CN104584397A - 用于斯特林冷却器的电磁线性驱动 - Google Patents

Abstract

提供了一种改进的机电换能器。在实施方案中，所述换能器包括至少两个磁通模块，每个限定具有间隙的磁路；配置成沿纵轴穿过间隙移动的电枢；以及横向包围所述电枢的气体密闭结构，其中：所述至少两个磁通模块被提供在气体密闭结构的外面；并且所述电枢包括在所述间隙横向外部的加强部分，该加强部分在平行于所述间隙中的磁通的方向上比所述间隙中的至少一个更宽。

Description

用于斯特林冷却器的电磁线性驱动

本发明涉及一种机电换能器，特别是被配置为充当线性电动机或线性发电机的那些机电换能器。

线性电动机/发电机被用于广泛的应用，并因此具有在现有技术中可用的大量可供选择的不同的配置。这些选择包括动圈、动磁和动铁的设计，其中每一个都具有一定的优点和一定的缺点。

动圈式线性电动机/发电机往往是需要灵活的电流引线和相对大量的磁铁材料，其会导致高制造成本。

动磁式和动铁式线性电动机/发电机往往在结构上相当复杂，并且会遭受缺乏稳健性的困扰。此外，很难将这样的系统与其他装置集成。在一般情况下，这些电动机/发电机包括由具有空气间隙的环形磁芯形成的多个磁路。空气间隙沿被接收在空气间隙的电枢的线性运动的方向排列。缠绕在磁芯上的线圈产生用于驱动电枢的运动的磁通量或连结由电枢运动产生的磁通量。

当电枢需要在保持在不同于周围环境压力的压力下的一定体积内运动时，就产生了整合现有技术的线性电动机/发电机与其他装置的一个特别的难题。例如，当线性电动机/发电机在与斯特林循环发动机一起结合使用时，这可能是需要的。

Bailey,P.B.,Dadd,M.W.和Stone,C.R.(2009)。无油线性压缩机使用紧凑式换热器。在机械工程师学会的关于压缩机及其系统的国际会议(International Conference on Compressors and their Systems)的259-267页上公开了用于冷却例如电脑里的CPU的电子部件的电动机结构。所公开的结构解决了与生产有效的线性电动机相关的难题，在其中电枢需要移动通过加压的体积。该电动机的基本结构示意性地显示在图1中。电枢10被提供，其被配置成沿纵轴穿过多个磁路2中的空气间隙线性运动。磁路2被配置为相对于电枢10运动的纵向方向横向地提供磁通。磁路2构成电动机的静态部分。每一个磁路2包括叠片磁芯4和卷绕在其周围的线圈6。磁芯4被开槽并且槽的侧面形成限定空气间隙的磁极片。空气间隙是矩形形式。磁芯4被定位成使得所有的空气间隙沿着电动机轴排列。邻近磁芯4的配置交替使得线圈6不会相互阻碍。电枢10构成电动机的移动部分，并包括布置成一列且配置成移动通过线性排列的空气间隙的多个矩形磁铁8。磁铁8的极性交替。

电枢10的轴向运动具有改变穿过磁芯4的磁通量的效果，其在线圈6里感应电压；极性与相邻的磁芯4是相反的。如果将适当的多个的交流电流施加到线圈6，那么交变的轴向力根据所需产生。

所公开的电动机集成有线性悬挂系统。图1示意性示出电枢10如何连接到线性悬挂系统的线性弹簧12。在所公开的布置中，电动机被配置成作为压缩机的一部分运作。所公开的压缩机具有本质上单件式压缩机主体，电动机的所有主要静态部件与其附接。在所公开的结构中，线圈6位于电枢10在其内移动的压力密闭容器14的外面。电枢10周围的压力密闭容器14的部分包括被定位在空气间隙中并被密封在压缩机主体的两端的矩形管。

线性悬挂系统通过提供附接到压缩机主体的端部的两个弹簧组件而进行配置。两个弹簧组件之间的内部连接通过包含在矩形管内的电枢10(或刚性地连接到电枢的元件)实现。压缩机的活塞被来自动磁组件的悬臂支撑并且汽缸被固定在压缩机主体的端部。

