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斯特林发动机设计要点
以斯特林发动机是一种热机，它利用热量转化为机械能。
它的设计要点包括以下几个方面：
1. 工作原理
以斯特林发动机的工作原理是基于热力学循环的。
它通过两个不同温度的热源之间的温差来产生动力。
在发动机中，气体在两个活塞之间循环，通过加热和冷却来产生压力差，从而驱动活塞运动，产生机械能。
2. 热源
以斯特林发动机需要两个热源，一个是高温热源，一个是低温热源。
高温热源可以是燃烧燃料产生的热能，低温热源可以是大气或水等自然界中的低温环境。
热源的选择对发动机的效率和性能有很大影响。
3. 活塞
以斯特林发动机中的活塞是发动机的核心部件，它通过压缩和膨胀气体来产生机械能。
活塞的设计需要考虑到气体的压力和温度变化，以及活塞的材料和结构强度等因素。
4. 热交换器
热交换器是以斯特林发动机中的另一个重要组成部分，它用于将高温热源和低温热源之间的热量传递。
热交换器的设计需要考虑到热量传递的效率和热损失的减少，以提高发动机的效率和性能。
5. 制冷系统
以斯特林发动机可以用于制冷系统，它可以将低温热源转化为制冷能力。
制冷系统的设计需要考虑到制冷效率和制冷能力，以及制冷系统的稳定性和可靠性等因素。
以斯特林发动机的设计要点包括工作原理、热源、活塞、热交换器和制冷系统等方面。
这些要点的合理设计可以提高发动机的效率和性能，使其在工业、航空、航天等领域得到广泛应用。
一种基于PID控制算法的斯特林制冷机驱动控制电路设计斯特林制冷机是一种常用的高温恒温装置，广泛应用于工业和科研领域。
为了提高斯特林制冷机的性能和稳定性，本文设计了一种基于PID（比例-积分-微分）控制算法的斯特林制冷机驱动控制电路。
该电路通过传感器实时监测温度信号，并经过PID 控制器处理，依据误差信号实现斯特林制冷机的驱动控制。
1.引言斯特林制冷机是一种热力循环设备，通过周期性的压缩和膨胀过程将热能转化为冷能。
传统的斯特林制冷机控制电路通常接受恒温控制方式，即在设定温度范围内保持恒定温度。
然而，由于环境温度、负载变化等因素的影响，传统的恒温控制方式存在温度波动较大的问题。
因此，提出一种基于PID控制算法的斯特林制冷机驱动控制电路对于提高斯特林制冷机的性能和稳定性具有重要意义。
2.PID控制算法原理PID控制算法是一种常用的闭环控制算法，它通过比例、积分和微分控制三个环节来调整控制系统的输出，以达到期望的目标。
其中，比例控制器通过调整输入和输出之间的比例干系来减小误差；积分控制器通过将误差累积起来来减小稳态误差；微分控制器通过思量误差变化率来减小系统过冲和震荡。
PID控制算法通过合理设置比例、积分和微分系数，可以控制系统快速、稳定地达到期望状态。
3.斯特林制冷机驱动控制电路设计为了实现基于PID控制算法的斯特林制冷机驱动控制，起首需要采集温度信号。
本文接受温度传感器实时监测斯特林制冷机的温度。
传感器将温度信号转化为电信号，并通过放大电路进行放大和滤波。
接下来，将放大后的信号输入到PID控制器中。
PID控制器通过比例、积分和微分控制三个环节对输入信号进行处理。
比例环节通过调整比例系数，按比例调整控制器输出；积分环节通过积分系数将误差信号进行累积处理；微分环节通过微分系数调整误差变化率。
通过不息地调整比例、积分和微分系数，PID控制器可以使输出信号逐渐趋于稳定。
最后，将PID控制器的输出信号输入到斯特林制冷机的驱动电路中。
直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述直线电机驱动的斯特林制冷机是一种新型的制冷技术，它利用了直线电机的优势和斯特林制冷循环的原理，实现了高效、环保的制冷效果。
本文将对直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计进行详细探讨。
直线电机是一种能够将电能转化为直线运动的电机，其结构与传统的旋转电机有所不同。
它由定子和推子组成，推子在定子的引导下直线运动。
相比于旋转电机，直线电机具有体积小、重量轻、寿命长、无噪音等优点，因此在各个领域得到了广泛应用。
斯特林制冷机是一种基于气体的制冷循环原理的制冷设备。
