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1kg级高效动磁式线性压缩机的研制 摘要：空间应用对脉冲管制冷机提出了轻量化、小型化的需求。本文利用热动力联合仿真技术，将气体弹簧 力和负载力串联至压缩机动力设计中，实现热力参数和动力参数的联合仿真获得带冷指负载下的高匹配压 缩机设计；使用硅钢叠片工艺，减少内外磁轭中的涡流损失，提高压缩机效率。最终设计制造出质量小于1.1 ≥ 5kg，工作频率120Hz的压缩机，匹配冷指后压缩机电机效率均 80% （只考虑铜损）。34Wac 入功时脉管制 冷机提供1W@80K冷量。 关键词：热动力联合仿真；涡流损失；超高频；电机效率 0 前言 近年来微型化制冷技术迅速发展，其应用领域主要包括对微型卫星上红外 [1] [2] 探测器的冷却 、对地面及空间的高温超导器件 （如超导滤波器和超导量子干 [3] 涉仪SQUID）进行冷却以及对微电子机械系统（MEMS）的制冷 。其应用温区较 高（如一般仅需要冷却至70～150 K），需求冷量较小（如1～3 W），但是对制冷机的尺寸和质量有着近乎苛刻的要求（如部分应用需要整机质量 满足1 kg 以下），并要求制冷机具有较高的可靠性。 提高频率是减小制冷机体积和质量的有效途径。对于一定的制冷量需求，随 着频率的增加，声功密度增大，脉管制冷机的尺寸会减小。本文微型脉管制冷机 正是运用高频以及高的充 压力等各方面的配合，在制冷量和制冷效率不被大 幅消减的同时，高效的减小了压缩机、回热器以及脉管的尺寸。 国内外各单位的微型脉管制冷机性能详情汇总于表1。 表1 微型化脉管制冷机的性能比较 频率 入电功 年份 单位 重量（g） 制冷量 (Hz) (Wac) NGAS [4] 100 857 1.3W@7 49.1 7K 2008 NIST [5] 150 —— 0.53W@ 36 120K 2012 理化所[6] 100 —— 2.68W@ 44.5(PV) 77K 0.4W@1 Lockheed 25K 2014 100 328 25 Grumman[7] 0.69W@ 150K 国内在微型脉管制冷机的研究方面还处于起步阶段，尤其是压缩机与脉冲 管冷指的匹配是实现高整机效率的最大障碍。本文研究了针对高频脉管负载的 压缩机匹配设计方法，研制了一台1kg级高效动磁式线性压缩机，最终设计制造 出质量小于1.15kg，工作频率120Hz的压缩机，匹配冷指后压缩机电机效率85%（ 只考虑铜损）。25Wac 入功时脉管制冷机提供0.8W@100K冷量。 2 压缩机的研制 2.1热动联合仿真设计 本文采用了热动力联合仿真技术，导出热力设计软件的计算