集成式斯特林制冷机的制作方法

1.本技术涉及制冷技术领域，特别涉及一种集成式斯特林制冷机。


背景技术：

2.制冷型红外探测器能够探测目标与背景的微小温差，不仅适合对空间、远程、暗小目标探测，特别是在对超高速、高雷达隐身目标进行实时高分辨率识别方面具有优势，而且适合全天时和复杂电磁环境下独立使用，成为全球多维信息获取及战场态势感知的主要支撑技术。制冷型红外探测器组件已广泛应用于新一代红外侦察系统、精确制导武器、防空反导预警等装备，应用领域迅速扩展。制冷型红外探测器在工作范围、目标探测追踪，特别是快速移动目标的动态成像方面具有不可替代的优势，但制冷型探测器的成本较高，尺寸较大，限制了其战场应用。
3.随着科技的进步，高工作温度(high operation temperature)红外探测器件 (hot器件)的技术研究取得了巨大突破，探测器的工作温度得到大幅度提升。国外中波红外探测器的工作温度提高到130～150k温区，并有进一步提高到 150～200k的趋势。hot器件的研制成功，使得更小、更轻、效率更高的超小型斯特林制冷机研制成为可能，也成为国内外制冷机的研制热点。
4.随着红外探测器工作温度的提高，斯特林制冷机进入更小尺寸、更低质量、更高性能、更低功耗和更低成本(简称swap3)的发展方向。旋转电机驱动的整体式斯特林制冷机相比较直线电机驱动的分置式斯特林制冷机具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低等优点，可广泛用在80k温区的红外探测器上。
5.现有技术中记载了采用径向磁通结构进行旋转驱动的整体式斯特林制冷机，但这种整体式斯特林制冷机沿偏心轴的长度方向的尺寸较大，斯特林制冷机的尺寸仍有一定的降低空间。


