1W80K斯特林制冷器直线驱动无阀压缩机研究

直线电机驱动，双活塞对称布置结构本文主要论述了其设计原理，结构特点，试验情况红外光电技术在军事上的不断应用有力地牵引着与之配套的微型制冷器的发展。在微型制冷器领域，斯特林制冷器研究是历史最长，研究水平最成熟的一个分支。世界上发达国家如美国、英国、以色列、荷兰等国早在八十年代已实现斯特林制冷器的系列化和军用商品化。然而，迄今为止，我国还没有一台国产斯特林制冷器装备部队，主要原因是可靠性、寿命等实用化指标还不能满足要求。“九五”期间，我所进行了1W/80K长寿命斯特林制冷器的研究工作，己完成的直线驱动双活塞对动的分置式斯特林制冷器具有体积小、重量轻、振动小、效率高、可靠性高等特点，进一步推进了国产斯特林制冷器的实用化步伐。

斯特林制冷器由无阀压缩机、膨胀机两部分组成。无阀压缩机是制冷器的动力源，是影响整机的低温性能和寿命的关键部件。本文主要介绍无阀压缩机的设计原理、结构特点和试验情况。

2压缩机设计原理以往传统的无阀压缩机都采用曲柄连杆结构，通过曲柄连杆将电机的回转运动转化为推移活塞的直线运动，实现气体压缩。这种压缩机虽然技术成熟，结构简单，但其致命的缺点是活塞运动不可避免地存在侧向力，加速活塞与气缸的磨损，因此压缩机振动大，寿命短。

为了提高压缩机寿命，减小振动，我们采用直线电机驱动、双活塞对置结构压缩机。根据电磁学理论，当电流通过线圈时，由于磁场的作用会在线圈上产生推动力，如果电流是交变的，则线圈上所产生的力也是交变的。直线电机压缩机即利用这一原理，将线圈置于闭合磁路环形气隙中，当交变的电流通过动圈时，使动圈及活塞产生往复振动，完成气体压缩。

根据振动学理论分析，线性振动压缩机必须工作在速度共振区才能最有效地吸收激振能量，此时位移与激振力相位差是90°，位移与速度相位差也是90°，速度和激振力同相，这是我们设计工作中的理论依据。

压缩机的动子弹簧系统可简化为单质量单自由度的受迫阻尼振动模型（所示〉。

图中：F=FSINct，电磁驱动力（撖振力）；n：动子质量；c.等效阻尼系数；k：等效弹黄刚度。

受迫阻尼振动在稳定状态下可似为间谐振动，振动的周期就是外力的周期，振动的振幅保持恒定不变，其大小与周期性外力大小、外力的铎率以及无阻尼自由振动时的固有频率有关。物体在受迫振动状态下，动子受到强迫力作用的同时仍受到回复力和阻尼力的作用，所以物体的位移变化和外力变化并不是同位相的，速度变化和外力变化也不是同受迫振动的财振与外力铎率的关系位相的。只有在外力的频率和振动物体的固有频率相等时，外力才能在整个周期内对物体作功，外界所供给的能量最多，受迫振动的能量达到最大值，即达到共振。此时，速度振幅Vm=A也达到最大值。表示受迫振动的速度振与外力频率的关系。

3压缩机结构特点由于该压缩机为1W/80K长寿命斯特林制冷器设计，其特点是可靠性高，因此结构设计时必须以实现较高的可靠性为目标。同时，考虑到制冷器的实用性，压缩机的体积、重量又不能太大，必须小于lKg的性能指标。

压缩机由两个完全相同的单缸压缩机对称布置组成。每个单缸压缩机包括一个定子组件、两个磁隙构成一个闭合磁回路。与过去常用磁路设计不同的是磁钢采用径向充磁方式，这种充磁方式的优点是漏磁小，磁路利用率高。内外磁极均采用磁导率高的铁钻钒材料，使漏磁进一步减小。内磁极兼作压缩气缸，外磁极兼作附助外壳，充分利用空间，结构紧凑，体积减小，重量减轻。电机磁回路如所示。永久磁铁是提供工作气隙磁能的能源，永久磁性材料目前常用的是Sm2Col7、NdFeB稀土永磁合金，其中NdFeB具有较大的磁能积，但温度稳定性较差；Sm2Col7温度稳定性较好，但相对磁能积稍差。我们选用磁能积高的NdFeB作磁钢，有利于提高电机效率。

动子组件主要由动圈、压缩活塞、支撑弹簧等组成。动圈是一个双音圈线圈包，由漆包线绕制而成。压缩活塞由钛合金加工成，外表面胶上有自润滑性且耐磨性的耐磨塑料，酎磨塑料表面加工若干个V字型的小槽，压缩活塞与压缩气缸之间采用间隙密封。动圈与压缩活塞进行一体化装配，动圈运动带动活塞运动，完成气体压缩。动圈由圆柱弹簧支，圆柱弹簧固定于压缩机后盖上，组成一个受迫阻尼振动系统。

压缩机总体上采用双电机、双活塞对称布置，压缩机工作时两个活塞动量互相平衡，压缩机运行平稳，振动小，噪音低，有利于达到较高的可靠性。柔性轴承采用技术成熟的圆柱弹黄，选用优质弹簧钢材料，表面喷丸处理，提高其可靠性。针对其径向定位稍差的问题，通过压缩活塞结构优化及高精度定位装配弥补。

压缩活塞采用钛合金加工，质量小，强度高，有利于保持径向定位。压缩活塞与气缸间用间隙迷宫密封，活塞高速运动时，活塞与气缸之间形成一个气体支撑，使活塞处于悬浮状态，减小活塞磨损，提高压缩机可靠性。

动圈、活塞、弹簧组成的弹簧振子中，对动圈、活塞质量进行准确计算，确保其在一定的激振力频率下工作在谐振状态，提高工作效率，减少压缩机散热，有利于达到长寿命。

该压缩机外形尺寸为《M0 X180，重量0.9Kg，与膨胀机连接后制冷机总重1.2Kg. 4.试验情况：压缩机装配调试完后，与1W/80K膨胀机联试‘经，制冷量-温度曲线如所示。

5结论该无阀压缩机采用当前国外先进的直线电机驱动，双活塞对置结构，体积小，重量轻，振动、噪音小，可靠性篼，压缩机在谐振状态下工作，可减小功耗，提高效率。