BR102018010841B1 - Máquina térmica, e, método para atuar um primeiro êmbolo dentro de uma primeira via de passagem de um rotor - Google Patents

Abstract

Uma máquina rotativa é descrita e inclui um estator definindo uma circunferência, uma pluralidade de primeiros arranjos de ímãs, um rotor, e um primeiro êmbolo. Os primeiros arranjos de ímãs são compostos de uma pluralidade de ímãs discretos arranjados em torno da circunferência do estator em um primeiro padrão magnético. O rotor é rotativo em torno de um eixo geométrico de rotação e define um corpo principal. O corpo principal define uma primeira via de passagem. O primeiro êmbolo inclui uma pluralidade de primeiros elementos magnéticos e é atuado dentro da primeira via de passagem do rotor. A pluralidade de ímãs discretos é arranjada no primeiro padrão magnético e os ímãs discretos são posicionados para interagir com os elementos magnéticos do primeiro êmbolo para criar uma primeira força magnética quando o rotor gira em torno do eixo geométrico de rotação. A primeira força magnética representa uma primeira quantidade de força requerida para atuar o primeiro êmbolo.

Description

FUNDAMENTOS

[001] O sistema descrito se refere a uma máquina rotativa e, mais particularmente, a uma máquina rotativa incluindo pistões tendo elementos magnéticos, onde os pistões são atuados por uma força magnética que é criada quando o rotor gira.

[002] Motores térmicos usam energia provida na forma de calor para realizar trabalho. Existem vários ciclos termodinâmicos que podem ser empregados por motores térmicos, tais como, por exemplo, o ciclo de Carnot, o ciclo de Stirling, e vários ciclos de motor de combustão interna, como o ciclo de Otto e o ciclo diesel. Todos desses motores térmicos termodinâmicos usam um gás como o fluido de trabalho. Por exemplo, o ciclo de Stirling é frequentemente usado refrigeradores criogênicos relativamente pequenos e modestamente dimensionados, onde o fluido de trabalho é usualmente hélio.

[003] Os motores de Stirling podem incluir pistões internos que são usados para deslocar e comprimir o fluido de trabalho e para gerar energia de saída. Especificamente, os pistões recebem trabalho durante seu curso ascendente ou compressão, e geram trabalho durante seu curso descendente ou expansão, seguido por uma transferência de calor a uma dada temperatura pelo fluido de trabalho para um dissipador de calor circundante. Os pistões do motor de Stirling podem ser atuados por suspensão dos pistões usando rolamentos de flexão, e então criando movimento de acionamento usando eletroímãs. Todavia, os eletroímãs criam uma força de acionamento que é predominantemente senoidal no tempo. A força de acionamento senoidal é causada pela indutância das bobinas dos eletroímãs bem como porque a voltagem de acionamento e as velocidades de comutação são, ambas, mantidas relativamente baixas.

[004] Maquinário rotativo também inclui um estator e um rotor. Em pelo menos algumas aplicações, o rotor pode precisar ser resfriado. A fim de resfriar um rotor, gás resfriado a partir de um reservatório ou refrigerador pode ser introduzido em um espaço entre o rotor e um componente estacionário, tais como o estator. Todavia, o rotor é resfriado desuniformemente uma vez que a superfície mais externa do rotor é exposta a uma maioria do gás resfriado. Por conseguinte, a fim de resfriar o interior do rotor, juntas de rotação especiais para a passagem do gás de resfriamento podem ser requeridas. Além disso, se um refrigerador for usado para armazenar o gás resfriado, então conexões de energia elétrica são requeridas.

[005] Energia elétrica é produzida em um rotor pelo contato do rotor com escovas que transportam corrente elétrica. Corrente elétrica gerada em um componente que não é o rotor pode fluir através das escovas e ao longo de condutores elétricos no rotor, onde a corrente elétrica é então utilizada. Todavia, a passagem da corrente elétrica através dos condutores elétricos produz calor, o qual, por sua vez, cria perdas de aquecimento de Joule. Além disso, as escovas podem contatar um eixo do motor, o que resulta em desgaste e problemas de manutenção. O desgaste criado pelas escovas aumenta com a velocidade rotacional. Em outra proposta para prover energia ao rotor, uma bateria pode ser usada em lugar de escovas. Todavia, baterias somente armazenam uma quantidade limitada de energia e eventualmente precisam ser recarregadas ou substituídas. Finalmente, em ainda outra proposta, energia elétrica para o rotor é produzida por transferência de indução de bobinas localizadas no estator para bobinas localizadas no rotor. Todavia, perdas de aquecimento de Joule ocorrem nas bobinas tanto no rotor quanto no estator.

SUMÁRIO

[006] Em um aspecto, uma máquina rotativa é descrita e inclui um estator definindo uma circunferência, uma pluralidade de primeiros arranjos de ímãs, um rotor, e um primeiro êmbolo. Os primeiros arranjos de ímãs são compostos de uma pluralidade de primeiros ímãs discretos arranjados em torno da circunferência do estator em um primeiro padrão magnético. O rotor é rotativo em torno de um eixo geométrico de rotação e define um corpo principal. O corpo principal define uma primeira via de passagem. O primeiro êmbolo inclui uma pluralidade de primeiros elementos magnéticos e é atuado dentro da primeira via de passagem do rotor. A pluralidade de primeiros ímãs discretos é arranjada no primeiro padrão magnético e os ímãs magnéticos são posicionados para interagir com os elementos magnéticos do primeiro êmbolo para criar uma primeira força magnética quando o rotor gira em torno do eixo geométrico de rotação. A primeira força magnética representa uma primeira quantidade de força requerida para atuar o primeiro êmbolo dentro da primeira via de passagem do rotor.

[007] Em outro aspecto, um método para atuar um êmbolo dentro da via de passagem de um rotor, onde o rotor faz parte de uma máquina rotativa, é descrito. O método compreende girar o rotor em torno de um eixo geométrico de rotação. O rotor é circundado por um estator que define uma circunferência, e uma pluralidade de arranjos de ímãs é composta de uma pluralidade de ímãs discretos arranjados em torno da circunferência do estator em um primeiro padrão magnético. O método inclui adicionalmente criar uma primeira força magnética quando o rotor gira em torno do eixo geométrico de rotação. A primeira força magnética é criada por uma interação entre a pluralidade de ímãs discretos do estator e uma pluralidade de elementos magnéticos do primeiro êmbolo. A primeira força magnética representa uma quantidade de força requerida para atuar o primeiro êmbolo dentro da primeira via de passagem do rotor. Finalmente, o método inclui atuar o primeiro êmbolo dentro da primeira via de passagem do rotor.

