随着现代科学技术的发展，线性压缩机驱动的高频和百赫兹级超高频斯特林和斯特林型脉冲管制冷机被广泛应用于航天航空、空间探测、超导以及低温电子学等诸多领域。线性压缩机采用直线电动机驱动、板弹簧支撑及间隙密封技术来保证制冷机的长寿命和高可靠性应用需求。目前，动磁式和动圈式是线性压缩机中应用最广泛、研究最成熟的两种电动机结构形式。相对动圈式线性压缩机而言，动磁式线性压缩机无论是在体积重量、功率密度和效率方面，还是在整机的匹配、寿命和可靠性等方面，都具有无可争议的优势。　　 我国在动磁式线性压缩机研制方面还比较薄弱，对压缩机内部的动力学特性、直线电动机电路和磁路特性，电动机的损耗特性，以及压缩机与冷指的匹配特性认识不够深入和充分。针对这些薄弱环节，本论文对三种不同结构形式的动磁式直线电动机驱动线性压缩机开展了理论研究和样机研制工作。下面是本课题所开展的各项研究工作:　　 1、线性压缩机的热动力学特性研究　　 本文研究了线性压缩机压缩腔内的压力和体积参数，结合压缩机PV功的计算公式，通过理论分析，得出满足压缩机轻量化和紧凑化设计目标的主要措施为:提高充气压力和提高运行频率。根据牛顿第二定律和阻尼受迫振动理论，研究压缩活塞的受力情况，建立压缩机的运动控制微分方程，研究压缩活塞在不同激励情况和初始条件下的动力学特性。本文对线性压缩机内的阻尼情况进行了理论和实验研究，并提出了两种新的气体阻尼系数的计算公式和测量方法。　　 2、动磁式直线电动机的电磁特性研究　　 本文开展了直线电动机的电路特性研究，分析了压缩机的相关电参数，包括电压、电流、功耗和功率因素等，探讨了提高功率因素的作用和方法。从电磁材料和电动机结构方面入手，对直线电动机的磁路，电磁力和功率损耗进行了探索研究，重点对直线电动机的两个方面进行了创新性研究:其一，进行铁芯损耗的理论分析和实验测量，提出铁芯损耗的测量方法和设计测试平台，对一台百赫兹级超高频线性压缩机进行减小铁损的优化设计，优化后，空载下满行程功耗由原来的23W减小到5.5W;其二，使用电磁分析软件对直线电动机进行静态和动态性能模拟，主要包括模拟直线电动机在行程范围内的电磁推力情况，分析电动机在给定激励条件和相关限制参数下的动态运行特性，即电流和位移的响应特性，将模拟值与实验数据进行对比，它们之间的偏差在10％以内。　　 3、开展线性压缩机与冷指性能匹配的理论和实验研究　　 为了分析和解决制冷机实验中线性压缩机与冷指不匹配的问题，本文以热声学理论为基础，对线性压缩机与冷指的匹配规律进行探索研究。基于压缩活塞的运动控制微分方程、电动机的电压平衡方程和整机的阻抗特性，研究压缩机电机效率和出口PV功效率的影响因素和提高方法。在匹配原理的指导下，对一台双磁钢动磁式线性压缩机驱动的气动分置式斯特林制冷机进行优化分析，优化后，制冷机的电机效率、PV功效率和运行频率都得到了提高，在获得相同的制冷性能时，压缩机的输入电功减小了。　　 4、百赫兹级超高频单磁钢动磁式线性压缩机的研究　　 设计一台运行频率在100Hz以上的单磁钢动磁式线性压缩机，与一台最优运行频率设计在70Hz的脉冲管冷指进行实验匹配。压缩机扫气体积为2.4cc，动子质量为90g，压缩机外形尺寸为Φ55×160mm，重量小于1kg。制冷机充气压力为1.9MPa，运行频率为103Hz，输入电功为50W，可获得的最低制冷温度为67.73K，可得到0.5W/89.8K的制冷性能。压缩机采用单磁钢直线电动机驱动，空载电机效率达到96.7％，驱动脉冲管冷指时的电机效率为84.18％。　　 5、双磁钢和三段磁钢动磁式直线电动机驱动的线性压缩样机设计和实验研究　　 设计并搭建了动磁式直线电动机和线性压缩机的实验测试平台，包括压缩机比推力、弹簧刚度和电参数的测试以及整机性能参数的测试。　　 研制了双磁钢动磁式直线电动机驱动的线性压缩机样机，对直线电动机的结构和磁路进行了模拟计算和优化改进。此压缩机驱动气动斯特林冷指时，制冷机获得6W/80K制冷性能所需的输入电功为86.8W。为了提高压缩机的电机效率，本文开展了三段磁钢动磁式直线电动机驱动线性压缩机的理论和实验研究。由于单磁钢压缩机的轴向电磁偏置力较大，电磁刚度绝对值在大行程下急剧增大，导致它的额定输入电功率低，容易造成动子运行的不稳定性和撞缸现象。基于此，本文对三段磁钢动磁式线性压缩机进行了理论和实验研究，它与同轴脉冲管冷指性能匹配，输入电功142.4W，可获得6W/80K的制冷性能，电机效率为87.24％;与气动分置式斯特林冷指进行性能匹配，输入124.6W电功可获得6W/80K的制冷性能。