曾 勇，蘇俊霏，黃太和，潘 奇，曹永剛，王立保，張楊文，黃 立

（武漢高德紅外股份有限公司，武漢 430205）

0 引言

隨著大面陣、雙色等制冷紅外探測器技術(shù)的快速發(fā)展，對制冷量約為1～2 W@80 K的輕量化、高可靠性的微型制冷機(jī)需求迫切。線性分置式斯特林制冷機(jī)因具有運行穩(wěn)定、可靠性高、可靈活布置等優(yōu)勢，在此領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外相關(guān)單位已推出多款成熟的斯特林制冷機(jī)產(chǎn)品，如AIM的SX095、Ricro的K570、昆明物理研究所的C374等，如表1所列[1-5]?？梢钥闯?，目前該應(yīng)用場景的制冷機(jī)的最小比質(zhì)量[6]為0.8 kg/W，國內(nèi)成熟制冷機(jī)的比質(zhì)量為1 kg/W。由于機(jī)載、吊艙等應(yīng)用對制冷機(jī)質(zhì)量及尺寸的要求日益嚴(yán)苛，研制更低比質(zhì)量的斯特林制冷機(jī)勢在必行，線性壓縮機(jī)作為斯特林制冷機(jī)的核心部件是研究的重點和難點。為此，武漢高德紅外股份有限公司開展了微型輕量化線性壓縮機(jī)的研制。

表1 不同的線性斯特林制冷機(jī)性能對比Tab.1 the performance comparison of different linear Stirling coolers

本文研制了一款微型輕量化線性壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)采用動磁式直線電機(jī)驅(qū)動，使用板彈簧支撐動子實現(xiàn)氣缸與活塞之間的間隙密封，氣缸為對置式布局。通過直線電機(jī)優(yōu)化、動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)壓縮機(jī)的輕量化設(shè)計。

1 壓縮機(jī)輕量化設(shè)計

動磁式線性壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括直線電機(jī)、壓縮腔以及支撐部件。動磁式直線電機(jī)主要包括動子和定子兩部分。定子部分又包括線圈、內(nèi)磁軛和外磁軛，動子部分包括磁鋼、磁鋼支架、板彈簧和壓縮活塞。當(dāng)電機(jī)通交流電時，磁鋼在勵磁作用下產(chǎn)生推力，帶動活塞在壓縮腔內(nèi)實現(xiàn)往復(fù)運動。從圖中可以看出，壓縮機(jī)的尺寸、質(zhì)量主要由電機(jī)尺寸、壓縮腔尺寸、支撐結(jié)構(gòu)決定，因此，對這三者的合理設(shè)計是壓縮機(jī)輕量化設(shè)計的重要內(nèi)容。

圖1 動磁式線性壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The framework of moving magnetic linear compressor

1.1 直線電機(jī)設(shè)計

為減小電機(jī)尺寸和質(zhì)量，采用國際上公認(rèn)效率較高的Redlich型動磁式直線電機(jī)方案，該電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度大，在Sunpower公司和Ricor公司的制冷機(jī)產(chǎn)品上普遍應(yīng)用。但是，受電機(jī)結(jié)構(gòu)和體積的限制，以及這種結(jié)構(gòu)直線電機(jī)內(nèi)在特性的影響，隨著磁鋼不斷靠近兩端，電磁偏置力會逐漸增大，最終使活塞平衡位置偏離。設(shè)計過程中須確保在行程范圍內(nèi)，表現(xiàn)為正彈簧的效果，在最大位移處，電磁偏置力遠(yuǎn)小于此時的板彈簧回復(fù)力。因此，需要對磁軛的結(jié)構(gòu)、磁鋼的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行優(yōu)化和數(shù)值模擬分析，圖2為電機(jī)比推力模擬計算結(jié)果，電流為0 A時，在行程±4 mm范圍內(nèi)，電機(jī)的軸向電磁偏置力較小，可以忽略不計；電流為1 A時，電機(jī)比推力在活塞正常行程范圍（±4 mm）內(nèi)無明顯變化，該電機(jī)的平均比推力為7.7 N/A。

圖2 電機(jī)比推力模擬計算結(jié)果曲線Fig.2 Lorentz force vary with the displacement of the piston