[008] Outros objetivos e vantagens do método e sistema descritos ficarão aparentes a partir da seguinte descrição, dos desenhos anexos e das reivindicações anexas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[009] A figura 1 é uma vista esquemática transversalmente secionada de uma máquina rotativa de exemplo ilustrada como um refrigerador criogênico incluindo um estator, um rotor que gira em torno de um eixo geométrico de rotação, um êmbolo de compressão, e um êmbolo de expansão; a figura 2 é uma vista transversalmente secionada da máquina térmica mostrada na figura 1, visualizada ao longo da linha de seção B-B; a figura 3 é uma vista em perspectiva do êmbolo de compressão mostrado na figura 1, onde o êmbolo de compressão inclui um ressalto que é definido entre uma primeira seção e uma segunda seção; a figura 4 é uma ilustração do êmbolo mostrado na figura 3, onde o êmbolo inclui ímãs permanentes e é desenhado como um objeto transparente; as figuras 5A-5D ilustram o êmbolo disposto dentro da via de passagem definida pelo rotor mostrado na figura 1, onde cada uma das figuras 5A-5D ilustra o êmbolo em um dos quatro estados diferentes de um ciclo de Stirling; a figura 6 é um diagrama esquemático do estator mostrado na figura 1, onde o estator inclui arranjos de ímãs para atuar o êmbolo de compressão para os quatro estados diferentes do ciclo de Stirling, como mostrado nas figuras 5A-5B; a figura 7 é um diagrama esquemático do estator mostrado na figura 1, onde o estator inclui arranjos de ímãs para atuar o êmbolo de expansão mostrado na figura 1 para os quatro estados diferentes do ciclo de Stirling; a figura 8 é um exemplo alternativo do êmbolo mostrado na figura 4, onde os ímãs permanentes são alinhados com o eixo geométrico de rotação do rotor mostrado na figura 1; a figura 9 é um diagrama esquemático ilustrando um exemplo dos ímãs permanentes do êmbolo mostrado na figura 8 e os arranjos de ímãs do estator; a figura 10 é um diagrama esquemático ilustrando um exemplo alternativo dos ímãs permanentes do êmbolo e os arranjos de ímãs do estator mostrados na figura 9, onde os ímãs permanentes e os arranjos de ímãs são ambos substancialmente paralelos ao eixo geométrico de rotação do rotor; a figura 11 é um diagrama esquemático ilustrando outro exemplo dos ímãs permanentes do êmbolo e os arranjos de ímãs do estator mostrados na figura 9, onde o arranjo de ímãs compreende uma única barra ferromagnética; a figura 12 é um diagrama esquemático ilustrando ainda outro exemplo dos ímãs permanentes do êmbolo e as barras ferromagnéticas do estator mostradas na figura 11; a figura 13 é um diagrama esquemático ilustrando ainda outro exemplo do êmbolo, onde o êmbolo inclui elementos ferromagnéticos que interagem com os arranjos de ímãs do estator; a figura 14 é ilustra um exemplo alternativo do êmbolo mostrado na figura 3, onde o êmbolo atua em uma direção que é substancialmente paralela com o eixo geométrico de rotação do rotor mostrado na figura 1; a figura 15 é uma vista esquemática em seção transversal de um exemplo alternativo do rotor, tomada ao longo da linha de seção A-A da figura 16; a figura 16 é uma vista esquemática em seção transversal do rotor, tomada ao longo da linha de seção B-B da figura 15; e a figura 17 é um fluxograma de processo ilustrando um método de exemplo para atuar o êmbolo de compressão mostrado na figura 1.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0010] A figura 1 é uma vista esquemática em seção transversal de uma máquina rotativa na forma de um motor térmico 10. A máquina térmica 10 inclui um estator 18, um rotor 20 conectado a um eixo 22, um regenerador 24, um primeiro êmbolo 26, e um segundo êmbolo 30. O primeiro êmbolo 26 é um êmbolo de compressão que é atuado dentro de uma primeira via de passagem de compressão 32. O segundo êmbolo 30 é um êmbolo de expansão que é atuado dentro de uma segunda via de passagem de expansão 34. O rotor 20 é rotativo em torno de um eixo geométrico de rotação A-A e define um corpo principal 36. O corpo principal 36 do rotor 20 define tanto a via de passagem de compressão 32 quanto a via de passagem de expansão 34. Como visto na figura 1, um espaço de compressão quente 38 é definido dentro da via de passagem de compressão 32 do rotor 20, e é localizado entre o êmbolo de compressão 26 e o regenerador 24. Similarmente, um espaço de expansão 39 é definido dentro da via de passagem de expansão 34 do rotor 20, e é localizado entre o êmbolo de expansão 30 e o regenerador 24.

[0011] O êmbolo de compressão 26 e a via de passagem de compressão 32 definem um conjunto de êmbolo-cilindro, e o êmbolo de expansão 30 e a via de passagem de expansão 34 definem também outro conjunto de êmbolo-cilindro. Embora o termo conjunto de êmbolo-cilindro seja usado, deve ser apreciado que a via de passagem de compressão 32 e a via de passagem de expansão 34 não são limitadas a uma configuração em forma de cilindro. Mais especificamente, como explicado em maior detalhe abaixo, os pistões 26, 30 podem incluir qualquer número de formatos. Por exemplo, como visto nas figuras 3 e 4, o êmbolo de compressão 26 é ilustrado tendo um perfil escalonado com superfícies laterais planas bem como superfícies superior e inferior planas.

[0012] O regenerador 24 é posicionado dentro do corpo principal 36 do rotor 20, entre o espaço de compressão 38 e o espaço de expansão 39. Na modalidade de exemplo, como mostrado, o regenerador 24 é alinhado com o eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20. O regenerador 24 é construído de uma matriz de sólido poroso 40, através da qual um fluido de trabalho pode fluir ciclicamente para trás e para frente. Especificamente, energia é transferida a partir do fluido de trabalho para dentro da matriz 40 do regenerador 24 e é absorvida pelo fluido de trabalho a partir da matriz 40 do regenerador 24. O fluido de trabalho enche os poros da matriz 40 do regenerador 24, o espaço de compressão quente 38, e o espaço de expansão frio 39. O fluido de trabalho é um gás ou líquido pressurizado, usado para atuar o êmbolo de compressão 26 e o êmbolo de expansão 30. Na modalidade de exemplo como mostrada, a máquina térmica 10 é um motor de Stirling incluindo quatro estágios de operação, e o fluido de trabalho é hélio. Embora um motor de Stirling seja descrito, a máquina térmica 10 pode ser qualquer outro tipo de motor térmico bem como, mas não limitado a, um motor que opera com base no ciclo de Carnot, no ciclo de Otto, ou no ciclo diesel.

[0013] Na modalidade de exemplo, tanto o êmbolo de compressão 26 quanto o êmbolo de expansão 30 são orientados dentro de suas respectivas vias de passagem 32, 34 em uma direção que é substancialmente perpendicular ao eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20. Todavia, no exemplo como mostrado na figura 14, os pistões 26, 30 são substancialmente paralelos com relação ao eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20.

[0014] Uma série de aletas de dissipação de calor 42 pode ser disposta ao longo de uma superfície inferior mais externa 46, definida pelo rotor 20. O rotor 20 também contém uma via de trajeto de alta condutividade térmica 48. A via de trajeto de alta condutividade térmica 48 cria uma conexão térmica entre o espaço de compressão quente 38, o eixo 22, e as aletas 42. Na modalidade de exemplo como mostrada na figura 1, a máquina térmica 10 é um refrigerador criogênico que emprega um ciclo de Stirling. O refrigerador criogênico provê resfriamento para uma carga 50. O rotor 20 contém uma via de trajeto 52, a qual conecta termicamente a carga 50 ao espaço de expansão frio 39.

