向驅動力，進而推動活塞往復直線運動。與動圈式直線電機相比，動磁式結構具有如下優(yōu)點：
(1)線圈位于定子，引出線不再存在飛線，提高可靠性和運行壽命；
(2)線圈和工質之間可以采用非導磁的屏蔽罩裝置隔離，避免線圈和工質的直接接觸，從而避免非金屬材料的放氣性污染工質；
(3)線圈和機殼直接接觸，有利于散熱，從而可提高電機效率和功率密度；
(4)由于永磁材料具有高的磁性能，動子質量可相對較小，直線電機結構更加緊湊，有利于諧振彈簧設計[5]。
由上述比較可知，動磁式直線電機也存在一定的不足，主要表現(xiàn)在：電機具有較大的單邊磁拉力，如果處理不當會使動子向側面偏移，造成壓縮機活塞摩擦氣缸，嚴重影響系統(tǒng)壽命。同時造成電機及壓縮機結構復雜，裝配難度加大。
為克服側向拉力列壓縮機帶來的不良影響，牛津大學在20世紀70年代末首次將板彈簧支撐技術應用于微型斯特林制冷機[7]。板彈簧也稱柔性彈簧，其結構圖如圖4所示。與普通的柱彈簧相比，板彈簧除了在軸向產生彈性力外，在徑向有很強的剛度。這樣，由于板彈簧的支撐作用，會對直線屯機動子的側向偏移產生很大的抵抗力，避免壓縮機活塞和氣缸發(fā)生摩擦。
動磁式直線電機因其優(yōu)良的特性，在星載斯特林制冷機中應用越來越多，逐漸取代動圈式結構，尤其在要求具有超長壽命的場合尤其明顯，動磁式直線電機驅動的斯特林制冷機壽命已經達到50000h以上[7]。為滿足不同的需求，人們研制出不同類型的動磁式直線電機，在定子、動子方面具有不同的結構，其各自的特點也有所不同。
2.1定了鐵心有齒槽結構
定子鐵心有齒槽結構直線電機示意圖如圖5所示。為了減小電機的有效氣隙，盡可能提高直線電機比推力，在定子鐵心部分采用有齒槽結構，勵磁線圈位于鐵心槽內。動子部分由單磁鋼構成，充磁方向為徑向。通過鐵心齒的磁路導向作用，可降低鐵心和動子磁路的有效氣隙，從而提高氣隙磁通密度，獲得較大的比推力。在圖5所示的結構中，無齒槽的內鐵心和有齒槽的外鐵心均靜止不動，僅磁鋼(包括磁鋼支架，未畫出)運動。采用這種結構可以降低動子質量，有利于提高動態(tài)性能。在動態(tài)性能允許的情況下，無齒槽的內鐵心可以和磁鋼固定在一起，共同運動，結構更加簡單。
為進一步優(yōu)化電機磁場，減少端部漏磁影響，文獻[8]對上述結構進行了改進，如圖6所示。與圖5結構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，可對磁路起優(yōu)化作用，獲得更大的比推力和更高的效率，實測效率達到83％。
綜上所述，鐵心有齒槽結構的直線電機闋有效氣隙較小，可以獲得大的比推力。但是同時帶來的問題是側向磁拉力也很大，裝配難度加大，對電機和壓縮機的裝配工藝提出了很高的要求。這種結構對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定子鐵心無齒槽結構
為減小側向磁拉力帶來的不利影響，可采用定子鐵心不開槽結構，如圖7所示。該結構電機線圈分左右兩個，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-左線圈-外鐵心-右線圈-右氣隙-右磁鋼．內鐵心-左磁鋼，形成回路。實際有效氣隙為左右氣隙和線圈部分，因此氣隙較大。這種結構和有齒槽結構相比，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，直線電機的比推力會有所降低。
