[发明专利]无边缘场且增加功率输出的、具有磁性弹簧的多电枢线性电动机/发电机

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于驱动负载或者被原动机驱动的电磁-机械换能器，更具体地，涉及往复式线性电动机和往复式线性发电机。

背景技术

往复式线性发电机用于在被各种原动机(包括斯特林发动机)驱动时产生电力，而线性电动机用于在被交流电源供电时驱动各种机械负载。类似于旋转电动机、发电机和发电机，这种线性电动机和线性发电机的基本相同之处在于它们都具有相同的基本元件，而不同之处在于它们的连接和工作方式。因此，它们统称为线性电动机/发电机。

现有技术包括图3所示类型的基本线性电机/发电机，其也在美国专利US4602174以及美国专利US4623808中有描述，它们在这里引入作为参考。虽然线性电动机/发电机可按现有技术中已知的多种配置构造，优选的配置是一种轴对称配置，其中一个带有永久磁体的致动器在一个电枢内沿往复轴线执行往复运动。永久磁体以一个与所述轴线同心的圆筒形结构安装在所述往复的致动器上。电枢芯的主要部分与电枢线圈或绕组也安装在一个围绕所述磁体的同心的圆筒形结构中，并安装在一个框架上，使它们保持静止。所述芯的其余部分完成由所述芯形成的磁通环路，并且也以圆筒形结构安装在所述静止的框架上。所述芯的上述其余部分与所述芯的上述主要部分向内隔开，以在所述芯的高磁阻的磁通量路径中形成线性对准的间隙。所述线性对准的间隙平行于所述轴线。所述磁体(或环形磁体)在所述芯内形成的所述间隙中往复运动。所述电枢可以是围绕所述圆筒形结构的一个圆隔开布置的一系列单独的电枢，它也可以是具有在圆形槽中的圆形线圈的一个圆形电枢。类似地，所述磁体可以是并排放置在圆筒形结构中的离散的磁体或一个圆环形的磁体。作为现有技术中的另一种选择，所述线圈可以绕所述芯的一个腿缠绕。在所有这些替换的配置中，在所述芯中的时变磁通量会在所述线圈中感应出电流，所述线圈中的电流会在所述芯中感应出磁通量。这些结构配置被图示和描述在上述的两个专利和美国专利US 5 148 066中，其在这里引入作为参考。

图3显示现有技术的线性电动机/发电机的基本元件。对于轴对称线性电动机/发电机，图3是在往复轴线10所在的一个平面中且沿来自所述轴的一个径向的剖视图。沿相反的径向且在同一平面上的这些基本元件的剖视图是图3的镜像，因此没有重复画出。

参照图3，电枢12具有相关的电枢线圈14和相关的芯16。电枢线圈14缠绕在与所述轴线10同心的一个圆形构型中。所述芯16形成低磁阻的磁通回路，其由U型的主要部分18和其余部分20组成，所述两个部分都由铁或本领域中公知的其它高磁导率材料的叠层构成。所述芯的回路具有一对隔开的间隙22和24，它们平行于所述往复轴线10、且彼此被电枢绕组槽26分开。所述间隙22和24的每一个间隙通过两个相对的极面限定，其中极面28和30限定间隙22，且极面32和34限定间隙24。

间隙22和24沿着平行于所述轴线的一个间隙线性对齐，使得与所述电枢12相关的场磁体36可以在所述间隙22和24内在一个轴线方向中往复运动。场磁体36安装在可往复运动的致动器38上，其中所述致动器38承载所有磁体，使得所述磁体在间隙22和24的间隙路径内往复运动。场磁体36被极化跨过间隙22和24，优选地垂直于极面28-34，如在磁体36的中心所画的箭头所示。致动器38驱动连接到原动机或负载40，这取决于图3的线性电动机/发电机是用作线性发电机还是用作线性电动机。由于磁体36往复运动以交替地在间隙22和24之间进入，在所述芯中由磁体36产生的磁通量交替地反转。由于穿过所述芯的磁通路径延伸通过所述电枢线圈且随时间变化，以本领域技术人员公知的方式，在所述线圈中会感应出一个EMF，且所述线圈中的电流会在所述芯中产生一个磁通量，所述磁通量向所述磁体施加一个力。

上述的线性电动机/发电机结构向许多线性电动机/发电机应用提供了合适的性能。然而，对于某些应用，期望可以将弹簧力施加到往复运动的致动器。例如，如果线性电动机/发电机是由自由活塞斯特林电动机驱动的或者是用于驱动自由活塞斯特林制冷机，在朝着定心所述致动器的方向中施加的弹簧力是期望的，以将这种自由活塞机器的轴向平均位置维持在一个选定的中心位置，因为这种斯特林机具有使它们的平均位置漂移离开额定的中心位置的趋势。作为另一个例子，有时候期望一个线性电动机/发电机的致动器和其负荷或原动机在一个谐振系统中往复运动，这就需要一个弹簧。作为另一个例子，如果致动器及其负载或原动机的往复运动具有一个垂直的分量，则有时需要在所述致动器上提供一个定心的弹簧力，以抵抗重力和防止所述致动器从它的平均位置移动到其行程的最低极限。