[0015] A figura 2 é uma vista transversalmente secionada do rotor 20 da máquina térmica 10 mostrada na figura 1, visualizada ao longo da linha de seção B-B. Como visto na figura 2, o rotor 20 define uma superfície circunferencial mais externa 56. Com referência a ambas as figuras 1 e 2, a superfície 56 do rotor 20 define uma pluralidade de recortes ou espaços 58A, 58B, 58C. O estator 18 circunda o rotor 20. Mais especificamente, o estator 18 circunda a superfície circunferencial inteira 56 do rotor 20. Os espaços 58A, 58B, 58C se estendem em torno da superfície circunferencial inteira 56 do rotor 20. Como visto na figura 1, os espaços 58A, 58B, 58C são conformados para receber correspondentes projeções 60A, 60B, 60C que são definidas pelo estator 18. Especificamente, o espaço 58A é conformado para receber a projeção 60A, o espaço 58B é conformado para receber a projeção 60B, e o espaço 58C é conformado para receber a projeção 60C.

[0016] Como visto na figura 1, as projeções 60A, 60B, 60C do estator 18 incluem, cada, um arranjo de ímãs permanentes (“arranjos de ímãs”) 65A, 65B, 66A, 66B, 67A, 67B, 68A, 68B. Especificamente, como ilustrado na modalidade de exemplo como mostrada na figura 1, os arranjos de ímãs 66A, 66B, 68A, e 68B são dispostos ao longo de uma superfície superior 44 de uma respectiva projeção 60A, 60B, 60C do estator 18, e os arranjos de ímãs 65A, 65B, 67A, e 67B são dispostos ao longo de uma superfície inferior 45 de cada projeção 60A, 60B, 60C. Todavia, como explicado abaixo, os arranjos de imãs 65A, 65B, 66A, 66B, 67A, 67B, 68A, 68B não são limitados a serem dispostos ao longo das superfícies superior ou inferior 44, 45 das projeções 60, e podem também ser colocados também próximos às superfícies superior e inferior 44, 45.

[0017] Com referência à figura 2, o êmbolo de compressão 26 é acoplado ao rotor 20 por um primeiro rolamento 70. Especificamente, o primeiro rolamento 70 é conectado a uma porção de extremidade 72 do êmbolo de compressão 26, onde a porção de extremidade 72 é a porção mais externa do êmbolo de compressão 26 com relação ao eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20. Similarmente, o êmbolo de expansão 30 é acoplado ao rotor 20 por um segundo rolamento 84. Especificamente, o segundo rolamento 84 é conectado a uma porção de extremidade 86 do êmbolo de expansão 30, onde a porção de extremidade 86 é a porção mais externa do êmbolo de expansão 30 com relação ao eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20.

[0018] Em uma modalidade de exemplo, o primeiro rolamento 70 e o segundo rolamento 84, ambos, são, rolamentos de flexão. O primeiro e o segundo rolamentos 70, 84 ambos, fazem parte do rotor 20, e incluem uma rigidez relativamente baixa na direção do deslocamento de êmbolo. Todavia, o primeiro e o segundo rolamentos 70, 84 também incluem uma rigidez relativamente alta em uma direção substancialmente perpendicular ao deslocamento do êmbolo. Embora rolamentos de flexão sejam descritos, outros tipos de rolamentos podem ser utilizados bem como, por exemplo, rolamentos a gás, rolamentos deslizantes, ou rolamentos de esferas lineares.

[0019] Um espaço 90 é definido por uma superfície 92 em torno de uma abertura 94 da via de passagem de compressão 32 e um par de superfícies laterais 96 definidas pelo rotor 20. Similarmente, um espaço 98 é definido por uma superfície 100 em torno de uma abertura 102 da via de passagem de expansão 34 e um par de superfícies laterais 104 do rotor 20. Ambos os espaços 90, 98 são cheios com o fluido de trabalho a temperatura ambiente. Na modalidade de exemplo como descrita, o rotor 20 faz parte de um motor de Stirling e o fluido de trabalho é hélio.

[0020] A figura 3 é uma ilustração de exemplo do êmbolo de compressão 26. Embora o êmbolo de compressão 26 seja descrito na figura 3, o êmbolo de expansão 30 também inclui os mesmos componentes e estrutura. O êmbolo de compressão 26 ilustrado na figura 3 inclui uma primeira seção 110 e uma segunda seção 112. A primeira seção 110 define uma primeira largura W1 que é menor que uma segunda largura W2 definida pela segunda seção 112 do êmbolo de compressão 26, e define assim o ressalto 114. Todavia, em outro exemplo, a primeira largura W1 da primeira seção 110 do êmbolo de compressão 26 é maior que a segunda largura W2 da segunda seção 112. Em ainda outro exemplo, o êmbolo de compressão 26 pode não incluir uma configuração escalonada como vista na figura 3, e, em lugar desta, inclui uma seção transversal uniforme. Além disso, o êmbolo de compressão 26 não é limitado à configuração como mostrada na figura 3, e pode incluir qualquer número de formatos como, por exemplo, um cilindro. O êmbolo de compressão 26 também inclui um par de pontos de afixação 120 localizados ao longo de lados opostos da segunda seção 112 do êmbolo de compressão 26 (somente um par de pontos de afixação é visível na figura 3). Com referência a ambas as figuras 2 e 3, os pontos de afixação 120 do êmbolo de compressão 26 são usados para prender o êmbolo de compressão 26 com um respectivo dos rolamentos 70, 84.

[0021] Continuando com referência a ambas as figuras 2 e 3, a primeira seção 110 do êmbolo de compressão 26 é recebida pelo espaço de compressão quente 38, e a segunda seção 112 do êmbolo de compressão 26 é recebida pelo espaço 90, que está a temperatura ambiente. O ressalto 114 do êmbolo de compressão 26 pode contatar contra a superfície 92 em torno da abertura 94 do espaço de compressão quente 38 quando o êmbolo de compressão 26 está na posição de compressão completa ou máxima.

[0022] Com referência agora à figura 3, o êmbolo de compressão 26 define uma primeira superfície plana 130 e uma segunda superfície plana 132 que é substancialmente paralela à primeira superfície plana 130. A primeira superfície plana 130 é disposta ao longo de uma porção mais superior 134 do êmbolo de compressão 26, e a segunda superfície plana 132 é disposta ao longo de uma porção mais inferior 136 do êmbolo de compressão 26. A primeira superfície plana 130 define uma pluralidade de cavidades 140 ao longo da segunda largura W2 do êmbolo de compressão 26. As cavidades 140 se estendem, cada, em uma direção que é substancialmente paralela com relação às direções D1 e D2 (figura 2) do deslocamento do êmbolo. Retornando agora para a figura 2, o êmbolo de compressão 26 translada em uma primeira direção D1 na direção para o eixo geométrico de rotação A-A e uma segunda direção D2 para longe do eixo geométrico de rotação A-A.

[0023] A figura 4 é uma ilustração do êmbolo de compressão 26, que é desenhada como um objeto transparente a fim de visualizar a segunda superfície plana 132. Como visto na figura 4, uma série de elementos magnéticos 150 são, cada um, recebidos por uma das cavidades 140 (figura 3) definidas pelo êmbolo de compressão 26. No exemplo como mostrado, os elementos magnéticos 150 são ímãs permanentes. Todavia, em outro exemplo como mostrado na figura 13, a qual é explicada em detalhe abaixo, o elemento magnético 150 pode ser uma barra ferromagnética. Em um exemplo opcional, a segunda superfície plana 132 do êmbolo de compressão 26 também define uma pluralidade de cavidades que são, cada, conformadas para receber um correspondente elemento magnético 152. Com referência a ambas as figuras 2 e 4, cada um dos elementos magnéticos 150, 152 inclui uma direção de magnetização que é substancialmente paralela com relação à primeira e segunda direções D1 e D2 do deslocamento do êmbolo dentro do rotor 20.