由圖7結構看出，動子部分由磁鋼和內鐵心組成，容易造成動子質量太大，不利于系統(tǒng)諧振?？梢圆扇辱F心和磁鋼分離、內鐵心靜止的方式降低動子質量，但是同時在磁鋼和內鐵心之間會增加一個氣隙，系統(tǒng)更加復雜。
文獻[9]提出了一種結構緊湊的單磁鋼結構，更適合于小功率星載斯特林制冷機直線電機的應用，其結構如圖8所示。動子部分由一個磁鋼和內鐵心組成，磁鋼充磁方向為軸向。與圖7結構相比，動子部分結構更加緊湊，動子體積和質量較小，且易于裝配，日前已大量用于星載斯特林制冷機的有關產品。 
3結語
斯特林制冷機在空間領域具有極大的應用和發(fā)展?jié)摿Γ⒊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具有更高的效率更長的壽命。為此，驅動斯特林制冷機的直線電機的性能就至關重要。本文分析了適于星載斯特林制冷機的直線電機的不同結構及其特點，在實際研制過程中可根據(jù)使用環(huán)境的具體要求，結合自身的分析和加工能力，選擇最合適的直線電機結構。
斯特林制冷機的驅動方式對制冷機的性能起至關重要的作用。早期整體式斯特林制冷機由旋轉電機通過曲柄連桿機構驅動，結構簡圖如圖1所示[3]。制冷機采用非金屬彈性接觸密封，結構復雜，振動和噪音大，尤其是運動部件的相互磨損和制冷工質氣體的泄露和污染，限制了制冷機的工作壽命[4]。因此該類制冷機多用于地面設備，便于安裝和維護。
而直線式斯特林制冷機由直線電機驅動，壓縮機和直線電機一體化設計，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，特別適合于空間環(huán)境應用。
按照直線電機運動部件的不同，可分為動圈式、動磁式等不同結構，表1為這兩種結構主要技術對比[4]。隨著空間技術的發(fā)展，對斯特林制冷機的壽命、效率等技術要求不斷提高，動圈式直線電機有逐漸被動磁式直線電機取代的趨勢。
圖2為斯特林制冷機用動閏式直線電機基本結構示意圖[5]。動圈式直線電機定子部分由永磁體產生磁場，運動線圈通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起，置于強磁場中，當它加載交流電，定子磁場和線圈通電產生的磁場就會相互作用，推動氣缸中的活塞作軸向往復運動。這種電機結構的優(yōu)點是設計容易，動罔上不存在側向磁拉力力，空載時沒有軸向力存在，不存在鐵心損耗。
(1)線圈引出線存在飛線，易發(fā)生疲勞受損，降低可靠性及運行壽命；
(2)線圈和制冷工質直接接觸，線圈及附屬部件的非金屬材料存在放氣性，會對制冷工質造成污染，影響制冷效果；
(3)動圈與機殼無直接接觸，不利于繞組散熱，會增加電機損耗，降低效率；
(4)磁路有效氣隙較大，比推力相對較?。?br /> 盡管有人提出外動子等不同結構的動圈式直線電機以便于散熱[6]，但是同時會增加動子質量及安裝難度。因此，由于上述不足的存在，限制了動圈式直線電機在星載斯特林制冷機方面的應用，多用于壽命不是很長的場合(一般情況FMTTF不大于30000h)。
2動磁式直線電機
圖3所示為斯特林制冷機用動磁式直線電機基本結構示意圖。動磁式直線電機線圈位于定子，動子由永久磁鐵組成，通過支撐件與活塞、彈簧連接在一起。同樣，在定子和動子兩個磁場相互作用下，產生軸向驅動力，進而推動活塞往復直線運動。與動圈式直線電機相比，動磁式結構具有如下優(yōu)點：
(2)線圈和工質之間可以采用非導磁的屏蔽罩裝置隔離，避免線圈和工質的直接接觸，從而避免非金屬材料的放氣性污染工質；