它利用气体的压缩与膨胀来实现制冷效果。
该制冷循环具有高效、稳定、无污染等特点，被广泛应用于冷链物流、制药、电子设备等领域。
直线电机驱动的斯特林制冷机将这两种技术结合在一起，借助直线电机的驱动力，实现了斯特林制冷机的工作。
通过合理的结构设计和控制策略，使得直线电机能够精确地驱动斯特林制冷机的各个部件，从而实现高效的制冷效果。
本文主要围绕直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计展开讨论。
首先介绍直线电机驱动的斯特林制冷机的基本原理和工作原理，以便读者对该技术有一个清晰的认识。
然后深入探讨直线电机的选型和设计要点，包括推子的材料选择、定子结构设计等方面。
最后总结本文的内容，并展望直线电机驱动的斯特林制冷机在未来的发展前景。
通过本文的研究和论述，读者可以对直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计有一个全面的了解，为相关领域的研究和应用提供参考和借鉴。
同时也将为推动制冷技术的发展和创新做出一定的贡献。
1.2文章结构1.2 文章结构本文将按照以下结构来进行叙述和分析直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计：第二章将重点介绍直线电机驱动的斯特林制冷机的原理和工作方式。
首先，将简要介绍斯特林制冷机的基本原理和传统的驱动方式。
然后，重点讲解直线电机作为一种全新驱动方式的优势和特点。
同时，将详细介绍直线电机在斯特林制冷机中的应用，并对其工作原理进行深入分析和解释。
自由活塞斯特林发电机的动力学特性研究陈曦;郑朴;罗兰【摘要】将自由活塞斯特林发动机与直线发电机耦合，构成自由活塞斯特林发电机。
分析了该发电机的系统结构和运行机理，建立了自由活塞斯特林发电机的质量－弹簧－阻尼系统模型。
利用力多边形方法对自由活塞斯特林发电机的动力活塞和配气活塞进行了动力学分析，在力多边形图上可以直观地看出自由活塞斯特林发电机的受力情况以及位移或压力相位角之间的关系，并利用示功三角形表征了压缩功和膨胀功。
此外，还对直线发电机的输出特性进行了研究，推导了输出功率的计算公式。
研究表明，通过调节负载参数，可以控制自由活塞斯特林发电机的输出功率。
%Frww-piston Stirling gwnwrator was composwd of frww-piston Stirling wnginw and linwar gwnwrator.Thw systwm structurw and thw opwration mwchanism of frww-piston Stirling gwnwrator wwrw analyzwd,and a mass-spring-dampwr modwl was built.Baswd on thw forcw polygon mwthod,thw dynamic analysis on piston and displacwr of frww-piston Stirling gwnwrator was takwn.Thw forcws on frww-piston Stirling gwnwrator and thw phasw shift bwtwwwn displacwmwnt and prwssurw wavw wwrw obtainwd dirwctly on thw forcw polygon diagram.Triangular indicator diagrams wwrw uswd to indicatw thw powwr in comprwssion spacw and wxpansion spacw rwspwctivwly.Bwsidws,thw output charactwristics of linwar gwnwrator wwrw studiwd, and thw calculation mwthod for thw linwar gwnwrator output powwr was dwvwlopwd.Thw study shows that thw output powwr can bw adjustwd by changing thw paramwtwrs of thw load.