通電后，內(nèi)外軟磁出現(xiàn)充磁飽和時，活塞位移可能無法達(dá)到設(shè)計值，因此為保證電機(jī)在不同負(fù)載場合均能正常運行，須通過有限元分析電機(jī)內(nèi)外軟磁通電后的磁飽和強(qiáng)度是否滿足要求。動磁式直線電機(jī)的氣隙磁場是勵磁線圈與永磁體磁場的迭加，基于有限元分析，加載電流可以得到電機(jī)動子在不同位置時的磁場分布，如圖3所示。從圖中可以看出在導(dǎo)磁材料中，磁場分布均勻，渦流現(xiàn)象不明顯，在永磁體端部的導(dǎo)磁材料中，局部區(qū)域充磁較大，但與其飽和磁化強(qiáng)度仍有一定差距，可以保證電機(jī)正常運行。

圖3 電機(jī)動子不同位置時通電后的磁場分布Fig.3 The magnetic field distribution with permanent magnet at different place

為減輕電機(jī)的質(zhì)量同時減小鐵損，提高電機(jī)效率，內(nèi)磁軛和外磁軛均采用割槽方案，如圖4所示。通過對內(nèi)外軟磁進(jìn)行割槽，可以有效地減少軟磁中的渦流損失，從而降低鐵損，在提高電機(jī)效率的同時能減輕質(zhì)量。經(jīng)設(shè)計及計算，采用此種方案后單個電機(jī)質(zhì)量約減少15 g，本方案雙電機(jī)對置式結(jié)構(gòu)布置通過內(nèi)外磁軛割槽可使壓縮機(jī)減輕質(zhì)量約30 g。

圖4 內(nèi)磁軛及外磁軛結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure of inner and outer soft magnetic

1.2 壓縮機(jī)動力學(xué)設(shè)計

為減小壓縮機(jī)尺寸及質(zhì)量，線性壓縮機(jī)采用板彈簧支撐，直線電機(jī)和壓縮活塞對置分布。活塞和磁鋼組件通過機(jī)械連接一起運動，組成動子部件（m），其受力模型如圖5所示。

圖5 動子受力分析模型Fig.5 Force analysis model of the moving parts

在運行過程中，活塞受到彈簧力ks、機(jī)械阻尼cf、電磁力Fe以及氣體力Fg的作用，當(dāng)電機(jī)通以交流電后，帶動活塞往復(fù)運動，實現(xiàn)對氣體的做功。其電壓平衡方程和運動控制方程如式（1）、式（2）所示：

式中：Mc為動子質(zhì)量；ac為動子加速度；U為驅(qū)動電壓；Re為線圈電阻；I為電機(jī)電流；Xe為電機(jī)電感值；α為電機(jī)比推力；vc為活塞運行速度；Rm,c為壓縮機(jī)的機(jī)械阻尼；ks,c為機(jī)械彈簧剛度；xc為活塞位移；pc為壓縮腔與背壓腔壓差；Ac為活塞面積。

壓縮機(jī)中，活塞所受的氣體力可以分解為同相位的彈簧力Fgas-k和同相位的阻尼力Fgas-use，其等效氣體彈簧剛度kgas及等效氣體阻尼cgas表達(dá)式為式（3）、式（4）。

式中：φ為壓力波超前壓縮活塞位移的相位角；Xc為活塞位移幅值；ΔPc為壓力波幅值。

當(dāng)電機(jī)驅(qū)動活塞后，工質(zhì)在壓縮腔內(nèi)按照P-V進(jìn)行熱力學(xué)逆循環(huán)，壓縮機(jī)對氣體做功以PV功的形式被工質(zhì)吸收，其出口處平均PV功計算如式（5）所示：

由式（5）可知，針對同一冷指，當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力波和掃氣容積相同，采用相同的頻率驅(qū)動壓縮機(jī)時，理論上線性壓縮機(jī)的活塞面積和行程存在多種組合，可實現(xiàn)相同的制冷性能。相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)對制冷機(jī)整機(jī)的動力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，確定了活塞受力及運動的最佳相位關(guān)系，為制冷機(jī)整機(jī)的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，但是針對活塞位移及行程如何進(jìn)行設(shè)計及優(yōu)化，未做深入的研究[7-9]?；趧恿W(xué)模型分析計算可知，活塞面積越小時，行程較大，壓縮機(jī)軸向尺寸越大；活塞面積越大時，徑向尺寸越大。因此，要完成壓縮機(jī)輕量化設(shè)計，且能與氣動式斯特林冷指耦合后取得較高的效率，必須對壓縮機(jī)的活塞直徑和行程進(jìn)行優(yōu)化。