(3)線圈和機殼直接接觸，有利于散熱，從而可提高電機效率和功率密度；
(4)由于永磁材料具有高的磁性能，動子質量可相對較小，直線電機結構更加緊湊，有利于諧振彈簧設計[5]。
由上述比較可知，動磁式直線電機也存在一定的不足，主要表現(xiàn)在：電機具有較大的單邊磁拉力，如果處理不當會使動子向側面偏移，造成壓縮機活塞摩擦氣缸，嚴重影響系統(tǒng)壽命。同時造成電機及壓縮機結構復雜，裝配難度加大。
為克服側向拉力列壓縮機帶來的不良影響，牛津大學在20世紀70年代末首次將板彈簧支撐技術應用于微型斯特林制冷機[7]。板彈簧也稱柔性彈簧，其結構圖如圖4所示。與普通的柱彈簧相比，板彈簧除了在軸向產生彈性力外，在徑向有很強的剛度。這樣，由于板彈簧的支撐作用，會對直線屯機動子的側向偏移產生很大的抵抗力，避免壓縮機活塞和氣缸發(fā)生摩擦。
2.1定了鐵心有齒槽結構
定子鐵心有齒槽結構直線電機示意圖如圖5所示。為了減小電機的有效氣隙，盡可能提高直線電機比推力，在定子鐵心部分采用有齒槽結構，勵磁線圈位于鐵心槽內。動子部分由單磁鋼構成，充磁方向為徑向。通過鐵心齒的磁路導向作用，可降低鐵心和動子磁路的有效氣隙，從而提高氣隙磁通密度，獲得較大的比推力。在圖5所示的結構中，無齒槽的內鐵心和有齒槽的外鐵心均靜止不動，僅磁鋼(包括磁鋼支架，未畫出)運動。采用這種結構可以降低動子質量，有利于提高動態(tài)性能。在動態(tài)性能允許的情況下，無齒槽的內鐵心可以和磁鋼固定在一起，共同運動，結構更加簡單。
為進一步優(yōu)化電機磁場，減少端部漏磁影響，文獻[8]對上述結構進行了改進，如圖6所示。與圖5結構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，可對磁路起優(yōu)化作用，獲得更大的比推力和更高的效率，實測效率達到83％。
2.2定子鐵心無齒槽結構
為減小側向磁拉力帶來的不利影響，可采用定子鐵心不開槽結構，如圖7所示。該結構電機線圈分左右兩個，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-左線圈-外鐵心-右線圈-右氣隙-右磁鋼．內鐵心-左磁鋼，形成回路。實際有效氣隙為左右氣隙和線圈部分，因此氣隙較大。這種結構和有齒槽結構相比，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，直線電機的比推力會有所降低。
由圖7結構看出，動子部分由磁鋼和內鐵心組成，容易造成動子質量太大，不利于系統(tǒng)諧振?？梢圆扇辱F心和磁鋼分離、內鐵心靜止的方式降低動子質量，但是同時在磁鋼和內鐵心之間會增加一個氣隙，系統(tǒng)更加復雜。
文獻[9]提出了一種結構緊湊的單磁鋼結構，更適合于小功率星載斯特林制冷機直線電機的應用，其結構如圖8所示。動子部分由一個磁鋼和內鐵心組成，磁鋼充磁方向為軸向。與圖7結構相比，動子部分結構更加緊湊，動子體積和質量較小，且易于裝配，日前已大量用于星載斯特林制冷機的有關產品。
斯特林制冷機在空間領域具有極大的應用和發(fā)展?jié)摿Γ⒊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具有更高的效率更長的壽命。為此，驅動斯特林制冷機的直線電機的性能就至關重要。本文分析了適于星載斯特林制冷機的直線電機的不同結構及其特點，在實際研制過程中可根據(jù)使用環(huán)境的具體要求，結合自身的分析和加工能力，選擇最合適的直線電機結構。