为了长寿命，至关重要的是，压缩机的活塞与汽缸之间的径向间隙被保持，并且这要求电枢结构是刚性的且悬挂系统的径向刚度足够高。

对于动磁设计，即使在相对小的应用的情况中，(如用于电子部件的冷却系统)，这也是具有挑战性的。动磁8引起在电枢10上的显著的离轴阻力(reluctant force)。增加电枢10的厚度是有问题的，因为它增加磁芯4中的空气间隙的尺寸。需要相对大量的磁能以保持穿过间隙的通量，所以存在与较大空气间隙相关联的显著成本。再一个问题是，显著的涡流往往在位于空气间隙中的形成压力密闭容器14的任何部分的壁的材料中产生。如果将图1的结构应用于按比例放大的较大的机器中(具有在空气间隙中的更大的压力密闭容器壁材料，例如由于更厚的容器壁或更宽的空气间隙)，则这个问题预计导致显著的损失。

在较大规模的应用(例如，在10kW范围中操作的斯特林发动机应用中(这将需要在压力密闭容器里有大约100巴的填充压力))中用于实现线性电动机/发电机的现有技术中采取的替代方法是将整个电动机/发电机组件包括在压力密闭容器内。然而，这种方法有几个缺点。首先，压力密闭容器的体积将需要变得非常大，显著的增加材料的要求、重量和成本。其次，对于通过其引到电动机/发电机线圈的电引线的需求进一步增加了成本和/或增加了由于泄漏导致的故障的可能性。第三，从线圈排出的热量可能更难以除去，尤其是在较大尺寸处。单独靠传导可能不足以除去热量，例如，强制使用更复杂且昂贵的措施，例如液体冷却。

本发明的一个目的是解决有关现有技术的上述讨论中的至少一个问题。

根据本发明的目的，提供了一种机电换能器，其包括：至少两个磁通模块，每个限定具有间隙的磁路；配置成沿纵轴穿过间隙移动的电枢；以及横向地包围电枢的气体密闭结构，其中：该至少两个磁通模块被提供在气体密闭结构的外侧；并且该电枢包括横向地在间隙外部的加强部分，该加强部分在平行于间隙里的磁通的方向上比间隙中的至少一个更宽。

根据本发明的目的，提供了一种机电换能器，其包括：至少两个磁通模块，每个限定具有间隙的磁路；配置成沿纵轴穿过间隙移动的电枢；以及横向地包围电枢的气体密闭结构，其中：该至少两个磁通模块被提供在气体密闭结构的外侧；每个磁通模块包括用于限定间隙的第一磁芯和用于支撑线圈的第二磁芯，该线圈用于链接磁通模块或在磁通模块的磁路内产生磁通；并且该第二磁芯可拆卸地连接到第一磁芯。

因此，机电换能器被提供，其中气体密闭结构被提供在电枢周围，但不在提供横穿电枢的磁通量的磁通模块周围，并且其中电枢的刚度可以保持在足够高的水平，而不需要磁路里的间隙过大。这是通过提供自然在间隙外面的加强部分所实现的，且因此不会被间隙的厚度来约束尺寸。结构是这样的，例如电枢可以有效地被加强来对抗离轴阻力，其中，在电枢里提供磁体，而不减小换能器的电效率。

在实施方案中，磁通模块中的每一个包括限定间隙的第一磁芯和用于支撑线圈的第二磁芯，该线圈链接磁通模块或在磁通模块的磁路内产生磁通。支撑线圈的第二磁芯选择性地可拆卸地连接到第一磁芯。用于第二磁芯和待可拆卸地连接的与其相关联的线圈的布置允许单个电动机组件成为在不同的电压下工作的众多机器的基础。其也有利于更换故障线圈。