當(dāng)掃氣容積一定時，隨著活塞面積的增大，氣體作用面積增大，壓縮活塞的位移幅值減小，因此在相同的充氣壓力下氣體彈簧剛度和氣體阻尼增加，如圖6（a）所示。從圖6（b）可以看出，當(dāng)活塞直徑從10.5 mm減小至8.0 mm時，壓縮機(jī)的動質(zhì)量由109 g減至48 g。當(dāng)采用對置式結(jié)構(gòu)時，整機(jī)質(zhì)量可減少100 g以上。另外，當(dāng)活塞直徑減小時，根據(jù)壓縮機(jī)動力學(xué)計算可知，壓縮機(jī)的輸入功率和電流逐漸減小，PV功效率和電機(jī)效率則逐漸上升。當(dāng)活塞直徑由10.5 mm減小至8 mm時，壓縮機(jī)的功耗降低了9 W，如圖6（c）所示，電機(jī)效率由57%升高至78%，如圖6（d）所示。但是，壓縮機(jī)在實際運行的過程中，會由于零部件裝配無法避免的差異導(dǎo)致對置活塞位移幅值并不完全相等。結(jié)合活塞在實際運行過程中平衡位置的偏移情況，為保證高溫環(huán)境下制冷機(jī)可正常運行，活塞在額定工況下的位移幅值不應(yīng)超過電機(jī)許用位移幅值的2/3。因此，壓縮活塞直徑設(shè)計為9 mm，對應(yīng)的活塞位移幅值約為2.4 mm，壓縮機(jī)動質(zhì)量為67 g。

圖6 固定掃氣容積下壓縮機(jī)關(guān)鍵參數(shù)隨活塞直徑的變化曲線Fig.6 key parameters of compressor change with the diameter of piston

1.3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)直線電機(jī)、活塞和氣缸的尺寸確定后，須針對壓縮機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如磁鋼骨架、線圈骨架及氣缸座，通過材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及強(qiáng)度校核等進(jìn)行輕量化設(shè)計。

磁鋼骨架與磁鋼通過膠黏工藝固定，為增加兩者的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，在磁鋼骨架上增加槽型結(jié)構(gòu)用以儲膠。另外，為減少直線電機(jī)的漏磁，且在氣隙寬度的限制下滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，磁鋼骨架采用鈦合金加工。

動磁式線性壓縮機(jī)采用外置線圈，不銹鋼線圈骨架與氣缸座、端蓋等不銹鋼零件通過激光焊接固定在一起，作為薄壁承壓結(jié)構(gòu)將背壓腔與大氣環(huán)境隔離開。結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，進(jìn)行應(yīng)力分析和優(yōu)化，在減輕質(zhì)量的同時須保證強(qiáng)度。設(shè)計的線圈骨架結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布如圖7所示，其最大形變?yōu)?.016 mm，此時充氣壓力為4 MPa。線圈與磁鋼之間的單邊間隙為0.8 mm，正常充氣壓力為2.5 MPa左右，表明線圈骨架的強(qiáng)度可滿足使用要求。優(yōu)化設(shè)計后，單個線圈骨架質(zhì)量約50 g。關(guān)鍵零件實物照片如圖8所示。

圖7 線圈骨架結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress distribution of coil framework

圖8 壓縮機(jī)關(guān)鍵零部件實物圖Fig.8 Critical parts of the compressor

2 實驗測試結(jié)果

壓縮機(jī)實物如圖9所示，其直徑為44 mm，長度為114 mm。為驗證動力學(xué)輕量化分析的準(zhǔn)確性，為壓縮機(jī)預(yù)留了配重空間。通過調(diào)節(jié)配重塊的質(zhì)量來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)動質(zhì)量，從而實現(xiàn)壓縮機(jī)固有頻率點的調(diào)節(jié)。根據(jù)理論計算結(jié)果可知，活塞直徑9 mm對應(yīng)的動質(zhì)量為67 g，可采用鎢鋼制作配重塊。作為對比，另外加工不銹鋼配重塊，使配重后動質(zhì)量為60 g。圖10為空載掃頻結(jié)果，測試過程中驅(qū)動電壓為4V。由測試結(jié)果可知，動質(zhì)量為60 g時，壓縮機(jī)空載的固有頻率為40 Hz；動質(zhì)量為67 g時，固有頻率為37 Hz。采用鎢鋼配重時，壓縮機(jī)在空載共振點功耗有所降低。