技术实现要素：

6.基于此，为解决上述术问题，本技术提供一种尺寸小巧、结构紧凑的集成式斯特林制冷机。
7.本技术实施例提供一种集成式斯特林制冷机，包括：
8.偏心轴箱，内部具有灌注气体工质的密封腔体；
9.偏心轴，可绕一轴线方向转动地置于所述密封腔体内，具有偏心于所述轴线方向的偏心段和沿所述轴线方向的非偏心段；
10.定子组件，绕所述轴线方向设置且固定在所述密封腔体内；
11.转子组件，绕所述轴线方向设置于所述非偏心段上，且与所述定子组件之间具有沿所述轴线方向的气隙；
12.压缩连杆组件，置于所述密封腔体内且连接于所述偏心段；及
13.膨胀连杆组件，置于所述密封腔体内且连接于所述偏心段；
14.其中，所述定子组件与所述转子组件形成沿所述轴线方向设置的轴线磁通电机，以通过所述转子组件驱动所述偏心轴绕所述轴线方向旋转。
15.在其中一个实施例中，所述偏心轴箱包括外壳及端板，所述外壳具有开口，所述端板密封连接于所述开口处。
16.在其中一个实施例中，所述外壳上的所述开口呈圆形，所述端板呈与所述开口的形状相匹配的圆形板状。
17.在其中一个实施例中，所述外壳及所述端板采用铝合金材料制成，所述端板与所述外壳之间通过密封圈或者焊接密封连接。
18.在其中一个实施例中，所述偏心轴的两端分别连接于固定在所述外壳上的轴承和固定在所述端板上轴承。
19.在其中一个实施例中，所述偏心轴的一端连接于固定在所述外壳内的深沟球轴承的内圈，另一端连接于固定于所述端板内侧的推力球轴承的内圈。
20.在其中一个实施例中，所述定子组件固定在所述端板的内侧且与所述推力球轴承同轴设置。
21.在其中一个实施例中，所述端板的外侧凸伸出电机引线插针，所述电机引线插针沿轴线方向贯穿所述端板且通过绝缘烧结与所述端板之间形成电隔离。
22.在其中一个实施例中，所述定子组件包括定子铁芯及绕组，所述定子铁芯具有一垂直于所述轴线方向的底面，多个齿从所述底面沿所述轴线方向向着所述转子组件伸出，所述绕组包括多个线圈，每个所述线圈围绕所述齿布置并与所述齿电隔离；
23.所述转子组件包括转子盘及永磁体，所述转子盘套设在所述非偏心段上，多个所述永磁体固定在所述转子盘朝向所述定子组件的一侧上，所述永磁体沿所述轴线方向充磁，周向相邻的所述永磁体之间极性相反。
24.在其中一个实施例中，所述转子组件与所述定子组件之间的气隙为0.2mm。
25.本技术的集成式斯特林制冷机至少具有以下有益效果：本技术的集成式斯特林制冷机中，在偏心轴的轴线方向通过定子组件、转子组件形成轴向磁通电机，在保证斯特林制冷机性能的前提下，能够减小轴线方向的尺寸，使整体结构更加紧凑；此外，同等外径尺寸下轴向磁通电机相对传统的径向磁通电机具有扭矩密度的优势，可使得斯特林制冷机的体积重量更小、功耗更低。
附图说明
26.图1为本技术一实施例的集成式斯特林制冷机的剖视结构示意图；
27.图2为图1中的集成式斯特林制冷机的局部放大图；
28.图3为图2中的定子组件和转子组件的分解图。
29.图中各元件标号如下：
30.外壳10；端板20；偏心轴30；
31.定子组件40(其中，定子铁芯41、齿42、绕组33)；
32.转子组件50(其中，转子盘51、永磁体52)；
33.轴承60；电机引线插针70；压缩连杆组件80；膨胀连杆组件90；
34.斯特林制冷机100。
具体实施方式
35.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的较佳实施方式。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本技术的公开内容理解的更加透彻全面。
36.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“耦合”另一个元件，它可以是直接耦合到另一个元件或者可能同时存在居中元件，本文所谓的“接合”是指两个元件具有动力传输的联接。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上方”、“下方”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式，应理解的是，这些与空间相关的术语旨在除了附图中描绘的取向之外还涵盖设备在使用中或在操作中的不同取向，例如，如果设备在附图中被翻转，则描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件或特征将被取向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例术语“下方”可以包括上方和下方两种取向。
37.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本技术。本文所使用的术语“及/或”和“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
38.在径向磁通电机中，磁通量方向垂直于旋转轴沿径向设置，磁通路径相较于轴向磁通电机长得多，因为磁通路径从一个转子磁极到达定子的第一个齿，然后通过定子护铁到达第二个齿，直到再次到达另一个转子磁极。与径向磁通电机不同，轴向磁通电机的磁通量方向平行于旋转轴，具有更短且直接的磁通路径，磁通路径通过气隙直接从一个极点到达另一个极点。磁场的磁通路径较短有助于提高电机的效率和功率密度。此外，轴向磁通电机在绕组方面与径向电机相比也具有一定的优势。轴向磁通电机相对而言具有更高的有源绕组铜和更少的悬垂，如此则增加匝数的能力更强，并且由末端效应引起的热量更少。综合以上可知，轴向磁通电机可相对径向磁通电机以更少的材料和更紧凑的结构提供更高的输出功率。