在实施方案中，气体密闭结构通过磁通模块的第一磁芯和/或通过用于支撑磁通模块的框架而被横向地支撑在预定的纵向长度上。例如，这些元件中的任一或两个都可以被提供以便在全部横向方向上与压力容器体积外表面在预定的纵向长度上齐平。因此，与在图1中所示类型的在现有技术中使用的压力密闭容器结构形成对照，该气体密闭结构所需的强度是最小的，例如，在其中，如果可能，在所有方向上都没有提供足够的横向支撑。该气体密闭结构从而仅仅需要抵抗气体穿透。因此，不论设备大小或输出功率，气体密闭结构的厚度可以制成为非常小。减少气体密闭结构的厚度降低了与在气体密闭结构内的涡流相关的损失。在许多应用中，将有可能的是使用的气体密闭结构的壁厚度小于0.5mm，或甚至小于0.2mm。

气体密闭结构的薄的壁厚度意味着薄片材料都可以被使用，其相对于具有需要更复杂的机械加工的较厚的壁的结构降低了制造成本。

在实施方案中，换能器被配置成作为线性电动机来运行。在另一个实施方案中，换能器被配置成作为线性发电机来运行。

根据本发明的一个可选方面，斯特灵循环发动机被提供，其使用根据本发明的实施方案的换能器。

现在将仅通过举例的方式、参考附图描述本发明的实施方案，在附图中相应的参考符号表示相应的部件，并且其中：

图1描绘了用于冷却电子部件的无油制冷系统的现有技术的电动机；

图2描绘了根据本公开的机电换能器；

图3描绘了安装在螺旋弹簧之间的线性悬挂系统里的机电换能器；

图4描绘了图3的换能器，其中在换能器的可见一侧除去可拆卸的第二磁芯；

图5描绘了图4的换能器，其中前螺旋弹簧和法兰被移除以显露突出的电枢和气体密闭结构；

图6描绘了图5的换能器，其中顶板被移除以显露模块化结构的细节；

图7描绘了图6的换能器，其中除了磁通模块对中的一对以外所有的磁通模块对都被移除；

图8描绘了图7的换能器的电枢，其中气体容器结构和后螺旋弹簧以及法兰被除去；

图9描绘了图8的电枢，其中磁通模块对的第二磁芯被除去；

图10描绘了图9的电枢，其中磁通模块对的第一磁芯被除去；

图11描述了完整的磁通模块对；

图12描述了其第二磁芯被除去的磁通模块对；

图13描述了显示替代的线圈布置的换能器的平面图；

图14描绘了被并入斯特林循环发动机的压缩机和膨胀机中的换能器。

图2是示例机电换能器的示意性剖面图。在本实施方案中，换能器包括多个磁通模块20。磁通模块20中的每一个包括限定磁路的磁芯。磁路具有间隙22，电枢24的一部分可以沿着纵轴穿过该间隙22移动。气体密闭结构26被提供在电枢24的外面。气体密闭结构26横向包围电枢24。气体密闭结构26被设置成对于体积内的气体密封(impermeable)，电枢24移动穿过该体积。气体密闭结构26限定了与气体密闭结构26的外部部件所位于的体积所分离的体积。在示出的实施方案中，磁通模块20被整体地提供在气体密闭结构26的外侧。

为了避免对在平行于磁通横穿间隙的方向上(在附图的取向中的垂直方向上)过厚的间隙22的需求，电枢24被提供有在间隙22横向外侧的加强部分28。加强部分28被配置成在平行于间隙22里的磁通的方向上比间隙22自身中的至少一个更宽。在图中的取向中，加强部分28在垂直方向上的厚度大于间隙22的在垂直方向上的厚度。这种配置使电枢24被制作地较硬，从而抵抗例如作用在垂直方向上离轴阻力，而不需要间隙22被制作地过大。气体密闭结构26具有横截面形状，因此，即，中心区域比在间隙22的外部的一个或两个横向侧区域更薄。在所示实例中，横截面采用所谓的“狗骨”形。

图3是图2中所示的实施方案的示意性立体视图。所示的换能器安装在线性悬架系统的法兰30和螺旋弹簧32之间。在这种类型的布置中，电枢24被刚性地连接到螺旋弹簧32的内缘34，其允许电枢24相对于换能器的静态部分纵向移动。