【期刊名称】《上海理工大学学报》【年(卷),期】2016(038)001【总页数】5页(P38-42)【关键词】自由活塞斯特林发电机;力多边形;直线发电机;动力学特性【作者】陈曦;郑朴;罗兰【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093【正文语种】中文【中图分类】TB6自由活塞斯特林发动机作为一种外燃式热机,具有结构简单、效率高、寿命长、噪声低等优点,可以利用清洁太阳能、放射性能源、地热能、生物能、余热等作为热源,并可使用He,H2,N2,甚至空气等环境友好气体做工质.直线发电机具有效率高、寿命长、响应快、精度高等优点,若将其与自由活塞斯特林发动机耦合,构成自由活塞斯特林发电机,可将两者优点充分发挥,更具有热-电效率高、寿命长等优点,满足能源高效利用和环境安全的要求[1-4].Karabulut[5]研究了自由活塞斯特林发动机动态特性随热端温度、活塞运动阻尼系数、配气活塞杆径、充气压力以及活塞支撑弹簧刚度的变化规律.Benvenuto等[6]研究了热-流-动力转化过程中的非线性关系对自由活塞斯特林发电机稳定性的影响,并指出校正非线性项的稳定效应可以设计出运行稳定的自由活塞斯特林发电机,而不必使用功率控制系统.Redlich等[7]运用线性动力学对自由活塞斯特林发动机进行理论分析,得到了发动机稳定运行的判据、确定振荡频率的方法以及摩擦对发动机启动特性的影响.Boucher等[8]建立了双自由活塞斯特林发动机动力学模型,对其动力学特性进行研究,并考虑了流体和电磁力的非线性耗散效应.李珂等[9]建立了1 kW自由活塞斯特林发电机实验平台,考察了不同热源下的发电机性能,其研究采用热声理论,没有对动力学与负载的耦合作用进行分析.刘心广等[10]对斯特林制冷机的动力学特性进行研究,采用了力多边形方法进行分析,具有很好的理论指导意义.陈曦等[11]实验研究了一台自由活塞斯特林制冷机,其结构和自由活塞斯特林发电机相似,但工作的动力学特性并不完全相同.自由活塞斯特林发电机的工作性能不仅与自身设计参数有关,而且受输入热源和工作负载的影响.本文利用力多边形方法,对自由活塞斯特林发电机的动力学特性进行研究,并分析直线发电机的输出特性.自由活塞斯特林发电机系统主要由自由活塞斯特林发动机、直线发电机、功率控制系统以及电能调节分配系统等组成.通过高温热源对自由活塞斯特林发动机热腔内气体进行加热,当其温度达到自启动温度时,发动机内部的活塞开始起振,将外界输入的热量转化为活塞往复运动的机械能,然后通过直线发电机将其转化为电能,实现热能-机械能-电能的转化.针对自由活塞斯特林发电机,建立其稳定运行时的质量-弹簧-阻尼系统模型，如图1所示,并对其进行动力学分析.图中,Mp,Md分别为动力活塞和配气活塞质量;D1为动力活塞阻尼器;D2为动力活塞和配气活塞间相对运动阻尼器;D3为配气活塞阻尼器;D4为发电机壳体阻尼器;Kp,Kd分别为支撑动力活塞和配气活塞的板弹簧刚度;Kc为壳体与地面间支撑结构刚度;Fp,Fd,Fe分别为动力活塞所受的气动力、配气活塞所受的气动力和动力活塞所受的电磁力;pe,pc和pb分别为膨胀腔压力、压缩腔压力和背压腔压力.由于壳体质量较动力活塞和配气活塞都要大,其作用在受力平衡中可以忽略不计.在自由活塞斯特林发电机中,动力活塞和配气活塞调谐作为一个质量-弹簧-阻尼振荡系统,必须具有正确的相位关系以完成气体的循环,且在循环任意时刻所受到的力为作用在其上所有力的合力,而这些力必须按照一定的排列方式相互作用,以保证发电机在允许的运行工况下都能正常运行[12].为便于描述自由活塞斯特林发电机的稳定运行,假设其运动规律按正弦变化.2.1 动力活塞的力多边形分析根据牛顿第二定律,对自由活塞斯特林发电机的动力活塞进行受力分析,可得式中：第一个方程的各项意义依次为动力活塞的惯性力、粘性阻尼力、弹簧力、气动力和电磁力;xp为动力活塞位移;cp为动力活塞阻尼系数;Δp为压缩腔与背压腔内气体压力差;Ap为动力活塞横截面积;B为直线发电机的磁感应强度,L为直线发电机的线圈长度,i为直线发电机的电流.若设定动力活塞的运动初始相位角为零,并由于发动机背压腔内压力pb变化很小,可认为pb=pm,pm为充气压力,是常数.