低温制冷机在航空航天、军事、低温电子学、低温医学、气象、气体液化等诸多领域有着重要的应用,这些应用场合对低温制冷机的可靠性、低振动和长寿命提出严苛的要求。驱动小型低温制冷机的线性压缩机采用了板弹簧支撑和间隙密封等关键技术来保证活塞和汽缸之间的非接触往复运动,彻底根除了活塞和气缸之间的磨损,具有工作稳定、振动小、噪声低、电功转化效率高、寿命长等优势,是适合以上应用场合的理想驱动源。此外,在全球节能减排的大趋势下,该技术也可为冰箱用线性压缩机的研制提供借鉴。针对线性压缩机在低温和普冷中的重要应用,本文研制出一台采用直线臂板弹簧支撑的动圈式线性压缩机,先后从理论设计、数值模拟和实验验证等三个方面进行了详细的讨论。1.动圈式线性压缩机动力学及电气理论分析理论分析了动圈式线性压缩机的整机设计方法。总结了动圈式线性压缩机的基本设计流程,采用复向量法确定压缩机的基本结构和运行参数,用动力学分析方程得到活塞质量和压缩机输出PV功等参数；建立动圈式直线压缩机的电气理论模型,确定短线圈径向充磁直线电机设计的基本方法,并用等效磁路法分析了所设计的直线电机。2.线性压缩机数值模拟研究采用数值模拟的方法对压缩机的核心部件：直线电机、板弹簧和间隙密封进行了初步的分析和优化。先是采用有限元分析方法对直线电机进行了分析计算,对不同形式的直线电机进行了优化,获得了较好的直线电机结构,分析表明,当输入电流为7A时,电机作用力大小为231.7N,可保证线圈产生±6mm的位移。接着对三种不同形式的板弹簧,即直线臂板弹簧、同心涡旋臂板弹簧和偏心涡旋臂板弹簧进行了有限元分析,结果显示,在基本结构参数相同的条件下,直线臂板弹簧的径轴刚度比高,一阶自然频率大,适用于较高频率的线性压缩机。最后,采用有限容积法对迷宫式和直线型间隙的内部流场特性进行模拟,获得了间隙内部的压力和速度特性,得到线性压缩机的间隙厚度表达式,并指出直线型间隙最大可达34μm,降低了线性压缩机装配难度。3.动圈式线性压缩机实验研究根据理论设计和数值模拟获得的压缩机结构参数,研制出国内首台直线臂板弹簧支撑的动圈式线性压缩机原理样机。首先采用万能材料实验仪对板弹簧的轴向刚度进行了测量。实验结果表明,对于直线臂板弹簧,有限元分析的轴向刚度值为1.47N/mm,实验测得的板弹簧的轴向刚度为1.43N/mm,其之间的误差在2%,说明有限元分析方法的可靠性。并对厚度为1.2mm的涡旋板弹簧自然频率进行测试,得到单片板弹簧的基频是25Hz,5片弹簧组的基频是135Hz,压缩机工作时应避开这些频率。接着,根据流体网络理论,采用阀门和气库的RC负载方法类比脉管制冷机冷头的阻抗特性,测试了压缩机在不同工况条件下的声功输出和效率特性。结果表明,所研制出的线性压缩机运行在25-30Hz时效率可达60%。最后,开展了自制压缩机分别驱动60Hz和40Hz单级脉管制冷机的实验研究工作,实验结果表明,压缩机运行在60Hz时,由于远偏离其谐振频率,无法输出较大的声功,此时制冷机最低制冷温度仅为104.5K；运行在40Hz时,可获得最低无负荷制冷温度为54.5K,此时压缩机输入电功为540W,80.0K可获得4.50W的制冷量。