在实施方案中，磁通模块20中的每一个包括限定间隙22的第一磁芯和支撑线圈38的第二磁芯36，该线圈38用于链接磁路22或在磁路22里产生磁通。在实施方案中，第一和第二磁芯彼此成为一体。在替代实施方案中，第二磁芯36被可拆卸地连接到第一磁芯。在图3中描绘的实施方案是后一种类型。

图4描述了图3的换能器，其中第二磁芯36和相应线圈38与第一磁芯40分离。

图5描述了图4中的换能器，其中最近的法兰30和螺旋弹簧32被除去。此处，电枢24的加强部分28的结构可以被清楚地看到。在所示布置中，电枢24从气体密闭结构26稍微突出。

图6描述了图5的换能器，其中顶板被除去以提供磁通模块的结构的细节。在示出的实施方案中，磁通模块被提供在多个磁通模块对42里。每个磁通模块对42包括两个磁通模块20。在实施方案中，在每个磁通模块对42里的两个磁通模块是相同的。示例的磁通模块对42的结构在图11和图12中更详细地示出。

提供相同的磁通模块对有助于模块化结构，从而降低了制造成本，特别是在要求生产需要不同数量的磁通模块的设备的情况下。

在图11和图12中所示的实施方案中，磁通模块对42包括将两个磁通模块20保持在一起以形成对42的框架45。每个磁通模块20包括限定间隙22的第一磁芯40以及(选择性地通过框架45)可拆卸地连接到第一磁芯40的第二磁芯36和关联线圈38。

图11描述了附接有第二磁芯36的磁通模块对42。图12描述了与第二磁芯36分离的磁通模块对42。在示出的实施方案中，对42的磁通模块20中的其中一个包括线圈38，该线圈38仅位于平行于间隙22的宽度的平面的一侧上并且沿着纵轴平放。其它磁通模块20包括仅位于在平面的另一侧上的线圈38。在这种方式中，在纵向上直接相邻的磁通模块20的线圈38不相互干扰。可拆卸线圈38因此可以更容易地被接入。线圈38周围增加的空间可以协助在线圈38内的电阻加热的热管理，例如，通过改善对流实现。

在实施方案中，磁通模块20和/或用于支撑磁通模块的框架45提供了表面，该表面在预定纵向长度上全部与气体密闭结构的外表面齐平，以便在预定长度上抵抗由于气体密闭结构内部和外部之间的压力差造成的气体密闭结构的变形。在图11和图12的实施方案中，框架45的内表面47和在第一磁芯40中限定的间隙22的内表面被配置成匹配(即，齐平)气体密闭体积26的外表面。这种匹配例如在图5-7中可以看出。这种匹配要求第一磁芯40和框架45的相对精确的加工。然而，有利地是，第二磁芯36所要求的加工在第二磁芯36被配置为可拆卸地情况下并不需要如此精确。将第二磁芯36配置为可拆卸地从而潜在地节省了成本，其中在此方式中气体密闭结构被横向地支承。

在实施方案中，对42的其中一个磁通模块20的线圈在纵向上与对42的另一磁通模块20的线圈38至少部分地重叠。如果相邻的磁通模块20的线圈没有位于纵轴的相对的侧上，那么这种重叠将是不可能的。增加由给定数目的线圈所占用的空间有利于线圈的制造和安装和/或可有助于热管理。

图7描述了图6中的布置，其中所有的磁通模块对42中除了一个之外都被除去。

图8示出图7中的布置，其中除了单个磁通模块对42、电枢24以及安装在电枢24内的多个磁体44以外的所有部件都被除去。在所示的实施方案中，磁体44被布置成具有多个交替。以这种方式，通过适当地交替通过磁通模块20的磁路所驱动的磁通，能够在纵向上驱动电枢24的移动。可选地，当换能器作为发电机运行时，在磁通模块20中通过间隙22的永久磁铁的纵向运动将导致磁通模块20的线圈38内的变化的磁链，其将产生电流。