故有式中:Xp为动力活塞振幅;ω为简谐振动的圆频率;ΔP为压缩腔与背压腔内气体压力差的波幅;α为动力活塞位移相位领先于压缩腔压力相位的相位角;I为直线发电机电流幅值;ψ为发电机电流相位领先于动力活塞位移相位的相位角.将式(2)～(5)代入式(1),并化简可得若用力多边形的方法将式(6)中各量表示在笛卡尔坐标系中,则可以得到自由活塞斯特林发电机动力活塞的力多边形图,如图2所示.图中各向量仅表示其物理参量的相位关系及相对大小,且它们具有相同的频率,但不代表实际向量力的方向.若定义由气动力和弹簧力及其夹角构成的三角形为示功三角形(三条绿色虚线所包围),由图2可知,动力活塞示功三角形的面积Sp为KpXpΔPApsinα由式(2)和式(4)可得,压缩功为Wc=n∮pcd(Apxp)=nπΔPApXpsinα式中 ,n为运行频率.联立式(7)和式(8)，可以得到所以,示功三角形面积Sp可表征理论功的相对大小,且压缩功与示功三角形面积的比值与运行频率成正比,与板弹簧刚度成反比,但其物理意义与功稍有不同.2.2 配气活塞的力多边形分析在自由活塞斯特林发电机中,配气活塞的运动主要受气动力和板弹簧弹簧力的影响,并通过运动产生的气流质量分配和动量分配改变气动力和气流阻尼来影响动力活塞运动.对配气活塞进行受力分析,得Mdx″d+cdx′d+Kdxd+Fd=0式中:各项意义依次为配气活塞的惯性力、粘性阻尼力、弹簧力和气动力;xd为配气活塞位移;cd为配气活塞阻尼系数.且有Fd= peAd-pc(Ad-Ar)-pbAr=式中:Xd为配气活塞振幅;θ为配气活塞位移领先于动力活塞位移相位角;ΔpR为回热器两端压差;Ar为配气活塞杆横截面积;Ad为配气活塞横截面积.对于自由活塞斯特林发电机,若忽略工质通过回热器的压降,有pc =pe,则根据自由活塞斯特林发电机内位移-压力间相位关系,式(13)可以表示为则式中:β为配气活塞位移相位领先于膨胀腔压力相位的相位角;φ为压缩腔压力领先于膨胀腔压力的相位角.将式(11)、(13)代入式(10)可得同理可得配气活塞的力多边形,如图3所示.配气活塞示功三角形(三条绿色虚线所包围)的面积Sd为KdXdΔPArsinβ忽略回热器压降时,pc=pe,并由式(4)、(11)可得,膨胀功为在不考虑回热器压降时,气体通过回热器的压力相位差φ=0,并联立式(15)、(17)、(18)可得到膨胀功和示功三角形面积Sd的关系综上所述,可得自由活塞斯特林发电机的力多边形,如图4所示.且在忽略所有压降时,动力活塞和配气活塞的气动力是同相的,即φ=0.从图4中可以清楚地看出发电机的受力情况、位移和压力相位角之间的关系、动力活塞示功三角形(红色)和配气活塞示功三角形(绿色).另外,由于配气活塞的质量较动力活塞小,且作用在配气活塞上的压力受力面积仅为配气活塞杆横截面积(不考虑回热器两端的压降),造成配气活塞力多边形的面积较动力活塞力多边形的面积小. 直线发电机作为自由活塞斯特林发电机的关键部件,把斯特林发动机动力活塞往复运动的机械能转化为电能，并产生电压,进而在负载电路中形成电流并输出功率,同时在发电机动子上产生电磁阻尼力完成能量转换过程,因而其输出特性对自由活塞斯特林发电系统有着重要的影响[13].由法拉第电磁感应定律并结合式(2)可知,直线发电机输出电压可表示为e(t)=NBLXpωcos(ωt)式中：N为直线发电机线圈匝数.因而,若假设负载电路中负载的电阻为R,直线发电机线圈的电阻为r,则电路中的瞬时电流可表示为NBLXpωcos(ωt)当直线发电机电路中有电流通过时,将在发电机的动子(即动力活塞)上产生力的作用,该力与安培力为作用力与反作用力,故动力活塞受到的瞬时电磁阻尼力Fe可表示为由式(20)、(21)可得到电阻元件电路中发电机输出的理论平均电功率为事实上,负载电路并不是纯阻性的,也可能有感性(电流滞后于电压)或容性(电压滞后于电流)负载,也就是说发电机内的电流和电压间存在一定的相位差,这时式(22)应表征为对上式进行化简可得式中：L′为电路中的电感;C为电路中的电容;φ为电流滞后于电压的相位角.其中φ对于同步直线发电机,在纯阻性电路中发电机的输出电压与电路中的电流是同相的,且领先于动力活塞位移90 °。