圖9 壓縮機(jī)實物樣機(jī)Fig.9 Experimental prototype of the compressor

圖10 不同配重空載掃頻測試結(jié)果Fig.10 The current vary with frequency on no-load condition

對不同配重的壓縮機(jī)耦合直徑為9 mm的氣動式斯特林冷指進(jìn)行測試。充氣壓力為2.2 MPa，常溫工況（23℃）下，固定熱負(fù)載為1.3 W，調(diào)節(jié)電壓及頻率使冷盤溫度維持在77 K，各參數(shù)變化如圖11所示。從圖11（a）可以看出，動質(zhì)量為60 g時，輸入功率為38 W；動質(zhì)量為67 g時，輸入功率為35.5 W。當(dāng)動質(zhì)量為67 g時，壓縮機(jī)電流及功率因數(shù)均明顯低于60 g，如圖11（b）所示。當(dāng)頻率從54 Hz增加到74 Hz時，67 g動質(zhì)量的功率因數(shù)從0.9增加到0.96，工作電流最小為3.64 A；60 g動質(zhì)量的功率因數(shù)則從0.83增加至0.91，最小工作電流為3.68 A，如圖11（c）所示。從圖11（d）可以看出，當(dāng)壓縮機(jī)驅(qū)動頻率為70 Hz時，動質(zhì)量為67 g的相對比卡諾效率超過14%，而動質(zhì)量為60 g時的比卡諾效率則接近13%。

圖11 不同配重下整機(jī)性能參數(shù)變化曲線Fig.11 Performance parameters of the cooler vary with the driven frequency

當(dāng)冷頭溫度維持在77 K時，制冷量隨輸入功率的變化如圖12所示，動質(zhì)量為67 g時的最大制冷量為1.9 W@77 K，此時輸入功率為64 W；動質(zhì)量為60 g時，最大制冷量為1.8 W@77 K，此時輸入功率為66 W。

圖12 不同配重時制冷量隨輸入功率的變化曲線Fig.12 The cooling capacity change with input power

由上述測試結(jié)果可知，用性能較優(yōu)的配重得到的壓縮機(jī)性能與理論分析中直徑9 mm的壓縮機(jī)所對應(yīng)的67 g動質(zhì)量一致，進(jìn)一步驗證了動力學(xué)理論分析過程的準(zhǔn)確性。稱重結(jié)果表明，壓縮機(jī)整機(jī)質(zhì)量約787 g，耦合氣動式膨脹機(jī)后，整機(jī)質(zhì)量小于950 g，比質(zhì)量小于0.73 kg/W。

3 結(jié)論

設(shè)計并研制了一款微型輕量化動磁式線性壓縮機(jī)，質(zhì)量為787 g。研究結(jié)論如下：

（1）采用了動磁式直線電機(jī)設(shè)計，磁路合理，比推力設(shè)計滿足使用要求；采用內(nèi)外軟磁割槽方案實現(xiàn)了電機(jī)鐵損優(yōu)化及電機(jī)的輕量化；

（2）對壓縮機(jī)的動力學(xué)分析表明，當(dāng)壓縮機(jī)的掃氣容積一定時，在一定范圍內(nèi)，壓縮機(jī)的動質(zhì)量隨活塞面積的減小而減小，PV功效率及電機(jī)效率會逐漸上升，但活塞位移幅值逐漸增大。在進(jìn)行壓縮機(jī)輕量化設(shè)計時，需結(jié)合直線電機(jī)動子的許用位移幅值進(jìn)行考慮；

（3）耦合氣動式斯特林冷指實驗測試證明，環(huán)境溫度為23℃時可實現(xiàn)的額定制冷量為1.3 W@77 K@35.6 W，此時比卡諾效率為14.1%，比質(zhì)量小于0.73 kg/W，最大制冷量為1.9 W@77 K@64 W。