39.基于此，在上述理论研究的基础上，本技术提供一种集成式斯特林制冷机，通过采用轴向磁通电机驱动旋转，从而在达到缩小尺寸的同时，还能达到减轻重量、降低功耗的效果。请结合参阅图1，本技术一实施例的集成式斯特林制冷机100包括外壳10、端板20、偏心轴30、定子组件40、转子组件50、压缩连杆组件80及膨胀连杆组件90，偏心轴30、定子组件40、转子组件50、压缩连杆组件80及膨胀连杆组件90均安装在外壳10、端板20所形成的空间内，转子组件50、压缩连杆组件80及膨胀连杆组件90均安装在偏心轴30上，定子组件40、转子组件50形成轴向磁通电机提供驱动偏心轴30转动的动力，通过偏心轴30的转动带动压缩连杆组件80、膨胀连杆组件90分别进行压缩和膨胀，从而实现制冷。
40.外壳10为中空结构且一侧开设有开口，端板20密封连接于外壳10的开口处，外壳10与端板20形成内部灌注气体工质的偏心轴箱。更具体地，外壳10 上的开口呈圆形，端板20呈与圆形开口的形状相匹配的圆形板状，端板20从外侧封闭开口，形成密封腔体。偏心轴
30、定子组件40、转子组件50、压缩连杆组件80及膨胀连杆组件90等封闭在外壳10与端板20所偏心轴箱内部的密封腔体内，且密封腔体内灌注有高压气体工质。
41.外壳10及端板20可采用铝合金材料制成，端板20与外壳10之间通过密封圈或者焊接的方式密封，使两者所形成的密封腔体内可承受高压气体(氦气) 工质。
42.偏心轴30定义一轴线方向，偏心轴30上具有偏心于轴线方向的偏心段和沿轴线方向的非偏心段。偏心轴30的两端通过轴承60安装在外壳10与端板 20所形成的密封腔体内，偏心段在偏心轴30绕轴线方向转动时绕轴线方向做偏心运动。具体地，偏心轴30的一端连接于安装在外壳10内的轴承60(深沟球轴承)的内圈，另一端连接于固定于端板20内侧的轴承60(推力球轴承) 的内圈，从而将偏心轴30可绕轴线转动地安装在外壳10内。偏心轴30的轴线方向与外壳10开口的中心线、端板20的中心线重合，推力球轴承嵌入在端板 20的中心孔位置，用于定子组件40、转子组件50形成承受轴向磁通电机旋转过程种产生的轴向力。
43.定子组件40安装固定在端板20的内侧且与推力球轴承同轴设置，转子组件50同轴安装固定在偏心轴30的非偏心段上。转子组件50与定子组件40之间沿轴线方向形成气隙，从而定子组件40与转子组件50形成沿轴向磁通电机，在通电后产生驱动偏心轴30绕轴线方向转动的动力。在某一具体实施例中，转子组件50与定子组件40之间的气隙为0.2mm左右，便于转子组件50的无阻挡旋转的同时也不影响闭合磁路的性能。
44.请结合参阅图2和图3，定子组件40包括定子铁芯41及绕组43，定子铁芯41具有一垂直于轴线方向的底面，多个齿42从底面沿轴线方向向着转子组件50伸出，在相邻齿42间形成绕组接纳槽(见图3)。绕组43为三相电绕组，三相电绕组包括多个线圈，每个线圈围绕定子铁芯41的齿42布置并通过绝缘胶带与齿42电隔离。
45.转子组件50具有一个转子盘51，转子盘51的中孔穿套在偏心轴30的非偏心段上，多个永磁体52固定在转子盘51朝向定子组件40的一侧上。每个永磁体52都至少部分地穿过转子盘51的孔，通过胶粘的方式将永磁体52固定在转子盘51的孔上，以便相对于转子盘5的圆周方向均匀分布。永磁体52沿安装位置轴向充磁，周向相邻的两个永磁体52之间的极性相反。
46.端板20的内侧固定有定子组件40，端板20的外侧凸伸出电机引线插针70，电机引线插针70沿轴线方向贯穿端板20(定子固定板)，通过绝缘烧结与端板 20(定子固定板)之间形成电隔离，用于为定子组件40的绕组43提供三相交流电。
47.电机引线插针70与端板20之间的绝缘烧结，一方面可以保证电机引线插针70与端板20之间绝缘不导通，另一方面可以保证外壳10内高压气体(氦气) 不会从电机引线插针70的周围泄露。
48.压缩连杆组件80和膨胀连杆组件90连接于偏心轴30的偏心段。在定子组件40与转子组件50所形成的轴向磁通电机的旋转驱动下，偏心轴30带动压缩连杆组件80和膨胀连杆组件90做偏心运动。压缩连杆组件80与压缩活塞组件位于外壳10内的一端连接，膨胀连杆组件90与推移活塞组件位于外壳10内的一端连接，推移活塞组件位于外壳10外的一端与回热器连接。
49.上述集成斯特林制冷机100的工作过程如下：在电机驱动控制器的控制下，通过电机引线插针70为定子组件40供电，定子组件40的绕组43通电后驱动转子组件50绕轴线方向转动，带动偏心轴30绕轴线方向转动，偏心轴30的偏心度段连接的压缩连杆组件80和膨胀
连杆组件90进行往复运动。在偏心轴30 带动压缩连杆组件80和膨胀连杆组件90往复运动的过程中，推移活塞组件做往复直线运动压缩外壳10的密封腔体内的高压气体，实现逆向斯特林循环，获得冷量，使回热器交替换热和产生冷量。
50.旋转式轴向磁通电机具有体积小、重量轻、功率密度高等多方面的优势，同等外径尺寸下，轴向磁通电机相对传统的径向磁通电机可以提供30％的扭矩密度优势。随着红外探测器工作温度的提高，斯特林制冷机向swap3的方向发展，而轴向磁通电机相比较径向磁通电机可以将体积、重量及性能等优势很好的发挥出来。本技术的集成式斯特林制冷机通过将旋转式轴向磁通电机应用到斯特林制冷机，在保证斯特林制冷机性能的前提下，降低了制冷机的体积、重量。采用这种结构形式可以使集成式斯特林制冷机结构更紧凑、体积重量更小、功耗更低。
51.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
52.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。