[0024] As figuras 5A-5D ilustram um diagrama de exemplo esquemático do êmbolo de compressão 26 atuado para um dos quatro estados diferentes do ciclo de Stirling dentro da via de passagem de compressão 32 do rotor 20. A via de passagem 32 do rotor 20 é circundada pelas projeções 60A, 60B, 60C do estator 18. Como explicado abaixo, o êmbolo de compressão 26 é atuado para um dos quatro estados diferentes do ciclo de Stirling por uma primeira força magnética criada entre os arranjos de ímãs 67A, 67B, 68A, 68B do estator 18 e os elementos magnéticos 150, 152 do êmbolo de compressão 26. Os quatro estados diferentes do ciclo de Stirling são expansão isotérmica, remoção de calor de volume constante, compressão isotérmica, e adição de calor de volume constante, e cada uma das figuras 5A-5D ilustra o êmbolo de compressão 26 em um dos quatro estados diferentes do ciclo de Stirling.

[0025] A figura 6 é um diagrama esquemático que é representativo de uma vista superior do estator 18. A figura 6 também ilustra os arranjos de ímãs 67A, 67B mostrados nas figuras 5A-5D. Como visto na figura 6, cada arranjo de ímãs 67A, 67B compreende de uma série de ímãs discretos 160, 162. O estator 18 define uma circunferência 148, e os ímãs discretos 160, 162 são arranjados em torno de uma circunferência 148 do estator 18 em um primeiro padrão magnético. Os ímãs discretos 160, 162 são arranjados no primeiro padrão magnético e de forma a interagir com os elementos magnéticos 150, 152 do êmbolo de compressão 26 (figuras 3 e 4) para criar a primeira força magnética requerida para atuar o êmbolo de compressão 26 dentro da via de passagem 32. Mais especificamente, os ímãs discretos 160, 162 são configurados para interagir com os elementos magnéticos 150, 152 do êmbolo de compressão 26 para posicionar o êmbolo de compressão 26 para um dos quatro estados do ciclo de Stirling.

[0026] Embora os arranjos de ímãs 67A, 67B sejam ilustrados na figura 6, deve ser apreciado que os arranjos de ímãs 68A, 68B dispostos ao longo da superfície superior 44 da projeção 60C (figura 1) são também arranjados também no mesmo padrão magnético, e também incluem ímãs discretos 160, 162. O êmbolo de compressão 26 é também ilustra no estágio/estado c. O estágio c representa um dos quatro estados do ciclo de Stirling correspondente a um êmbolo lateral de compressão. Os três estados restantes do ciclo de Stirling são também mostrados como o estágio a, o estágio b, e o estágio d, também referidos aqui como os estados a, b, e d, respectivamente. O estado a corresponde à figura 5A, o estado b corresponde à figura 5B, o estado c corresponde à figura 5C, e o estado d corresponde à figura 5D.

[0027] Continuando com referência à figura 6, os ímãs discretos 160, 162 são arranjados no primeiro padrão magnético em torno da circunferência 148 do estator 18 e interagem com os elementos magnéticos 150, 152 do êmbolo de compressão 26 (figura 4) para criar a primeira força magnética quando o rotor 20 (figura 1) gira em torno do eixo geométrico de rotação A-A em uma direção anti-horária CC. A primeira força magnética representa uma quantidade de força requerida para atuar o êmbolo de compressão 26 dentro da via de passagem 32 do rotor 20. Por exemplo, na modalidade de exemplo como mostrada nas figuras 5A-5D, a primeira força magnética é configurada para atuar o êmbolo 26 para um dos quatro estágios do ciclo de Stirling.

[0028] Com referência agora à figura 5A, uma direção de magnetização definida pelos arranjos de ímãs 67A, 67B, 68A, 68B do estator 18 é indicada por uma seta M1, e uma direção de magnetização definida pelos elementos magnéticos 150, 152 do rotor 20 é indicada por uma seta M2. As direções de magnetização M2 de ambos os elementos magnéticos 150, 152 do rotor 20 são orientadas na mesma direção. A direção de magnetização M2 é substancialmente perpendicular ao eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20. As direções de magnetização M1 dos arranjos de ímãs 67A, 67B, 68A, 68B do estator 18 são também orientadas na mesma direção entre si, onde a direção de magnetização M2 dos elementos magnéticos 150, 152 do êmbolo de compressão 26 é oposta à direção de magnetização M1 dos arranjos de ímãs 67A, 67B, 68A, 68B do estator 18. A interação entre as direções opostas de magnetização M1, M2 cria a primeira força magnética.

[0029] Os arranjos de ímãs 67A, 67B são, ambos, dispostos ao longo de, ou são próximos a, a superfície inferior 45 da projeção 60B, e os arranjos de ímãs 68A, 68B são dispostos ou estão próximos à superfície superior 44 da projeção 60C. Especificamente, os arranjos de ímãs 67A, 67B são posicionados dentro do estator 18 de forma a reagir com os elementos magnéticos 150 do êmbolo de compressão 26, criando assim uma porção da primeira força magnética. Similarmente, os arranjos de ímãs 68A, 68B são posicionados dentro do estator 18 de forma a reagir com os elementos magnéticos 152 do êmbolo de compressão 26, criando assim uma porção restante da primeira força magnética requerida para atuar o êmbolo de compressão 26 dentro da via de passagem 32. Como visto na figura 5A, os arranjos de ímãs 67A e 68A estão localizados, ambos, a distâncias iguais a partir de uma linha central C do êmbolo de compressão 26. Similarmente, os arranjos de ímãs 68A e 68B estão também localizados a distâncias iguais a partir da linha central do êmbolo de compressão 26. Consequentemente, a primeira força magnética ao longo do eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20 (visto na figura 1) sobre o êmbolo de compressão 26, criada pelas direções opostas de magnetização M1, M2, é substancialmente zero.

[0030] Com referência a ambas as figuras 5A e 6, os arranjos de ímãs 67A, 67B, 68A, 68B são arranjados em relação a um comprimento L da via de passagem 32 de forma que as direções opostas de magnetização M1, M2 dos arranjos de ímãs 65A, 65B e os elementos magnéticos 150, 152 orientem o êmbolo de compressão 26 para um primeiro estado do ciclo de Stirling. Como visto na figura 6, o primeiro ímã dos arranjos de ímãs 65A, 65B se altera com base em uma posição circunferencial do êmbolo de compressão 26 em relação ao eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20. Mais especificamente, os ímãs discretos 160, 162 são arranjados no primeiro padrão magnético em torno da circunferência 148 do estator 18 a fim de criar ou induzir a primeira força magnética para atuar o êmbolo de compressão 26 para um dos quatro estágios do ciclo de Stirling.

[0031] a figura 5A é uma ilustração do êmbolo de compressão 26 na expansão total dentro da via de passagem 32. Quando o êmbolo de compressão 26 está na posição de expansão total, uma quantidade mínima de força de atuação é requerida para manter o êmbolo de compressão 26 no lugar dentro da via de passagem 32. Retornando agora para as figuras 5B e 6, quando o rotor 20 (figura 1) gira em torno do eixo geométrico de rotação A-A na direção anti-horária CC do estado a para o estado b, os ímãs discretos 160, 162 dos arranjos de ímãs 67A, 67B são arranjados para diminuir em distância entre um ao outro, que assim aumenta a primeira força magnética que é criada e exercida sobre o êmbolo de compressão 26. Como visto na figura 5B o êmbolo de compressão 26 é impulsionado na via de passagem 32 na primeira direção D1, e na direção para o eixo geométrico de rotação A-A para o estágio b do ciclo de Stirling. Uma vez que o espaço de compressão 38 dentro da via de passagem 32 diminuiu, o estágio b requer mais compressão que o estágio a.