直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计一、引言斯特林制冷机是一种利用可逆循环原理制冷的热机设备。
它通过将工质在低温和高温工况下压缩和膨胀，从而实现制冷效果。
而直线电机则是一种将电能直接转换为机械能的设备，具有简单结构、高效率等优点。
将直线电机应用于斯特林制冷机的驱动系统中，可以提高系统的运行效率和稳定性。
本文将对基于直线电机驱动的斯特林制冷机的结构设计进行探讨。
二、直线电机驱动的斯特林制冷机结构设计1. 斯特林制冷机基本结构斯特林制冷机的基本结构包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四部分。
压缩机负责将低温工质压缩到高温高压状态，冷凝器将高温高压工质冷却至高压液态，膨胀阀将高压液态工质膨胀为低压液态，最后在蒸发器中吸收外界热量，实现制冷效果。
2. 直线电机驱动系统设计直线电机具有高速度、高效率和高精度等特点，适合用于驱动斯特林制冷机。
直线电机驱动系统设计应包括电机、传动系统、控制系统等部分。
电机选用高效率、高性能的直线电机，通过传动系统将电能传递到制冷机的压缩机上，控制系统可根据实际工况对电机进行精确控制。
3. 结构设计优化为提高直线电机驱动的斯特林制冷机的性能，需要对结构进行优化设计。
首先要设计合理的传动系统，确保电能传递的效率和稳定性；其次要优化制冷机的整体结构，减小系统的能耗和体积；最后要优化控制系统，实现对电机的精确控制。
4. 实验验证设计完成后，需要进行实验验证以验证系统的性能和稳定性。
通过实验可以对设计方案进行调整和改进，确保系统达到设计要求。
实验数据也可用于系统的性能评估和优化。
三、结论直线电机驱动的斯特林制冷机结构设计具有广阔的应用前景。
通过合理设计和优化，可以提高制冷机的性能和效率，进而降低能耗和减小体积。
未来，随着直线电机技术的进一步发展，直线电机驱动的斯特林制冷机将在制冷领域发挥更大的作用。
第二篇示例：直线电机驱动的斯特林制冷机是一种先进的制冷技术，它利用直线电机驱动系统使得其性能更加稳定和高效。
旋转整体式斯特林制冷机计算机辅助动力学设计叶重;绳春晨;王波;罗高乔;单伟根【摘要】In order to shorten the development cycle and improve the design efficiency and reduce the development costs,a dynamic design method based on CAD technology was proposed for integral rotary Stifling cryocooler.According to physical dimensions,input power and vibration output,etc.,the dynamic design of Stifling cooler was studied by computer aided design focused on rotating motor,bearing type selection,flywheel design and crank-connecting rod mechanism strength checking.Based on Pro/E 3D design software,the model of the Stirling cooler was built and imported into Adams virtual prototype software for dynamics simulation analysis.Then the simulation analysis results were imported into the Ansys finite element software to check the strength of the cooler components.The cooling capacity of the designed Stirling cooler was 1.65 W@80 K/23 ℃,27％ higher than the goal value,and the vibration output was 0.3N,25％ lower than the goal value.