專利名稱：用于斯特林循環(huán)系統(tǒng)的壓氣活塞組件的制作方法
發(fā)明的領域和背景本發(fā)明涉及斯特林(stirling)循環(huán)機，更確切地說，涉及有著由帶有磁彈簧的同步直線電動機來驅動的壓氣活塞的斯特林循環(huán)系統(tǒng)。
把斯特林循環(huán)系統(tǒng)用于冷卻是公知的。斯特林循環(huán)系統(tǒng)包括兩個都進行往復運動的主要運動件。一個這種運動件，通常稱為“壓氣活塞(displacer)”，一般制成可以以一定間隙沿著氣缸運動的柱塞。這用來在氣缸的兩端之間沿交變的方向轉移一定質量的氣體。壓氣活塞連接到在氣體中產(chǎn)生脈動壓力的壓縮機。通過以與壓縮機相同的頻率，但是它們之間有一定的相位差，來驅動壓氣活塞，該系統(tǒng)起一個熱泵的作用，從壓氣活塞的一端取走熱量。這樣一來，斯特林循環(huán)系統(tǒng)可以用作一系列制冷系統(tǒng)的基礎。
為了保持斯特林循環(huán)系統(tǒng)高效地運行，壓縮機與壓氣活塞之間的相位關系必須優(yōu)化。該相位關系最常見是借助于壓縮機與壓氣活塞之間的機械聯(lián)系來維持。然而，使這樣一種聯(lián)系允許調整相位關系或振幅是十分困難的。此外，機械聯(lián)系傾向于在系統(tǒng)的兩個部分之間傳遞振動，使該聯(lián)系本身或者作為整體的系統(tǒng)不可靠。
另一種方法是采用一種使用“無源的”壓氣活塞組件的分離結構，其中壓氣活塞起浮動活塞的作用。通過把壓氣活塞組件設計成達到正確的固有振蕩頻率，壓氣活塞響應于壓縮機輸出，其運動表現(xiàn)出與壓縮機本身的相位有正確的相位差。然而，無源的壓氣活塞系統(tǒng)的標定和調整難以實現(xiàn)。這樣一種系統(tǒng)的例子是Kushnir的美國專利№4862695，其中設置了復雜的三彈簧阻尼機構以便進行壓氣活塞運動的調整。
在實現(xiàn)沒有機械聯(lián)系的缺點的改善的控制的一種嘗試中，Davey的美國專利№4397155描述了一種帶有“有源的”壓氣活塞組件的斯特林循環(huán)機，其中壓氣活塞與壓縮機的運動之間的關系由獨立的電磁裝置來控制，該電磁裝置在一個實施例中起電動機的作用。該電動機包括一個由壓氣活塞柱塞攜帶的并且可在固定磁鐵的磁場中運動的線圈。
Davey機有一些優(yōu)點。然而，該系統(tǒng)的效率受到所用的電動機結構的嚴重限制。具體地說，電動機被畫成在永久磁路的圓柱氣隙中軸向運動的單個的圓筒線圈。所述的電動機結構提供低效率并且沒有自定心性質。這樣一個系統(tǒng)還需要滑動接點，而這是不可靠的。
此外，Davey機的壓氣活塞，與所有其他斯特林壓氣活塞同樣，需要多種彈簧元件把壓氣活塞復位到其中立位置。這種機械彈簧元件提出許多設計問題，難以調整，加劇機械磨損，以及增加可聽噪聲。
因而需要一種有著電動機驅動的壓氣活塞的斯特林循環(huán)系統(tǒng)，該壓氣活塞具有磁彈簧效應而不需要機械接點。有著包括這樣一個壓氣活塞的斯特林循環(huán)系統(tǒng)也將是有利的。
發(fā)明的概要本發(fā)明是一種由帶有磁彈簧的同步直線電動機驅動的斯特林循環(huán)壓氣活塞，以及一種包括該壓氣活塞的斯特林循環(huán)系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的傳授提供一種用于斯特林循環(huán)系統(tǒng)的壓氣活塞組件，包括(a)一個壓氣活塞；以及(b)一個同步直線電動機，可操作地連接以便驅動該壓氣活塞，該電動機具有一個運動軸線，該電動機包括(i)至少一個定子組件，該定子組件有著第1和第2軟磁極片，在其間界定一個氣隙，該氣隙的寬度取向成垂直于該軸線，定子組件被這樣構成以便大體上平行于氣隙寬度地產(chǎn)生一致的磁場；以及(ii)至少一個位于該氣隙之內的復合永久磁鐵系統(tǒng)，該復合永久磁鐵系統(tǒng)包括一個沿著平行于氣隙寬度的第1方向磁化的第1段和一個從第1段軸向移位的沿著與第1段相反的方向磁化的第2段，該電動機起磁彈簧的作用，當沒有電力供給到該電動機時，它把壓氣活塞復位到預定的靜止位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，該定子組件包括一個線圈，施加于該線圈的電壓的變化造成該定子組件與復合永久磁鐵系統(tǒng)之間的軸向力的相應變化。