[0032] Com referência agora às figuras 5C e 6, quando o rotor 20 (figura 1) gira em torno do eixo geométrico de rotação A-A na direção anti- horária CC a partir do estado b para o estado c, os ímãs discretos 160, 162 dos arranjos de ímãs 65A, 65B continuam a aumentar em distância uns dos outros, aumentando assim a primeira força magnética exercida sobre o êmbolo de compressão 26. Como visto na figura 5C, o êmbolo de compressão 26 é agora orientado no estágio c do ciclo de Stirling, que representa a compressão máxima ou completa. Consequentemente, como visto na figura 6, os ímãs discretos 160, 162 são posicionados de forma que a distância entre cada ímã discreto 160, 162 esteja em um mínimo. Isto é porque a primeira força magnética requerida para superar a força exercida pelo fluido de trabalho dentro do espaço de compressão 38 está em um máximo.

[0033] Com referência agora às figuras 5D e 6, quando o rotor 20 (figura 1) gira em torno do eixo geométrico de rotação A-A na direção anti- horária CC do estado c para o estado d, os ímãs discretos 160, 162 dos arranjos de ímãs 65A, 65B são arranjados para ficarem substancialmente na mesma distância uns dos outros. Como visto na figura 5D, o êmbolo de compressão 26 é agora orientado no estágio d do ciclo de Stirling. Finalmente, quando o rotor 20 gira em torno do eixo geométrico de rotação A-A na direção anti-horária CC a partir do estado d para o estado a, os ímãs discretos 160, 162 são arranjados de forma que a distância entre cada ímã discreto 160, 162 aumente e esteja em uma distância máxima no ponto a. Consequentemente, a primeira força magnética exercida sobre o êmbolo de compressão 26 varia quando o rotor 20 gira em torno do eixo geométrico de rotação A-A (figura 1).

[0034] A figura 7 é um diagrama esquemático que é representativo de uma vista superior do estator 18 ilustrando os arranjos de ímãs 65A, 65B dispostos ao longo da superfície inferior 45 da projeção 60A (figura 1). Os arranjos de ímãs 65A, 65B e os arranjos de ímãs 66A, 66B interagem com os elementos magnéticos 150, 152 (figura 4) para exercer uma segunda força magnética sobre o êmbolo de expansão 30 (visto na figura 1). Similarmente ao exemplo como mostrado na figura 6, cada arranjo de ímãs 65A, 65B compreende de uma série de ímãs discretos 164, 166 que são arranjados em torno da circunferência 148 do estator 18 em um segundo padrão magnético destinado para atuar o êmbolo lateral de expansão 30. Especificamente, os ímãs discretos 164, 166 são arranjados de forma a interagir com os elementos magnéticos 150, 152 do êmbolo (figura 4) para criar a segunda força magnética quando o rotor 20 (figura 1) gira em torno do eixo geométrico de rotação A-A na direção anti-horária CC. A segunda força magnética representa uma quantidade de força requerida para atuar o êmbolo de expansão 30 dentro da via de passagem 34 do rotor 20, e para um dos quatro estágios do ciclo de Stirling. Similarmente ao exemplo como mostrado na figura 6, os quatro estados do ciclo de Stirling são mostrados na figura 7 como o estágio a, o estágio b, o estágio c, e o estágio d. O estágio a corresponde a um estado de compressão máxima, e o estágio d corresponde à posição de expansão máxima do êmbolo 30

[0035] A figura 8 é um exemplo alternativo do êmbolo de compressão 26, onde o êmbolo de compressão 26 é ilustrado como um objeto transparente. Como visto na figura 8, os elementos magnéticos 150 são agora orientados de forma que a direção de magnetização M1 dos elementos magnéticos 150 seja orientada em uma direção substancialmente perpendicular à primeira e segunda direções D1 e D2 do deslocamento do êmbolo dentro do rotor 20 (figura 2), e substancialmente paralela com o eixo geométrico de rotação A-A (figura 1) do rotor 20. Cada um dos elementos magnéticos 150 se estende em uma direção vertical entre a primeira superfície plana 130 e a segunda superfície plana 132 do êmbolo de compressão 26.

[0036] A figura 9 é uma ilustração esquemática dos elementos magnéticos 150 do êmbolo de compressão 26 em relação aos arranjos de ímãs 67A, 67B, 68A, 68B do estator 18 (o estator 18 não é ilustrado na figura 9). Os arranjos de ímãs 67A, 67B, 68A, 68B são orientados em uma direção substancialmente perpendicular com relação ao eixo geométrico de rotação A- A do rotor 20 e a direção de magnetização M2 dos elementos magnéticos 150. Especificamente, a direção de magnetização M1 do arranjo de ímãs 68B e do arranjo de ímãs 68A é orientada em uma direção radialmente para dentro e na direção para o eixo geométrico de rotação A-A, enquanto a direção de magnetização M3 dos arranjos de ímãs 67A, 68B é orientada em uma direção radialmente para fora e para longe do eixo geométrico de rotação A-A. Os arranjos de ímãs 67A, 67B e 68A, 68B são localizados a distâncias iguais a partir da linha central C do êmbolo de compressão 26. Consequentemente, a força magnética exercida sobre o êmbolo de compressão 26 é substancialmente zero.

[0037] A figura 10 é ainda outro exemplo do arranjo mostrado na figura 9, onde os arranjos de ímãs 67A, 67B, 68A, 68B são agora orientados substancialmente paralelos com relação aos elementos magnéticos 150 do êmbolo de compressão 26 bem como o eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20. Especificamente, a direção de magnetização M2 dos elementos magnéticos 150 é orientada para baixo, e na direção para a segunda superfície plana 132 do êmbolo de compressão 26. A direção de magnetização M1 para cada um dos arranjos de ímãs 67A, 67B, 68A, 68B está em uma direção substancialmente oposta à direção de magnetização M2 dos elementos magnéticos 150.

[0038] A figura 11 é ainda outro exemplo do arranjo mostrado na figura 9, onde os arranjos de ímãs 67A, 67B foram substituídos por uma única barra ferromagnética 167 e os arranjos de ímãs 68A, 68B foram substituídos por uma única barra ferromagnética 168. Assim, com referência a ambas as figuras 6 e 11, os ímãs discretos 160, 162 foram substituídos por barras ferromagnéticas 167, 168. As barras ferromagnéticas 167, 168 e os elementos magnéticos 150, 152 do êmbolo de compressão 26 são, cada, orientados em uma direção substancialmente perpendicular ao eixo geométrico de rotação A-A. Na modalidade de exemplo como mostrada na figura 11, ambas as barras ferromagnéticas 167, 168 definem um comprimento 170. O comprimento 170 das barras ferromagnéticas 167, 168 é substancialmente idêntico a um comprimento 172 dos elementos magnéticos 150, 152 do êmbolo de compressão 26. A direção de magnetização M2 de ambos os elementos magnéticos 150, 152 do êmbolo 26 é orientada em uma direção para fora e para longe do eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20.