%为缩短旋转整体式斯特林制冷机的研发周期、提高设计效率及降低开发成本,提出了一种基于计算机辅助设计的旋转整体式斯特林制冷机动力学设计方法.根据外形尺寸、输入功率及振动输出等已知参数,重点从旋转电机、轴:选型、飞轮设计及曲柄连杆机构强度校核4个方面采用计算机辅助设计方式进行动力学设计研究.通过三维设计软件Pro/E对制冷机组件建模后导入Adams虚拟样机进行动力学仿真分析,将仿真分析结果导入Ansys有限元软件进行制冷机组件强度校核.通过该方法设计出的制冷机实测制冷量为1.65 W@80 K/23℃,比目标值提高27％,振动输出为0.3N,比目标值降低25％.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2017(000)004【总页数】7页(P29-35)【关键词】淀转整体式斯特林制冷机;动力学设计;虚拟样机【作者】叶重;绳春晨;王波;罗高乔;单伟根【作者单位】中国电子科技集团公司第十六研究所合肥230043;低温技术安徽省重点实验室合肥230043;中国电子科技集团公司第十六研究所合肥230043;低温技术安徽省重点实验室合肥230043;中国电子科技集团公司第十六研究所合肥230043;低温技术安徽省重点实验室合肥230043;中国电子科技集团公司第十六研究所合肥230043;低温技术安徽省重点实验室合肥230043;中国电子科技集团公司第十六研究所合肥230043;低温技术安徽省重点实验室合肥230043【正文语种】中文【中图分类】TB651斯特林循环是由两个等容过程与两个等温过程组成的热力循环，于1816年由苏格兰人斯特林提出，最初用于热力发动机。
小型斯特林制冷机动力学设计及试验霍英杰，闫春杰，许国太，王田刚，陈正刚（兰州物理研究所，真空低温技术与物理国家级重点实验室，甘肃兰州７３００００）摘要：介绍了小型斯特林制冷机动力学设计及试验情况。
通过试验，验证了斯特林制冷机动力学设计的准确性，达到了制冷机的谐振，降低了功耗，工作稳定性和可靠性得到相应的提高。
关键词：斯特林制冷机；动力学；设计；试验中图分类号：ＴＢ６５１；ＴＢ６１文献标识码：Ａ文章编号：１００６－７０８６（２００７）０１－００３２－０３ＴＨＥＤＹＮＡＭＩＣＳＤＥＳＩＧＮＡＮＤＴＥＳＴＯＦＴＨＥＤＩＭＩＮＵＴＩＶＥＳＴＩＲＬＩＮＧＣＲＹＯＣＯＯＬＥＲＨＵＯＹｉｎｇ－ｊｉｅ，ＹＡＮＣｈｕｎ－ｊｉｅ，ＸＵＧｕｏ－ｔａｉ，ＷＡＮＧＴｉａｎ－ｇａｎｇ，ＣＨＥＮＺｈｅｎｇ－ｇａｎｇ（ＬａｎｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｆＶａｃｕｕｍ＆ＣｒｙｏｇｅｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｅｓｔｏｆｔｈｅＳｔｉｒｌｉｎｇｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｖｅｒａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｓｖａｌｉｄａｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈａｓｅｒｉｅｓｏｆｔｅｓｔｓ．Ｔｈｅｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｃａｎｗｏｒｋａｔｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｃｅ．Ｔｈｅｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｅｄｂｙｔｈｅｃｒｙｏｃｏｏｌ－ｅｒｉｓｄｅｃｌｉｎｅ．Ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｔｉｒｌｉｎｇｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ；ｄｙｎａｍｉｃｓ；ｄｅｓｉｇｎ；ｔｅｓｔ１引言采用双活塞对置、板弹簧支撑、间隙密封、直线电机驱动技术，对于提高斯特林制冷机工作寿命和可靠性有非常大的作用。
