[发明专利]与线性马达或交流发电机连接的自由活塞机械的定子振动平衡

说明书

申请的相关交叉参考

本申请要求2007年8月9日提交的美国临时申请第60/954824的优先权。

技术领域

本发明总的涉及一种与线性交流发电机或线性马达连接的β型自由活塞斯 特林循环发动机和冷却器，尤其涉及一种平衡该连接系统以使振动最小化，而 无需使用通常的无源振动平衡单元。

背景技术

斯特林循环发动机是一种公认的可将热能有效转化为机械能以用来驱动机 械负载的热力机械装置。类似地，斯特林循环冷却器被公认为可有效地将机械 能转化为热能，将冷却器温度的热能抽取为加热器温度的热能，从而利用其冷 却包括处于低温温度的热负荷。这些发动机和冷却器被总称作斯特林机械，其 通常机械连接于线性马达或线性交流发电机。斯特林发动机可驱动线性交流发 电机来生成电力，而斯特林冷却器可由线性马达来驱动。线性马达和交流发电 机具有同样的基本部件，最典型的是在线圈中往复的永磁体，该线圈缠绕在低 磁阻的铁磁芯上以形成定子，由此，在这里将其总称为线性电-磁-机械换能器。

尽管斯特林机械可与不同结构的线性电-磁-机械换能器连接，但是一种最实 用、有效和紧凑的结构使用的是β型斯特林机械，该机械将所连接的线性电-磁- 机械换能器与斯特林机械形成整体，并且所有部件都包含在密封密闭的壳体中。 在这个结构中，所有的往复部件沿着公共的往复轴线进行往复运动。这些往复 部件包括活塞、置换器、任何的连杆、往复磁铁、及安装或支承结构。

这些部件的往复运动引起的振动力可作用到壳体，结果导致壳体及安装有 壳体的任何物体的振动。为了降低、最小化或消除这种振动，现有技术中，壳 体机械地连接了一外部或内部安装的振动平衡器，有时误称为振动吸收器。所 述振动平衡器，最典型地为无源振动平衡器，增加了所述所组合和连接的斯特 林机械与线性电-磁-机械换能器的成本和体积，也大幅增加了其实际重量。典型 地，必须根据实际的运行频率将所述振动平衡器调制到很高的精确度，这通常 是很困难的。另外，如果连接在一起的斯特林机械和线性交流发电机或马达的 运行频率偏离振动平衡器所调制到的共振频率，那么振动平衡器的效果就会降 低。通过使冷却器具有正常冷却模式与发动机操作模式相结合所引起的差频， 振动平衡器还会造成斯特林冷却器的不需要的动力学动作。

因此，需要以这样一种方式为线性电-磁-机械换能器所连接的β型斯特林机 械提供振动平衡，即不需要振动平衡器、减少重量以及对调制精度的要求、并 且仅增加一些质量和体积最小的连接至机械上的附加部件，由此也降低了成本， 这也是本发明的目的和特征。这还能提高用于产生电功率的单位功率和冷却器 的比容量。

附图1示出了完全根据现有技术的与线性电-磁-机械换能器12连接、并具 有振动平衡器的β型斯特林机械10。β型斯特林机械10具有动力活塞14，该 活塞与置换器18在同一气缸16中进行往复运动。置换器18固定于连杆20，该 连杆延伸至与板簧22相连。动力活塞14密封地在连杆20上滑动并被连接至第 二板簧24。

动力活塞14支承沿圆周排列的多个永磁体26，这些永磁体与动力活塞14 一起进行往复运动。磁体26在低磁阻芯28的磁极片间往复运动，电枢绕组32 缠绕在磁阻芯28上以形成定子30。具有电枢绕组32的定子30固定在壳体38 的内部。磁体和定子一起形成线性马达或交流发电机。斯特林机械10也具有本 领域技术人员熟知的传统热交换器34和再生器36。所有这些零部件都密封在包 含压缩工作气体的壳体38中。现有技术中已经描述了与线性电-磁-机械换能器 相连的斯特林机械的许多可选的结构和变型以及附加部件，这些都可以用于本 发明中，但由于它们对于本发明的说明不是必需的，因此没有说明。