根據(jù)本發(fā)明的傳授還提供一種斯特林循環(huán)系統(tǒng)，包括(a)一個壓縮機；(b)一個壓氣活塞；以及(c)一個同步直線電動機，可操作地連接以便驅動該壓氣活塞，其中該電動機被這樣構成，以便提供一個磁彈簧，致使當沒有電力供給到該電動機時，壓氣活塞復位到預定的靜止位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，電動機有一個運動軸線，該電動機包括(a)至少一個定子組件，該定子組件有著第1和第2軟磁極片，在其間界定一個氣隙，該氣隙的寬度取向成垂直于該軸線，該定子組件被這樣構成以便大體上平行于氣隙寬度地產(chǎn)生一致的磁場；以及(b)至少一個位于氣隙之內的復合永久磁鐵系統(tǒng)，該復合永久磁鐵系統(tǒng)包括一個沿著平行于氣隙寬度的第1方向磁化的第1段和一個從第1段軸向移位的沿著與第1段相反的方向磁化的第2段。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，壓縮機包括至少一個同步直線電動機，稱為“壓縮機電動機”，該壓縮機電動機被這樣構成以便提供一個磁彈簧，致使當沒有電力供給到壓縮機電動機時，壓縮機復位到預定的靜止位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，壓縮機電動機包括(a)至少一個定子組件，該定子組件有著第1和第2軟磁極片，在其間界定一個氣隙，該氣隙的寬度取向成垂直于該電動機的該運動軸線，定子組件被這樣構成以便大體上平行于氣隙寬度地產(chǎn)生一致的磁場；以及(b)至少一個位于氣隙之內的復合永久磁鐵系統(tǒng)，該復合永久磁鐵系統(tǒng)包括一個沿著平行于氣隙寬度的第1方向磁化的第1段和一個從第1段軸向移位的沿著與第1段相反的方向磁化的第2段。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，壓縮機包括至少一個同步直線電動機，稱為“壓縮機電動機”，該系統(tǒng)還包括一個電壓源，壓氣活塞電動機和壓縮機電動機兩者被可操作地連接以便由該電壓源來驅動。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，還設置至少一個連接在該電壓源與壓氣活塞電動機和壓縮機電動機之一之間的具有可變阻抗的元件，用以調整壓縮機與壓氣活塞之間的相對相位。
附圖的簡要說明這里僅通過例子參照附圖來描述本發(fā)明，這些附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的傳授構成和工作的，用于斯特林循環(huán)系統(tǒng)的壓氣活塞組件的剖視圖；圖2是穿過根據(jù)本發(fā)明的傳授構成和工作的，用來與圖1的壓氣活塞組件合用而形成斯特林循環(huán)系統(tǒng)的同步的雙往復活塞壓縮機設備的側剖視圖；圖3是表示在圖2的設備工作期間磁通圖案的示意側剖視圖；圖4A是用于圖2的設備中的定子組件的鐵心的示意透視圖；圖4B是穿過圖4A的定子鐵心的側剖視圖；圖4C是圖4A的定子鐵心的端視圖；圖5A是由鐵氧體制成的第1替代定子鐵心結構的剖切透視圖；圖5B是由鐵氧體制成的第2替代定子鐵心結構的剖切透視圖；圖6A是用于圖2的設備中的活塞磁鐵組件的示意透視圖，該組件包括一個復合永久磁鐵系統(tǒng)；圖6B是用于圖2的