[0039] A figura 12 é outro exemplo do arranjo mostrado na figura 11, onde os elementos magnéticos 150 são agora orientados em uma primeira direção de magnetização M1 e uma segunda direção de magnetização M2, onde tanto a primeira quanto a segunda direções M1, M2 de magnetização são substancialmente paralelas ao eixo geométrico de rotação A-A. Além disso, a direção de magnetização M1 de um ou mais elementos magnéticos 150 localizados em uma porção de extremidade proximal 180 do êmbolo de compressão 26 mais próxima ao eixo geométrico de rotação A-A é orientada em uma direção substancialmente oposta à segunda direção de magnetização M2 de um ou mais elementos magnéticos 150 localizados em uma porção de extremidade distal 182 do êmbolo de compressão 26 mais afastado para longe do eixo geométrico de rotação A-A.

[0040] A figura 13 é ainda outro exemplo do arranjo mostrado na figura 11, onde o êmbolo de compressão 26 inclui agora uma pluralidade de barras ferromagnéticas 250, 252. Especificamente, uma ou mais barras ferromagnéticas 250 são localizadas próximas à primeira superfície plana 130 do êmbolo de compressão 26, e uma ou mais barras ferromagnéticas 252 são localizadas próximas à segunda superfície plana 132 do êmbolo de compressão 26. Os arranjos de ímãs 67A, 67B, 68A, 68B incluem, cada, uma direção de magnetização M1 que é substancialmente perpendicular com relação ao eixo geométrico de rotação A-A, e é orientada em uma direção radialmente para dentro e na direção para o eixo geométrico de rotação A-A.

[0041] Nos exemplos como descritos acima, os pistões 26, 30 são atuados nas direções D1 e D2 (figura 2), que são substancialmente perpendiculares ao eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20 (figura 1). A figura 14 é um exemplo alternativo da máquina térmica 10 onde um êmbolo 226 pode ser atuado em uma direção substancialmente paralela ao eixo geométrico de rotação A-A. A figura 14 ilustra uma via de passagem 232 que é alinhada com o eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20 (figura 1). A via de passagem 232 é orientada em uma direção substancialmente paralela ao eixo geométrico de rotação A-A. Como visto na figura 14, o êmbolo 226 é alinhado com, e se estende, ao longo do eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20. O êmbolo 226 inclui uma pluralidade de ímãs permanentes 240, 242, 246 que são, cada, alinhados com o eixo geométrico de rotação A-A, e são dispostos ao longo de um comprimento 254 do êmbolo 226. Como visto na figura 14, o êmbolo 226 é circundado por dois arranjos de ímãs 266, 268. Embora a figura 14 ilustre o êmbolo 226 como estando alinhado com o eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20, em outro exemplo o êmbolo 226 pode também ser deslocado a uma distância a partir do eixo geométrico de rotação A-A do rotor 20 bem como.

[0042] As figuras 15 e 16 são um exemplo alternativo do rotor 20, onde o arranjo de êmbolo/gás nas figuras 1 e 2 é revertido. A figura 15 é uma vista esquemática em seção transversal do rotor 20 tomada ao longo da linha de seção A-A da figura 16, enquanto a figura 16 é uma vista esquemática em seção transversal do rotor 20 tomada ao longo da linha de seção B-B da figura 15. Como visto em ambas as figuras 15 e 16, o rotor 20 inclui dois regeneradores 24A, 24B, dois pistões de compressão 26A, 26B, dois pistões de expansão 30A, 30B. Como visto na figura 16, os dois regeneradores 24A, 24B são, cada, colocados ao longo de lados opostos 302 do rotor 20, onde um primeiro regenerador 24A é posicionado em um primeiro lado 302 do rotor 20 e um segundo regenerador 24B é posicionado em um segundo lado 302 do rotor 20 que geralmente se opõe ao primeiro lado 302. O regenerador 24A é usado para transferir calor entre o êmbolo de compressão 26A e o êmbolo de expansão 30A, e o regenerador 24B transfere calor entre o êmbolo de compressão 26B e o êmbolo de expansão 30B.

[0043] Como visto na figura 16, os dois pistões de compressão 26A, 26B são ambos acoplados ao rotor 20 por rolamentos 70A, 70B. Especificamente, os rolamentos 70A, 70B são, cada, conectados a porções de extremidade 73a, 73b do êmbolo de compressão 26A, 26B, onde as porções de extremidade 73A, 73B representam a porção mais interna de um respectivo êmbolo de compressão 26A, 26B. Como também visto na figura 16, respectivos trocadores de calor 320A, 320B são termicamente conectados a um correspondente espaço dos espaços de compressão 32A, 32B. Ambos os trocadores de calor 320A, 320B são termicamente conectados a um trajeto de condução térmica 322. O trajeto de condução térmica 322 está em comunicação com um barramento de condução 324, que é usado para conduzir calor ao longo de uma direção vertical do rotor 20. Um separador opcional 326 pode ser colocado ao longo de um eixo geométrico de simetria S-S, e é usado para separar os espaços de compressão 32A, 32B.

[0044] A figura 17 é um fluxograma de processo ilustrando um método de exemplo 400 para atuar o êmbolo 26 mostrado na figura 1. Embora somente o êmbolo de compressão 26 seja descrito, deve ser apreciado que uma proposta similar pode ser usada para atuar também o êmbolo de expansão 30.

[0045] Com referência agora às figuras 1 a 2, 6 e 17, o método 400 pode começar no bloco 402. No bloco 402, o rotor 20 é girado em torno do eixo geométrico de rotação A-A. Como visto na figura 1, o rotor 20 é circundado pelo estator 18. Como visto na figura 6, o estator 18 define os arranjos de ímãs 67A, 67B. Os arranjos de ímãs 67A, 67B compreendem dois ímãs discretos 160, 162, os quais são arranjados em torno da circunferência 148 do estator 18 no primeiro padrão magnético. O método 400 pode então prosseguir para o bloco 404.

[0046] No bloco 404, a primeira força magnética é criada quando o rotor 20 gira em torno do eixo geométrico de rotação A-A. Especificamente, como explicado acima, a primeira força magnética é criada pela interação entre a pluralidade de ímãs discretos 160, 162 do estator 18 e os elementos magnéticos 150, 152 do êmbolo 26. Deve ser apreciado que a primeira força magnética representa uma quantidade de força requerida para atuar o êmbolo 26 dentro da via de passagem 32 do rotor 20. O método 400 pode então prosseguir para o bloco 406.

[0047] No bloco 406, a primeira força magnética atua o êmbolo 26 dentro da via de passagem 32. Como visto nas figuras 5A-5D e 6, o êmbolo 26 pode ser atuado do estado a para o estado b, do estado b para o estado c, do estado c para o estado d, ou do estado d para o estado a. O método 400 pode então terminar.

[0048] Com referência geralmente às figuras, inúmeros efeitos e benefícios técnicos estão associados com o sistema descrito, para utilizar força magnética para atuar os pistões. O sistema descrito pode ser usado para operar um motor térmico, e elimina a necessidade de fazer contato com o rotor por uma parte não rotativa da máquina. Além disso, uma vez que não existe corrente elétrica que é diretamente usada para atuar os pistões, não existem perdas de aquecimento de Joule. O emprego de ímãs para atuar os pistões elimina substancialmente a maioria das perdas de energia associadas com a atuação dos pistões. Finalmente, a força exercida sobre um êmbolo em qualquer ponto de operação pode também ser determinada com base em um específico tamanho e resistência dos elementos magnéticos incluídos pelo estator. Consequentemente, o movimento translacional do êmbolo durante a atuação pode ser ajustado a fim de melhorar a operação.