图9描述了图8的布置，其中第二磁芯36和线圈38被除去。

图10描述了图9的布置，其中第一磁芯40被除去，而只剩下磁通模块对42的框架45。

在上述实施方案中，有偶数数量的磁芯被分组为磁通模块对。例如，十个磁芯被分组为具有九个磁体的五对磁通模块对。另外，也可以通过将奇数磁芯结合到端部凸缘之一以具有奇数数量的磁芯。例如，具有九个磁芯，其中八个形成四对磁通模块对，而第九个可以结合到端部凸缘。有奇数数量的磁芯的能力允许换能器的额定功率以较小的增量来改变。模块化结构允许通过仅改变磁芯和对应的磁体的数量来使用共同的部件以产生宽范围的额定功率。

在上述实施方案中，每个磁通模块20有它自己的线圈38。然而，这不是必须的。在其他实施方案中，线圈可以被提供来卷绕多于一个的第二磁芯。这样的线圈可以包括环路，其“包含”多于一个的第二磁芯(即，使得两个或更多个第二磁芯穿过环路)。在实例中，线圈被提供为在包含换能器的一侧上的所有第二磁芯的环路中。这样的实施方案在相邻的第二磁芯的线圈以相同方向上被卷绕的情况中是特别方便的。图13示出这样实施方案的实例。为了清楚起见，在第二磁芯36内，换能器的轴向中心部分84没有详细示出。在中心部分84的左手侧，单个线圈组件38被提供用于第二磁芯36中的每一个。这样的布置从而与上述参考图2至图12的实施方案相同。在中心部分84的右手侧，相反地，线圈80被组合到单个线圈组件82中。线圈80形成环路，在换能器的一侧上的所有第二磁芯36穿过该环路。这种配置在第二磁芯36是可拆卸地情况下时特别容易实现的。当第二磁芯36处于分离状态时可以连接在一起以形成子组件。然后，仅需要单个卷绕操作以添加线圈80。除了减少卷绕工艺的数量之外，该方法还可以基于线圈尺寸降低所需导体的量。

在图2至图13中所描述的布置适用于发电机或电动机(取决于是否存在从移动电枢24到线圈38的净转移能量，或反之亦然)。

在实施方案中，换能器被配置成作为斯特林循环发动机的一部分来运行。图14是一种可能的配置的示意图。在示出的实施方案中，斯特林发动机50包括膨胀器52和连接到冷却器-再生器-加热器组件(分别为92、94、96)的压缩机54。膨胀器52包括被配置为在膨胀体积58内往复运动的膨胀活塞56。压缩机54包括被配置为在压缩体积62内往复运动的压缩活塞60。根据本发明的实施方案的两个换能器被提供为分别与在所示实施方案中的膨胀器52和压缩机54相互作用。在其它实施方案中，只有单个换能器可以被提供以与膨胀器52或者与压缩机54相互作用。配置成与膨胀器52相互作用的换能器66被配置为充当线性发电机。在本实施方案中，换能器66的气体密闭结构26被耦合到膨胀器52，以限定封闭体积，并且电枢24被配置成与膨胀活塞56一起移动。被配置成与压缩机54相互作用的换能器68充当线性电动机。换能器68的压力密闭容器结构26被耦合到压缩机54中，以这样的方式来限定封闭体积，并且电枢24被配置成与压缩活塞60一起移动。

Claims (24)