設備中的一種替代活塞磁鐵組件的示意透視圖；圖7A是穿過圖6A的活塞磁鐵組件的示意側剖視圖；圖7B是表示一種替代復合永久磁鐵系統(tǒng)結構的與圖7A類似的圖；圖8是用于圖2的設備中的磁性補償機構的示意透視圖；圖9是穿過圖2的設備的一種變型的側剖視圖；圖10A是穿過用于圖9的設備的一種形式定子鐵心的側剖視圖；圖10B是穿過用于圖9的設備的一種替代形式定子鐵心的側剖視圖；圖11A和圖11B是表示由圖10A和圖10B中所示的定子形式產(chǎn)生的磁通圖案的側剖視圖；以及圖12是包括圖1的壓氣活塞組件和圖2的壓縮機設備的斯特林循環(huán)系統(tǒng)的示意圖。
最佳實施例的描述本發(fā)明是一種由帶有磁彈簧的同步直線電動機驅動的斯特林循環(huán)壓氣活塞，和包括該壓氣活塞的斯特林循環(huán)系統(tǒng)。
參照附圖和連帶的描述可以更好地理解根據(jù)本發(fā)明的斯特林循環(huán)系統(tǒng)的工作原理。
現(xiàn)在參照附圖，圖1示出根據(jù)本發(fā)明的傳授構成和工作的，用于斯特林循環(huán)系統(tǒng)的，總標號為100的壓氣活塞組件。壓氣活塞組件100可以有利地與任何類型的壓縮機合用以便構成斯特林循環(huán)系統(tǒng)。然而，在根據(jù)本發(fā)明的一個斯特林循環(huán)系統(tǒng)的最佳實施例中，使用同步雙往復活塞壓縮機設備。這樣一種壓縮機，作為通過引用整個包括在本文中的在1996年2月9日提出的相關的共同待決美國專利申請№08/599206，在1997年12月2日發(fā)布為美國專利№5963991的對象，將在下面參照圖2～圖11來描述。
一般來說，壓氣活塞組件100包括一個空心圓筒形式的壓氣活塞102，一個再生器104沿著該空心圓筒移動。再生器104被構成起熱交換器的作用，例如這里畫成一個包含形成圓柱矩陣的多個金屬網(wǎng)108的薄壁圓筒106。
經(jīng)由驅動桿110可操作地連接于壓氣活塞102的是一個同步直線電動機112。電動機112的特征在于其結構設計成提供一個磁彈簧，致使當沒有電力供給到該電動機時，壓氣活塞102復位到一個預定的靜止位置。
在此一行文中應該指出，當談到“壓氣活塞”的位置時，這應該理解為指的是壓氣活塞的可動部件，在此一場合是再生器104，的位置。
現(xiàn)在更詳細地來看壓氣活塞組件100的特征，參照一個運動軸線114來描述用于電動機112的最佳結構。最好是，軸線114與壓氣活塞102的軸線共線，不過也可以替代地使用非共線的機械聯(lián)系。
最好是，電動機112包括至少一個有著設置了在其間界定一個氣隙120的第1和第2極片118的鐵心的鐵心定子組件116。極片118是由軟磁材料制成的并且這樣布置，即相當于兩個極片之間的最短距離線的稱為氣隙120的“寬度”的尺寸，取向成垂直于軸線114。定子組件116還包括至少一個與鐵心配套以便大體上平行于氣隙120的寬度而產(chǎn)生一致的磁場的線圈122。
位于氣隙120內的是至少一個復合永久磁鐵系統(tǒng)124。復合永久磁鐵系統(tǒng)124包括沿著平行于氣隙120的寬度的第1方向磁化的第1段126和從第1段126軸向移位并沿著與第1方向相反的方向磁化的第2段128。第1和第2段126和128可以直接鄰接，也就是在其間形成一個對接接頭。要不然，它們可以軸向稍微離開一點。
這里所述的電動機結構提供一些勝過上面提到的Davey結構的優(yōu)點。最值得注意的是，在未施加電流時，電動機112起非接觸磁彈簧的作用，把壓氣活塞復位并保持在想要的靜止位置。此一自對中效應源于復合永久磁鐵系統(tǒng)124的良好設計的最低能量位置，在那里穿過極片118的軟磁材料發(fā)生最大磁通閉合。結果，機械彈簧元件及其連帶的效率和可靠性問題可以從壓氣活塞組件設計中完全省略。
所述電動機結構的另一個優(yōu)點在于，固定線圈配置避免了滑動電氣接點的問題。復合磁鐵電動機配置還提供特別高的效率。