[0049] Ainda, a invenção compreende exemplos de acordo com as seguintes cláusulas: Cláusula 1. Máquina rotativa (10), compreendendo: um estator (18) definindo uma circunferência (148); uma pluralidade de primeiros arranjos de ímãs (67A, 67B, 68A, 68B) compostos de uma pluralidade de primeiros ímãs discretos (160, 162) arranjados em torno da circunferência (148) do estator (18) em um primeiro padrão magnético; um rotor (20) rotativo em torno de um eixo geométrico de rotação e definindo um corpo principal (36), em que o corpo principal (36) define uma primeira via de passagem (32); e um primeiro êmbolo (26) incluindo uma pluralidade de primeiros elementos magnéticos (150, 152), o primeiro êmbolo (26) atuado dentro da primeira via de passagem (32) do rotor (20), em que a pluralidade de primeiros ímãs discretos (160, 162) é arranjada no primeiro padrão magnético e os primeiros irmãs discretos são posicionados para interagir com os primeiros elementos magnéticos (150, 152) do primeiro êmbolo (26) para criar uma primeira força magnética quando o rotor (20) gira em torno do eixo geométrico de rotação, a primeira força magnética representando uma primeira quantidade de força requerida para atuar o primeiro êmbolo (26) dentro da primeira via de passagem (32) do rotor (20).

[0050] Cláusula 2. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 1, compreendendo um segundo êmbolo (30) incluindo uma pluralidade de segundos elementos magnéticos (150, 152), o segundo êmbolo (26) atuado dentro de uma segunda via de passagem (34) definida pelo corpo principal (36) do rotor (20), em que o estator (18) inclui uma pluralidade de segundos arranjos de ímãs (65A, 65B, 66A, 66B) compostos de uma pluralidade de segundos ímãs discretos (164, 166).

[0051] Cláusula 3. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 2, em que a pluralidade de segundos ímãs discretos (164, 166) é posicionada para interagir com os segundos elementos magnéticos (150, 152) do segundo êmbolo (30) para criar uma segunda força magnética quando o rotor gira em torno do eixo geométrico de rotação, a segunda força magnética representando uma segunda quantidade de força requerida para atuar o segundo êmbolo (30) dentro da segunda via de passagem (34) do rotor (20).

[0052] Cláusula 4. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 1, em que a pluralidade de primeiros ímãs discretos (160, 162) define uma primeira direção de magnetização que é oposta a uma segunda direção de magnetização definida pelos primeiros elementos magnéticos (150, 152) do primeiro êmbolo (26).

[0053] Cláusula 5. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 1, em que a pluralidade de primeiros ímãs discretos (160, 162) compreende barras ferromagnéticas (167, 168), e os primeiros elementos magnéticos (150, 152) do primeiro êmbolo (26) são ímãs permanentes.

[0054] Cláusula 6. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 1, em que a pluralidade de primeiros ímãs discretos (160, 162) é ímãs permanentes e os primeiros elementos magnéticos (150, 152) do primeiro êmbolo (26) são barras ferromagnéticas (250, 252).

[0055] Cláusula 7. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 1, em que a máquina rotativa (10) é um motor de Stirling incluindo quatro estágios de operação.

[0056] Cláusula 8. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 7, em que a primeira força magnética é configurada para atuar o primeiro êmbolo (26) para um dos quatro estágios de operação do motor de Stirling.

[0057] Cláusula 9. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 1, em que a máquina rotativa é um refrigerador criogênico que emprega um ciclo de Stirling, o refrigerador criogênico provendo resfriamento para uma carga (50).

[0058] Cláusula 10. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 1, em que o primeiro êmbolo (26) é acoplado ao rotor (20) por um rolamento (70).

[0059] Cláusula 11. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 10, em que o rolamento (70) é selecionado do grupo consistindo de: um rolamento de flexão, um rolamento a gás, um rolamento deslizante, e um rolamento de esferas linear.

[0060] Cláusula 12. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 1, em que o primeiro êmbolo (26) é orientado dentro da primeira via de passagem (32) em uma direção que é substancialmente perpendicular ao eixo geométrico de rotação do rotor (20).

[0061] Cláusula 13. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 1, em que o primeiro êmbolo (226) é atuado em uma direção substancialmente paralela ao eixo geométrico de rotação do rotor (20).

[0062] Cláusula 14. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 1, em que os primeiros elementos magnéticos (150, 152) definem uma direção de magnetização que é substancialmente perpendicular ao eixo geométrico de rotação do rotor (20).

[0063] Cláusula 15. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 1, em que os primeiros elementos magnéticos (150, 152) definem uma direção de magnetização que é substancialmente paralela ao eixo geométrico de rotação do rotor (20).

[0064] Cláusula 16. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 1, compreendendo um regenerador (24) posicionado em torno do eixo geométrico de rotação do rotor (20).

[0065] Cláusula 17. Máquina rotativa (10) de acordo com a cláusula 1, compreendendo um primeiro regenerador (24A) e um segundo regenerador (24B), em que o primeiro regenerador (24A) é posicionado em um primeiro lado (302) do rotor (20) e o segundo regenerador (24B) é posicionado em um segundo lado (302) do rotor (20) que se opõe ao primeiro lado (302).

[0066] Cláusula 18. Método para atuar um primeiro êmbolo (26) dentro de uma primeira via de passagem (32) de um rotor (20), em que o rotor (20) faz parte de uma máquina rotativa (10), o método compreendendo: girar o rotor (20) em torno de um eixo geométrico de rotação, em que o rotor (20) é circundado por um estator (18) que define uma circunferência (148), e em que uma pluralidade de primeiros arranjos de ímãs (67A, 67B, 68A, 68B) é composta de uma pluralidade de primeiros ímãs discretos (160, 162) arranjados em torno da circunferência (148) do estator (18) em um primeiro padrão magnético; criar uma primeira força magnética quando o rotor (20) gira em torno do eixo geométrico de rotação, em que a primeira força magnética é criada por uma interação entre a pluralidade de primeiros ímãs discretos (160, 162) arranjados em torno da circunferência (148) do estator (18) e uma pluralidade de primeiros elementos magnéticos (150, 152) do primeiro êmbolo (26); e atuar o primeiro êmbolo (26) dentro da primeira via de passagem (32) do rotor (20) pela primeira força magnética.

[0067] Cláusula 19. Método de acordo com a cláusula 18, compreendendo adicionalmente criar uma segunda força magnética quando o rotor (20) gira em torno do eixo geométrico de rotação, em que a segunda força magnética representa uma segunda quantidade de força requerida para atuar um segundo êmbolo (30) dentro de uma segunda via de passagem (34) do rotor (20).

[0068] Cláusula 20. Método de acordo com a cláusula 18, compreendendo atuar o primeiro êmbolo (26) para um de quatro estágios de um ciclo de Stirling.

[0069] Embora as formas de aparelhos e métodos aqui descritas constituam aspectos preferidos desta invenção, deve ser entendido que a invenção não é limitada a essas formas precisas de aparelhos e métodos, e as alterações podem ser feitas aqui sem se afastar do escopo da invenção.