1.一种机电换能器，包括：

至少两个磁通模块，每个磁通模块限定具有间隙的磁路；

电枢，所述电枢配置成沿纵轴穿过所述间隙移动；以及

气体密闭结构，所述气体密闭结构横向包围所述电枢，其中：

所述至少两个磁通模块被设置在所述气体密闭结构的外面；并且

所述电枢包括横向于所述间隙外面的加强部分，所述加强部分在平行于所述间隙中的磁通的方向上比所述间隙中的至少一个间隙更宽。

2.根据权利要求1所述的换能器，其中：

所述磁通模块中的每一个磁通模块包括限定所述间隙的第一磁芯和用于支撑线圈的第二磁芯，所述线圈用于链接所述磁通模块或在所述磁通模块的磁路内产生磁通。

3.根据权利要求2所述的换能器，其中：

所述第一磁芯和所述第二磁芯彼此成为一体。

4.根据权利要求2所述的换能器，其中：

所述第二磁芯可拆卸地连接到所述第一磁芯。

5.一种机电换能器，包括：

至少两个磁通模块，每个磁通模块限定具有间隙的磁路；

电枢，所述电枢配置成沿纵轴穿过所述间隙移动；以及

气体密闭结构，所述气体密闭结构横向包围所述电枢，其中：

所述至少两个磁通模块被设置在所述气体密闭结构的外面；

所述磁通模块中的每个磁通模块包括限定所述间隙的第一磁芯和用于支撑线圈的第二磁芯，所述线圈用于链接所述磁通模块或在所述磁通模块的磁路内产生磁通；并且

所述第二磁芯可拆卸地连接到所述第一磁芯。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的换能器，其中：

所述气体密闭结构对于预定的纵向距离在所述气体密闭结构的整个外表面上通过所述气体密闭结构的横向外部的元件来支撑，以便在预定长度上抵抗由于所述气体密闭结构的内部和外部的压力差造成的所述气体密闭结构的变形。

7.根据权利要求6所述的换能器，其中：

所述磁通模块和/或用于支撑所述磁通模块的框架提供了表面，所述表面在预定的纵向距离上与气体密闭结构的全部外表面齐平，以便提供支撑。

8.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中：

所述电枢包括一个或多个永久磁铁。

9.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中：

所述电枢包括一个或多个磁芯并且具有缠绕所述一个或多个磁芯的线圈。

10.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中：

所述至少两个磁通模块包括一个或多个磁通模块对。

11.根据权利要求10所述的换能器，其中，每个磁通模块对是相同的。

12.根据权利要求10或11所述的换能器，其中：

所述磁通模块对中的一个磁通模块包括仅在平行于所述间隙的宽度且平行于纵轴的平面的一侧上的线圈；

其它磁通模块包括仅在所述平面的另一侧上的线圈。

13.根据权利要求12所述的换能器，其中，所述磁通模块对的一个磁通模块的线圈在纵向方向上与所述磁通模块对的另一磁通模块的线圈至少部分重叠。

14.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述气体密闭结构包括具有小于0.5mm的厚度的壁。

15.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，包括缠绕在包含两个或多于两个所述第二磁芯的环路中的线圈。

16.一种电动机，包括：

根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述电枢包括一个或多个永久磁铁；以及

动力源，所述动力源用于驱动所述至少两个磁通模块以在间隙中产生磁通量，所述电枢的一个或多个磁铁被配置成响应于所产生的磁通量而生成所述电枢的运动。

17.一种发电机，包括：

根据权利要求1-15中任一项所述的换能器，其中所述电枢包括一个或多个永久磁铁，所述一个或多个永久磁铁被配置使得一个或多个磁铁通过一个或多个间隙的运动在链接所述一个或多个间隙的磁路中的磁通的线圈里产生电流。

18.一种斯特林循环发动机，包括：

膨胀器，所述膨胀器包括被配置成在膨胀体积内往复运动的膨胀活塞；和

压缩机，所述压缩机包括被配置成在压缩体积内往复运动的压缩活塞；以及

根据前述权利要求中任一项所述的换能器。

19.根据权利要求18所述的发动机，其中：

所述换能器被配置成与所述压缩机相互作用以作为线性电动机。

20.根据权利要求19所述的发动机，其中：

所述换能器的气体密闭结构被耦合到所述压缩机，以限定封闭的体积，并且所述电枢被配置成与所述压缩活塞一起移动。

21.根据权利要求18-20中任一项所述的发动机，其中：

所述换能器被配置为与所述膨胀器相互作用以作为线性发电机。

22.根据权利要求21所述的发动机，其中：

所述换能器的气体密闭结构被耦合到所述膨胀器，以限定封闭的体积，并且所述电枢被配置成与所述膨胀活塞一起移动。

23.一种机电换能器，其被构造和布置成基本上如前面参照图2-13所描述和/或如在图2-13中所说明的来运行。

24.一种斯特林发动机，其被构造和布置成基本上如前面参照图2-14所描述和/或如在图2-14所说明的来运行。