應該意識到，這里畫出的電動機112的圖示是示意性的。雖然可以采用單個軸向布置的磁鐵系統(tǒng)124，但是電動機結構不限于這樣一種配置。其他可能的實現(xiàn)包括，但是不限于，類似于下面在壓縮機結構的行文中述及的那些的圓筒形的和多邊形截面的磁鐵系統(tǒng)。
為了結束圖1的描述，電動機112最好是通過公共殼體130固定地安裝在壓氣活塞102的外氣缸。殼體130通常特有環(huán)繞驅動桿110的直線軸承和動密封件。壓氣活塞102與壓縮機之間為了構成斯特林循環(huán)系統(tǒng)的連接經(jīng)由氣體進口管132和連接管134來實現(xiàn)。
如前所述，壓氣活塞組件100可以有利地與任何壓縮機設計合用。同步化，振幅控制，以及各種機械阻尼效應的仿真都可以通過振蕩電流源和配套的電路的電子控制來實現(xiàn)。最好是，通過為兩者使用公共的振蕩源來實現(xiàn)壓縮機與壓氣活塞之間的同步化，通過使用具有適當?shù)淖杩沟母郊釉蛘咄ㄟ^其他的數(shù)字或模擬方法來進行相位調整。
最好是，壓氣活塞組件100與一個由其設計分享類似于上述電動機112的那些的性質的壓縮機合用?，F(xiàn)在將描述這種壓縮機的不同的例子。
現(xiàn)在參照最佳壓縮機結構，圖2示出一種根據(jù)本發(fā)明傳授構成和工作的，總標號為10的壓縮機。一般來說，壓縮機10包括一個氣缸12，兩個相同的相對于氣缸12固定以便在區(qū)域16中產(chǎn)生集中交變徑向磁場的定子組件14，以及一對活塞磁鐵組件18。每個活塞磁鐵組件18包括一個可以在氣缸12的一部分中滑動的活塞20和一組位于區(qū)域16中的復合永久磁鐵系統(tǒng)22。當定子組件14被一個交變電流激勵時，交變軸向力作用在復合永久磁鐵系統(tǒng)22上，借此引起活塞20在氣缸12中同步反向往復運動。活塞20在氣缸12中的往復運動在氣缸12的中心造成振蕩壓力。
為了清晰起見，應該指出，這里在說明書和權利要求書中使用的“軸向”一詞指的是平行于氣缸12的中心軸線的方向或尺寸。同理，這里在說明書和權利要求書中使用的“徑向”一詞指的是垂直于此一軸線的方向或尺寸。
雖然這里把本發(fā)明描述成一種單個氣缸結構，但是它可以很容易地改裝成一種多個氣缸系統(tǒng)。一組并聯(lián)工作的同步系統(tǒng)可以在其出口連接起來。要不然，一組氣缸可以組合成一個具有一組圓周布置相互連接的各接納一對對置的活塞磁鐵組件的缸孔的單個的裝置。
現(xiàn)在更詳細地來看壓縮機10的特征，氣缸12具有內孔，該內孔被高精度磨削以便接納活塞20。一個出口管24連接到氣缸12的接近其中心的內部體積。對于其中需要凈流量的泵送用途，可以加設一個附加的進口管和一些適當布置的閥(未畫出)。
本發(fā)明的壓縮機的一個重要的特征在于，氣缸12，定子組件14和活塞磁鐵組件18精確地同軸排列。為了便于定子組件14相對于氣缸12的精確找正，壓縮機10的特征在于在氣缸長度的中心處與氣缸12整體地形成的徑向延伸的法蘭。
現(xiàn)在來看定子組件14，每個定子組件包括至少一個線圈26和一個由一對或多對關于氣缸12的軸線對稱排列的定子塊28組成的鐵心。最好是設置獨立的定子組件14以便驅動每個活塞磁鐵組件18。每個定子組件14連接于法蘭13。要不然，定子組件14可以像下面將參照圖9說明的那樣，沿著氣缸12的大部分長度延伸以便環(huán)繞氣缸12的兩端設置區(qū)域16。
本發(fā)明的一個具體特征在于，定子組件14產(chǎn)生一個集中在區(qū)域16之內的大體上徑向的磁場圖案。為了達到此一結果，定子塊28一般造形成穿過線圈26的大體上閉合的磁路。區(qū)域16由定子塊28中的在氣隙面30和31之間形成的比較窄的裂縫來界定。與圖2的視圖相對應的磁通圖案示于圖3。