这种结构通过减小或避免斯特林制冷机活塞与气缸之间的磨损，从而有效地提高了制冷机的寿命和可靠性［１］。
在研制小型斯特林制冷机的过程中，突出了小型斯特林制冷机质量轻、低功耗的特点；在设计中为了提高电机效率，对直线电机的定子磁极结构和动子的参数进行了优化设计，以保证斯特林制冷机动力学优化设计的实施。
在动力学设计中，注意抓住压缩机运动的特点，克服板弹簧和气体弹簧的非线性对压缩机谐振的影响，使研制的小型斯特林制冷机达到谐振。
其固有频率接近最佳热力学频率，制冷机在此频率下工作，兼顾了热力学和动力学效率，从而达到功耗低、制冷效率高的目的，运行稳定，工作可靠。
２动力学设计双驱动斯特林制冷机中，绝大部分功率被压缩机消耗，如果在设计中使压缩机达到谐振，同时使压缩机固有频率接近制冷机热力学频率，则能降低制冷机的功耗，提高制冷效率。
在动力学设计中，主要进行了压缩机动子谐振设计和直线电机的优化设计。
压缩机活塞受力状态如图１所示，其力平衡方程为ｆ１＝ｆ２－（ｆ３＋ｆ４）（１）收稿日期：２００６－０７－２６．基金项目：真空低温技术与物理国家级重点实验室基金（５１４７５０５０１０３ＨＴ６００２）资助。
作者简介：霍英杰（１９７２－），男，陕西省绥德县人，高级工程师，从事空间机械制冷技术研究。
第１３卷第１期２００７年０３月真空与低温Ｖａｃｕｕｍ＆Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ３２式中ｆ２＝ｍａ；ｆ３＝（ｐｃ－ｐｂ）×Ａ；ｆ４＝ｋｘ；ｍ为动子质量；ｋ为机械弹簧刚度；Ａ为活塞截面积；ｐｃ为压缩腔压力；ｐｂ为背压腔压力；ａ为动子加速度；ｘ为动子位移。
如图１和式（１）所示，惯性力总是和气体弹簧力及机械弹簧力方向相反，电机则提供由此产生的不平衡力。
在谐振状态下，弹簧力（气体和机械弹簧）被惯性力抵消，这样使得这种不平衡力最小，电机推力也相应最小，在这种情况下可以得出谐振频率仅与弹簧力有关。
压缩腔压力的变化过程是通过热力学计算求出，机械弹簧力由弹簧测试试验确定，如图２所示［２，３］。
由此可以计算出小型斯特林制冷机的最佳频率约为５１Ｈｚ，用同样的方法可以计算出冷头的固有频率为６２Ｈｚ。
试验证明，这样的频率匹配能够在效率较高的情况下，保证压力波和回热器振幅之间的相位差在８０°左右，有利于提高制冷机的制冷性能。
对直线电机进行了优化设计。
定子的设计要保证在有限的空间内，气隙磁密高而且均匀，在设计中使用电磁场有限元计算软件分析，通过比较不同的磁路结构，优化采用复合励磁的定子结构；在气隙高度为４ｍｍ时，气隙磁密平均为０．５５Ｔ，磁场分布均匀，气隙中大部分磁力线垂直于线圈体。
磁场分布如图３所示。
动子采用长音圈型式，增大了线圈的有效长度，提高了电机的推力；考虑了强度和涡流损耗的影响，在线圈骨架设计中采用了金属和非金属结合的结构，既能达到动圈具有良好的刚度，防止径向变形，又能完全避免线圈骨架在磁场中运动产生的电磁阻尼，从而有利于达到压缩机动子的谐振。
图２板弹簧测试图３直线电机气隙磁场分布３试验结果３．１制冷机谐振频率测试对制冷机在专用试验台上进行工作频率和活塞振幅关系的试验，以便测试制冷机在充气工作时的谐振频率。
试验设定制冷机控制器输出功率（２．７Ｗ）不变，通过改变充气压力，测试在不同充气压力时的谐振频率。
因为在相同的输入功率下，谐振时振幅最大，根据振幅的变化情况确定谐振频率。
试验曲线如图４和图５所示。
试验表明，随着充气压力的增大，压缩机的谐振频率增大，但增大到１．５ＭＰａ时，压缩机谐振频率接近５０Ｈｚ，不再随着充气压力的增大而明显增大。
冷头的谐振频率亦有这样的趋势和规律。
在试验中可以发现，随着充气压力的提高，压缩机的振幅将减小，如图６所示；冷头振幅也随着增加，在其固有频率６０Ｈｚ左右时，振幅最霍英杰等：小型斯特林制冷机动力学设计及试验３３大，如图７所示。
提高制冷机充气压力，气体弹簧的刚度增大，谐振频率增加，但增加到１．７～１．８ＭＰａ时，继续提高充气压力则对于谐振频率的增加已经不明显，只是增加了制冷量。
由于试验中设定制冷机控制器输出功率不变，电机推力也不变，所以当气体弹簧刚度增大时，造成不平衡力增大，在此情况下压缩机振幅持续减小。