Claims (15)

1. Máquina térmica (10), caracterizadapelo fato de que compreende: um estator (18) definindo uma circunferência (148); um rotor (20) rotativo em torno de um eixo geométrico de rotação (A-A), o rotor sendo conectado a um eixo (22) e definindo um corpo principal (36), em que o corpo principal define uma primeira via de passagem (32), em que o estator envolve uma superfície circunferencial mais externa (56) do rotor (20); uma pluralidade de primeiros arranjos de ímãs (67A, 67B, 68A, 68B), cada arranjo compreendendo uma pluralidade de primeiros ímãs discretos (160, 162) arranjados em torno da circunferência (148) do estator (18) em um primeiro padrão magnético; um primeiro êmbolo (26) incluindo uma pluralidade de primeiros elementos magnéticos (150, 152), o primeiro êmbolo (26) orientado dentro da primeira via de passagem (32) do rotor (20) em uma direção perpendicular ao eixo de rotação (A-A) do rotor ou paralela ao eixo (A-A) do rotor, em que o primeiro êmbolo (26) e a primeira via de passagem (32) do rotor (20) definem um conjunto êmbolo-cilindro, em que a pluralidade de primeiros ímãs discretos (160, 162) dos primeiros arranjos de ímãs é arranjada para variar em posição entre si em uma direção perpendicular ao eixo geométrico de rotação (A-A) do rotor (20) ou paralela ao eixo geométrico de rotação do rotor (20), para assim interagir com os primeiros elementos magnéticos (150, 152) do primeiro êmbolo (26) para criar uma primeira força magnética requerida para atuar o primeiro êmbolo (26) dentro da primeira via de passagem (32) quando o rotor (20) gira em torno do eixo geométrico de rotação (A-A).

2. Máquina térmica (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende um segundo êmbolo (30) incluindo uma pluralidade de segundos elementos magnéticos (150, 152), o segundo êmbolo (26) orientado dentro de uma segunda via de passagem (34) definida pelo corpo principal (36) do rotor (20) de modo que o primeiro êmbolo e o segundo êmbolo sejam ambos orientados em uma direção que seja substancialmente perpendicular ao eixo de rotação (A-A) do rotor ou substancialmente paralela ao eixo (A-A) do rotor, em que o estator (18) inclui uma pluralidade de segundos arranjos de ímãs (65A, 65B, 66A, 66B) compreendendo uma pluralidade de segundos ímãs discretos (164, 166) dispostos em torno da circunferência (148) do estator (18) em um segundo padrão magnético.

3. Máquina térmica (10) de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de segundos ímãs discretos (164, 166) é disposta para variar em posição entre si em uma direção que é substancialmente perpendicular ao eixo geométrico de rotação (A-A) do rotor ou substancialmente paralela ao eixo de rotação do rotor de modo a para interagir com os segundos elementos magnéticos (150, 152) do segundo êmbolo (30) para criar uma segunda força magnética quando o rotor gira em torno do eixo geométrico de rotação, a segunda força magnética representando uma segunda quantidade de força requerida para atuar o segundo êmbolo (30) dentro da segunda via de passagem (34) do rotor (20).

4. Máquina térmica (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de primeiros ímãs discretos (160, 162) define uma primeira direção de magnetização que é oposta a uma segunda direção de magnetização definida pelos primeiros elementos magnéticos (150, 152) do primeiro êmbolo (26).

5. Máquina rotativa (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de primeiros ímãs discretos (160, 162) compreende barras ferromagnéticas (167, 168), e os primeiros elementos magnéticos (150, 152) do primeiro êmbolo (26) são ímãs permanentes.

6. Máquina térmica (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de primeiros ímãs discretos (160, 162) é ímãs permanentes e os primeiros elementos magnéticos (150, 152) do primeiro êmbolo (26) são barras ferromagnéticas (250, 252).

7. Máquina térmica (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que a máquina rotativa (10) é um motor de Stirling incluindo quatro estágios de operação.

8. Máquina térmica (10) de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a primeira força magnética é configurada para atuar o primeiro êmbolo (26) para um dos quatro estágios de operação do motor de Stirling.

9. Máquina térmica (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que a máquina térmica (10)é um refrigerador criogênico que emprega um ciclo de Stirling, o refrigerador criogênico provendo resfriamento para uma carga (50).

10. Máquina térmica (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de que o primeiro êmbolo (26) é acoplado ao rotor (20) por um rolamento (70), em que o rolamento (70) é selecionado do grupo consistindo de: um rolamento de flexão, um rolamento a gás, um rolamento deslizante, e um rolamento de esferas linear.

11. Máquina térmica (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pelo fato de que compreende uma série de aletas de dissipação de calor (42) dispostas ao longo de uma superfície mais externa (46) definida pelo rotor (20).

12. Máquina térmica (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que compreende um primeiro regenerador (24A) e um segundo regenerador (24B), em que o primeiro regenerador (24A) é posicionado em um primeiro lado (302) do rotor (20) e o segundo regenerador (24B) é posicionado em um segundo lado (302) do rotor (20) que se opõe ao primeiro lado (302).

13. Método para atuar um primeiro êmbolo (26) dentro de uma primeira via de passagem (32) de um rotor (20), em que o primeiro êmbolo (26) e a primeira via de passagem (32) do rotor (20) definem um conjunto êmbolo-cilindro e o rotor (20) faz parte de uma máquina térmica (10), o método caracterizado pelo fato de que compreende: girar o rotor (20) em torno de um eixo geométrico de rotação, em que o rotor (20) é conectado ao eixo (22) e o rotor (20) é circundado por um estator (18) que define uma circunferência (148), e em que o estator envolve uma superfície circunferencial mais externa do rotor (20), em que cada um de uma pluralidade de primeiros arranjos de ímãs (67A, 67B, 68A, 68B) compreende uma pluralidade de primeiros ímãs discretos (160, 162) arranjados em torno da circunferência (148) do estator (18) em um primeiro padrão magnético, em que a pluralidade de primeiros ímãs discretos dos primeiros arranjos de ímãs está disposta para variar em posição entre si em uma direção que é substancialmente perpendicular ao eixo geométrico de rotação (A-A) do rotor ou substancialmente paralela ao eixo geométrico de rotação do o roto; criar uma primeira força magnética quando o rotor (20) gira em torno do eixo geométrico de rotação, em que a primeira força magnética é criada por uma interação entre a pluralidade de primeiros ímãs discretos (160, 162) arranjados em torno da circunferência (148) do estator (18) e uma pluralidade de primeiros elementos magnéticos (150, 152) do primeiro êmbolo (26), em que o primeiro êmbolo (26) é orientado dentro da primeira via de passagem (32) do rotor (20) em uma direção que é perpendicular ao eixo geométrico de rotação (A-A) do rotor ou paralela ao eixo geométrico do rotor; e atuar o primeiro êmbolo (26) dentro da primeira via de passagem (32) do rotor (20) pela primeira força magnética.

14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente criar uma segunda força magnética quando o rotor (20) gira em torno do eixo geométrico de rotação, em que a segunda força magnética representa uma segunda quantidade de força requerida para atuar um segundo êmbolo (30) dentro de uma segunda via de passagem (34) do rotor (20).

15. Método de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que compreende atuar o primeiro êmbolo (26) para um de quatro estágios de um ciclo de Stirling.