在一個最佳實施例中，三對定子塊28按關于氣缸12的軸線的六角對稱性排列，如圖4A、4B和4C中所示。定子塊28最好是由一組平行于磁通方向的疊片構成，借此把磁損減至最少。
氣隙面30和31造形成與復合永久磁鐵系統(tǒng)22的形狀相配合。例如，它們通常是彎曲的以便配合將在下面參照圖6A描述的圓筒形的磁鐵設計。要不然，可以采用平行平面氣隙面30和31以便配合多邊形結構的復合永久磁鐵系統(tǒng)，像將在下面參照圖6B描述的那樣。
線圈26和定子塊28被構成在每個區(qū)域16內產(chǎn)生相等振幅的磁場，相等到給定的允差。例如，在采用分開的線圈26在氣缸12的兩端產(chǎn)生磁場的場合，采用相等的安匝數(shù)的相同的線圈。同理，定子塊28被設計并定位成關于氣缸12的軸線彼此旋轉對稱，并且在與之垂直的平面內偏轉。實際上，所產(chǎn)生的磁場的對稱性受所用部件的允差的限制。用來補償磁場畸形的機構將在下面討論。
為了把線圈26連接到電源(未畫出)設置獨立的和可逆的連接(未畫出)通常是有利的。這允許活塞磁鐵組件18的結構而不需要唯一確定所用的每個磁鐵的極性?？梢匀缓筮M行一個極性檢查程序以便確定所用的磁鐵的配置是否產(chǎn)生所需要的相反的活塞運動，而如果需要的話，可以把一個線圈26的極性反向。該極性檢查程序將在下面描述。還可能希望啟用在線圈26的并聯(lián)與串聯(lián)之間切換。
作為對上述疊片的定子結構的替代，定子組件14的鐵心可以由鐵氧體按現(xiàn)有技術中公知的方式構成。把鐵氧體用于定子組件14使得附加定子結構成為可能。例如，定子組件14可以構成為具有任何公開的定子截面的旋轉體，借此在具有圓對稱性的區(qū)域16內產(chǎn)生磁場。為了便于定子組件14的組裝，鐵氧體鐵心通常由兩段或多段組成，這些段然后固定在一起。圖5A示出一個其中采用三件結構的例子。圖5B示出一種簡化的兩件結構。
現(xiàn)在來看活塞磁鐵組件18的特征，這最清楚地示于圖6A和圖7A?；钊盆F組件18包括活塞20和經(jīng)由氣隙32連接的復合永久磁鐵系統(tǒng)22。
活塞20最好是加工成以一個至少幾μm(通常大約8～13μm)的間隙配合氣缸12的內孔?；钊?0的材料僅根據(jù)機械考慮來選擇，因為活塞20的磁性不重要。因而活塞20通常由硬化的低摩擦材料制成。要不然活塞20可以由例如鋁之類軟的輕質材料制成，然后覆蓋適當?shù)母采w層，像現(xiàn)有技術中公知的那樣。
復合永久磁鐵系統(tǒng)22由第1段34和第2段36組成，第1段磁化成其磁化方向相對于氣缸12的軸線為徑向，第2段鄰接于第1段并從第1段34軸向移位，磁化成其磁化方向與第1段34的磁化方向相反。第1和第2段34和36通常分別制造然后由任何適當類型的粘接連接起來。
在一個最佳實施例中，第1和第2段34和36是如圖6A中所示的徑向磁化的圓筒磁鐵。要不然，每段可以由一組平面永久磁鐵組成，這些磁鐵安裝在一起而形成一個規(guī)則的多邊形，如圖6B中所示。在這兩種情況下，第1和第2段34和36是關于其軸線對稱的封閉結構，借此提供精確找正所需要的結構剛度。當然，定子塊28的氣隙面30和31造形成以復合永久磁鐵系統(tǒng)22與每個氣隙面30和31之間大約0.1～1mm的間隙配合復合永久磁鐵系統(tǒng)22的形狀。
圖7B示出圖6A和圖6B的活塞磁鐵組件的一種替代結構。在此一結構中，一個與端蓋32整體地形成的導磁材料層38，形成一個復合永久磁鐵系統(tǒng)22在其上構成的鐵心。層38也可以與活塞20整體地形成。然后第1段34和第2段36各通過適當?shù)卮呕挠谰么盆F在層38的內外表面上的連接來形成。
與端蓋32整體地形成的層38的采用提供附加的結構剛度并有助于保證磁鐵與活塞20的正確的找正。
層38制成截面形狀配合復合永久磁鐵系統(tǒng)22的所需形狀的空心管。對于圖6A中所示的形式，該截面將是圓。對于圖6B中所示的形式，該截面將是相應的多邊形。