然而冷头在充气压力为１．７～１．８ＭＰａ时，由于此时的工作频率接近其固有频率，所以振幅最大。
从试验中测得在充气压力为１．７～１．８ＭＰａ时，制冷机的谐振频率为５０Ｈｚ左右，此时压缩机的工作达到谐振，与设计值接近，与冷头的谐振频率偏移较大。
理论和试验证明，这种偏移对于保持压力波和冷头排除器之间的适当相位很关键，同时这一频率和热力学最佳频率接近。
所以确定以此种参数为制冷机运行参数。
图６压缩机充气压力－振幅曲线图７冷头充气压力－振幅曲线３．２制冷机降温试验按照测试中确定的参数将制冷机充气到１．８ＭＰａ，设定控制器频率为５０Ｈｚ。
在制冷机冷头装镍铬－康铜热电偶测温，装５ｇ电阻加热器测量制冷机冷量。
进行降温试验，降温曲线如图８所示。
从试验结果看，制冷机在６ｍｉｎ的时间内降温到８０Ｋ，２０ｍｉｎ内最低温度降到６０Ｋ，测得制冷量８０Ｋ7０．２８Ｗ，功耗２４Ｗ。
可以看出功耗由于压缩机的谐振而大幅减小，制冷量和制冷温度满足设计要求。
该制冷机在实验室已连续运行了２年多。
４结论由于斯特林制冷机中板弹簧和气体弹簧的非线性，以及某些阻尼的不确定性，所以斯特林制冷机的动力学设计较为复杂。
在设计中抓住主要的因素，对制冷机的动力学系统进行估算和设计，在设计参数的指导下，注意板弹簧、活塞配副等零件的选配，以达到压缩机的谐振状态。
斯特林制冷机的谐振频率的设计要和热力学最佳频率相合或接近，以获得最佳的制冷机性能。
充气压力（下转第４０页）对于制冷机的谐振频率有一定的影响。
对于小型斯特林制冷机，充气压力在１．８ＭＰａ左右时，制冷机谐振频率为５０Ｈｚ，在此频率下工作，制冷机性能最佳。
保持压缩机和冷头固有频率之间有一定程度的差值，有利于制冷机保证适当的工作相位。
参考文献：［１］朱建炳，潘雁频．星载斯特林制冷技术研究进展［Ｊ］．真空与低温，２００５，１１（３）：１３１～１３７．［２］ＹＵＡＮＳＷＫ，ＮＡＥＳＬＧ，ＮＡＳＴＴＣ．ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｎａｔｕｒｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅＮＡＳＡ８０Ｋｃｏｏｌｅｒｂｙｔｈｅｓｔｉｒｌｉｎｇｒｅｆｒｉｇｅｒａ－ｔｏｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ，１９９４，３４（５）：３８３～３８８．［３］ＹＵＡＮＳＷＫ，ＳＰＲＡＤＬＥＹ，ＩＥＡＡ．ｔｈｉｒｄｏｒｄｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒｍｏｄｅｌｆｏｒＳｔｉｒｌｉｎｇｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒｓ［Ｊ］．ＡｄｖＣｒｙｏｇＥｎｇ，１９９２，３７Ｂ：１０５５～１０６２．（上接第３４页）３．３温度对间隔材料有效低温热导率的影响图２、图３分别是玻璃纤维布、隔热纸有效低温热导率与温度的关系曲线。
从图中可以看出温度对两者的有效低温热导率影响较小，从室温到液氮温度仅变化了约２０％～３０％，特别是在低温下，热导率的变化非常小。
两者随温度变化趋势相近。
图２玻璃纤维布真空下有效低温热导率与温度曲线图３隔热纸真空下有效低温热导率与温度曲线４结论（１）薄层材料试样可采用叠厚的方法用平板热导率测定仪进行测试，但要有一定的试样厚度压缩量，以减小试样的接触热阻。
这个压缩量，需要进一步研究和探索。
（２）采用此方法进行测试的结果，相互间进行比较时，应有试样叠厚密度、层密度的数据，最好有单层厚度和叠厚的数据，以进行分析和比对。
（３）通过隔热纸和玻璃纤维布有效热导率测试数据的比较和分析，隔热纸的有效热导率要小于玻璃纤维布的有效热导率。
参考文献：［１］张建可，冀勇夫．低温贮箱聚氨酯泡沫塑料分层绝热模型与机理分析［Ｊ］，低温工程，１９９５，（２）：２５～２９．［２］ＧＢ^Ｔ３３９９－８２塑料导热系数试验方法———护热平板法［Ｓ］．［３］张建可，冀勇夫．碳纤维面板蜂窝夹层结构低温热导率测试研究［Ｊ］，真空与低温，２００３，９（１）：３５～３８．［４］徐烈．低温绝热与贮运技术［Ｍ］，北京：机械工业出版社，１９９９．。