當組裝壓縮機10時，定子組件14以固定的關系環(huán)繞氣缸12安裝，致使它靠近氣缸12的每端提供一組對稱排列的區(qū)域16?；钊盆F組件18定位在氣缸12的每端，活塞插入氣缸12的缸孔而復合永久磁鐵系統(tǒng)22插入?yún)^(qū)域16。連接于定子塊28的內擋塊42限制活塞磁鐵組件18的滑動范圍，借此防止活塞20的碰撞。壓縮機10通常其特征還在于為整個結構提供支撐和剛度的殼體44。連接于殼體44的外檔塊45防止活塞磁鐵組件18從其工作位置的正常范圍向外過沖。擋塊42和45最好是由例如天然橡膠或合成橡膠之類彈性材料制成。
本發(fā)明的一個最佳特征在于，氣隙面30、31與復合永久磁鐵系統(tǒng)22之間的間隙氣隙明顯地大于，通常要大一兩個數(shù)量級，活塞20與氣缸12的內孔之間的間隙氣隙。此一特征保證高效的泵送作用同時保護壓縮機10的機械上軟的磁性部件免遭不必要的磨損。氣隙面30、31與復合永久磁鐵系統(tǒng)22之間的間隙氣隙不應加大得超過保護免遭磨損所需要的程度，因為所造成的區(qū)域16的加寬將引起磁場的削弱。
現(xiàn)在來看壓縮機10的工作，當線圈26被交變電流激勵時，在區(qū)域16內產(chǎn)生交變的大體上徑向的磁場。隨著沿著第1方向磁場的增加，復合永久磁鐵系統(tǒng)22的磁化成與該磁場一致的段34試圖在該磁場中向中心對齊，而相反地磁化的段36被排斥。這些力的凈合力是每個復合永久磁鐵系統(tǒng)22上的純軸向力，該力經(jīng)由端蓋32傳遞到活塞20。當該磁場反向時，該力反向，借此沿著相反方向推動活塞20。于是，交變電流供應使復合永久磁鐵系統(tǒng)22，從而使活塞20，軸向往復運動。
應該指出，壓縮機10不需要在常規(guī)的直線壓縮機中一律是特征的彈簧。由于復合永久磁鐵系統(tǒng)22的對置磁極結構，在線圈26中沒有電流時活塞磁鐵組件18將自然地趨向一個對中的靜止位置。
如上所述，線圈26最好是設有具有可切換的極性的獨立的電氣連接。此一特征允許活塞磁鐵組件18的構成而不需要唯一確定每個所用的磁鐵的極性。于是，在使用壓縮機10之前，進行一個極性檢查程序。該極性檢查程序需要跨越線圈施加一個非交變(直流)電壓并觀察兩個活塞磁鐵組件的位移方向。如果兩者朝著氣缸12向內拉，或者要不然兩者離開氣缸向外運動，則顯然線圈的連接對于磁鐵的極性來說是正確的。另一方面，如果一個活塞磁鐵組件向內運動而另一個向外運動，則把一個線圈26的極性反過來。
參照圖8，現(xiàn)在描述壓縮機10的用來補償磁場畸形的附加最佳特征。如上所述，用來制造壓縮機10部件的材料所固有的變化，和生產(chǎn)它們時的允差，可能引起在區(qū)域16里產(chǎn)生的磁場的對稱性的畸形。這種畸形可能造成輕微的未補償?shù)膹较蛄Γ搹较蛄赡芤鸶郊拥哪Σ聊芰繐p失，以及增加了的對活塞20的磨損。
因而本發(fā)明的一個最佳特征在于，壓縮機10特有一個用來修正磁場的磁性補償機構以便把工作期間壓縮機10的摩擦功率損失和振動減至最少。
圖8示出磁性補償機構之一例，總標號為46，用來修正區(qū)域16內的磁場。機構16包括一個制成帶有用來嚙合定子組件14的部分(如圖4A中所見)的凹部50和螺紋徑向孔52的圓環(huán)48。一組由軟磁材料制成的插件54制成配合徑向孔52的螺紋銷。適合于制造插件54的材料之一例是可以按商品名Carpenter 49買到的材料。
當圓環(huán)48定位于定子塊28而插件54放進徑向孔52時，每個插件54的端部保持靠近兩個復合永久磁鐵系統(tǒng)22。在此一位置上，插件54相對于徑向孔52的螺紋的旋動引起插件54的徑向位置的調整，從而引起它與區(qū)域16的距離的調整。于是插件54的軟磁材料對復合永久磁鐵系統(tǒng)22的可變的鄰近可以用來在壓縮機10正在工作的同時修正區(qū)域16內的磁場圖案，直到壓縮機10中的摩擦損失和振動減至最少。
實際上，用磁性補償機構46來優(yōu)化壓縮機10的性能的一種有效的方法是通過調整插件56實現(xiàn)最小的功率損失。其進行是通過用給定的交變電壓來激勵壓縮機10并監(jiān)視吸收電流。然后同時或輪流調整插件56直到總體上電流最小。
作為對上面參照圖8所描述的磁性補償機構的一種替代，可以環(huán)繞各個定子塊28布置附加繞組(未畫出)并有選擇地供應直流電流。用變阻器或其他電流控制裝置來改變流經(jīng)一個或多個定子塊28的附加繞組的電流。這有類似于在磁性補償機構46中調整插件56的效果，并且與上述類似地平衡徑向力。
參照圖9，現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明的傳授構成和工作的總標號為56的壓縮機的一種變型。壓縮機56基本上類似于壓縮機10，等效的元件帶有相同的標號。在此一場合，定子組件14被加長，以便在氣缸12的兩端處在區(qū)域16內提供所需的磁場。圖10A和圖10B示出在此一實施例中定子塊28的兩種可能的形式。圖11A和圖11B示出分別與圖10A和圖10B的形式相對應的磁通圖案。
壓縮機56與壓縮機10的另一個區(qū)別在于，在壓縮機56中設置一個彈簧58。如上所述，活塞磁鐵組件18是自對中的而不需要彈簧。然而，在某些情況下最好是如所示包括彈簧58。彈簧58為活塞磁鐵組件18提供朝向其中心位置的附加的偏置，并且在次共振狀態(tài)下提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
還應該指出，壓縮機56中包括壓縮機10中沒有的直線軸承40。直線軸承40有助于保持活塞磁鐵組件18與氣缸12之間所需要的高精度找正。直線軸承40可以直接連接到氣缸12上，或者經(jīng)由連接件把它對正地固定于定子塊28或者固定于壓縮機10的相對于氣缸12固定的另一個零件。
最后，參照圖12，示出根據(jù)本發(fā)明的傳授構成和工作的一種斯特林循環(huán)系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)利用壓氣活塞組件100連同壓縮機10。例如，為了保證兩個元件的同步性，設置一個控制系統(tǒng)60。在一種最簡單的實現(xiàn)中，控制系統(tǒng)60包括一個交流電壓源62和一個相位改變裝置64。一個元件，在此一場合是壓縮機10，直接連接到該電壓源62，同時另一個元件，在此一場合是壓氣活塞組件100，經(jīng)由相位改變裝置64連接到該電壓源。由于由控制系統(tǒng)60所提供的兩個輸出是同步但是相位錯開的，所以保證了壓縮機電動機和壓氣活塞電動機的所需的同步。
如前所述，相位改變裝置64可以通過采用具有適當?shù)刈杩沟母郊釉蛘咄ㄟ^其他的數(shù)字或模擬方法來進行相位調整。此外，可以包括各種元件以便提供黏性摩擦阻滯或者其他機械效應的等效物。顯然，電壓源62和相位改變裝置64可以作為總稱為控制系統(tǒng)的分開的裝置來實現(xiàn)，或者可以組合成單個的控制裝置。
應該意識到，上述描述僅用作例子，而在本發(fā)明的精神和范圍內許多其他的實施例是可能的。
權利要求
1.一種用于斯特林循環(huán)系統(tǒng)的壓氣活塞組件，包括(a)一個壓氣活塞；以及(b)一個同步直線電動機，可操作地連接以便驅動該壓氣活塞，所述電動機具有一個運動軸線，所述電動機包括(i)至少一個定子組件，該定子組件有著第1和第2軟磁極片，在其間界定一個氣隙，所述氣隙的寬度取向成垂直于所述軸線，所述定子組件被這樣構成以便大體上平行于所述氣隙的所述寬度地產(chǎn)生一對齊的磁場；以及(ii)至少一個位于所述氣隙之內的復合永久磁鐵系統(tǒng)，所述復合永久磁鐵系統(tǒng)包括一個沿著平行于所述氣隙的所述寬度的第1方向磁化的第1段和一個從所述第1段軸向移位的沿著與所述第1段相反的方向磁化的第2段，所述電動機起磁彈簧的作用，當沒有電力供給到所述電動機時，它把所述壓氣活塞復位到預定的靜止位置。
2.權利要求1的壓氣活塞組件，其中所述定子組件包括一個線圈，施加于所述線圈的電壓的變化造成所述定子組件與所述復合永久磁鐵系統(tǒng)之間的軸向力的相應變化。
3.一種斯特林循環(huán)系統(tǒng)，包括(a)權利要求1的壓氣活塞組件；(b)一個壓縮機；以及(c)一個電壓源，其中所述電動機稱為“壓氣活塞電動機”，而且其中所述壓縮機包括至少一個稱為“壓縮機電動機”的同步電動機，所述壓氣活塞電動機和所述壓縮機電動機兩者可操作地連接以便由所述電壓源來驅動。
4.一種斯特林循環(huán)系統(tǒng)，包括(a)一個壓縮機；(b)一個壓氣活塞；以及(c)一個同步直線電動機，可操作地連接以便驅動所述壓氣活塞，其中所述電動機被這樣構成，以便提供一個磁彈簧，致使當沒有電力供給到所述電動機時，所述壓氣活塞復位到預定的靜止位置。
5.權利要求4的系統(tǒng)，其中所述電動機有一個運動軸線，所述電動機包括(a)至少一個定子組件，該定子組件有著第1和第2軟磁極片，在其間界定一個氣隙，所述氣隙的寬度取向成垂直于所述軸線，所述定子組件被這樣構成以便大體上平行于所述氣隙的所述寬度地產(chǎn)生一對齊的磁場；以及(b)至少一個位于所述氣隙之內的復合永久磁鐵系統(tǒng)，所述復合永久磁鐵系統(tǒng)包括一個沿著平行于所述氣隙的所述寬度的第1方向磁化的第1段和一個從所述第1段軸向移位的沿著與所述第1段相反的方向磁化的第2段。
6.權利要求5的系統(tǒng)，其中所述電動機稱為“壓氣活塞電動機”，而且其中所述壓縮機包括至少一個稱為“壓縮機電動機”的同步直線電動機，所述壓縮機電動機被這樣構成，以便提供一個磁彈簧，致使當沒有電力供給到所述壓縮機電動機時，所述壓縮機復位到預定的靜止位置。
7.權利要求6的系統(tǒng)，其中所述壓縮機電動機具有一個運動軸線，所述壓縮機電動機包括(a)至少一個定子組件，該定子組件有著第1和第2軟磁極片，在其間界定一個氣隙，所述氣隙的寬度取向成垂直于所述軸線，所述定子組件被這樣構成，以便大體上平行于氣隙寬度地產(chǎn)生一對齊的磁場；以及(b)至少一個位于所述氣隙之內的復合永久磁鐵系統(tǒng)，所述復合永久磁鐵系統(tǒng)包括一個沿著平行于所述氣隙的所述寬度的第1方向磁化的第1段和一個從所述第1段軸向移位的沿著與所述第1段相反的方向磁化的第2段。
8.權利要求4的系統(tǒng)，其中所述電動機稱為“壓氣活塞電動機”，而且其中所述壓縮機包括至少一個稱為“壓縮機電動機”的同步直線電動機，該系統(tǒng)還包括一個電壓源，所述壓氣活塞電動機和所述壓縮機電動機兩者被可操作地連接以便由所述電壓源來驅動。
9.權利要求8的系統(tǒng)，還包括至少一個連接在所述電壓源與所述壓氣活塞電動機和所述壓縮機電動機之一之間的具有可變阻抗的元件，用以調整所述壓縮機與所述壓氣活塞之間的相對相位。
全文摘要
一種用于斯特林循環(huán)系統(tǒng)的壓氣活塞組件包括一個壓氣活塞(102)和一個鏈接成驅動壓氣活塞(102)的同步直線電動機(112)。該電動機(112)的特征在于至少一個定子組件(116)有著第1和第2在其間界定氣隙(120)的軟磁極片(118)。氣隙(120)的寬度取向成垂直于該電動機的運動軸線,而定子組件這樣構成以便一個大體上平行于氣隙(120)的寬度地產(chǎn)生一致的磁場。該電動機(118)還包括至少一個復合永久磁鐵系統(tǒng)(124),該系統(tǒng)有著從第2段(128)軸向移位并沿相反方向磁化的第1段(126)。
文檔編號H02K33/00GK1276049SQ97182465
公開日2000年12月6日 申請日期1997年12月1日 優(yōu)先權日1997年12月1日
發(fā)明者米沙·海特爾, 馬克·庫什尼爾 申請人:梅迪斯El有限公司