CN115450788A - 机械启动的自由活塞斯特林发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种机械启动的自由活塞斯特林发电机,包括:壳体、直线电机、排出器、动力活塞和启动装置;排出器和动力活塞可移动地设于壳体内,直线电机与动力活塞同轴设置,直线电机包括第一定子和第一动子,第一动子与动力活塞连接,第一定子包括定子铁芯以及嵌设于定子铁芯内的第一线圈和第二线圈,第一线圈用于与负载电路连接;启动装置设于壳体外,启动装置通过信号线组件与第二线圈连接,第二线圈用于与启动电路连接;启动装置包括第二定子、第二动子和机械传动机构,第二动子与机械传动机构连接,机械传动机构能够带动第二动子旋转,以使第二线圈产生驱动电流,以驱动第一动子运动,能够实现无源启动,提升自由活塞斯特林发动机的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及发电机技术领域,尤其涉及一种机械启动的自由活塞斯特林发电机。
背景技术
自由活塞斯特林发电机是一种外燃式热电转换技术,能够适用于多种热源形式,如太阳能光热、地热、燃料燃烧热能等。自由活塞斯特林发电机具有效率高、结构简单、振动低、可靠性高等优点。作为一种声学谐振系统,自由活塞斯特林发电机启动后能够根据负载进行自适应调节,相应速度快,工作稳定可靠。自由活塞斯特林发电机的冷热端温差达到一定值后方可启动,启动后自由活塞斯特林发电机将热能转化为声功并传递至直线电机,直线电机进行声电转换从而输出电功。
现有技术中,自由活塞斯特林发电机的启动须借助外部电源,启动电路和负载电路并联,启动时,发电机接通外部电源,在直线电机线圈中产生交变电流,从而驱动动力活塞运动。自由活塞斯特林发电机达到起振条件后,断开启动电源,发电机将按照谐振频率稳定工作,发电机起振后,系统将根据实际功率需求进行负载调节从而获得相应电功输出。自由活塞斯特林发电机的启动须借助外部电源,在停电或电源故障时系统将无法启动。
发明内容
本发明提供一种机械启动的自由活塞斯特林发电机,用以解决现有的自由活塞斯特林发电机的启动须借助外部电源导致适用性不佳的问题。
本发明提供一种机械启动的自由活塞斯特林发电机,包括:壳体、直线电机、排出器、动力活塞和启动装置;
所述排出器和所述动力活塞可移动地设于所述壳体内,所述直线电机与所述动力活塞同轴设置,所述直线电机包括第一定子和第一动子,所述第一动子与所述动力活塞连接,所述第一定子包括定子铁芯以及嵌设于所述定子铁芯内的第一线圈和第二线圈,所述第一线圈用于与负载电路连接;
所述启动装置设于所述壳体外,所述启动装置通过信号线组件与所述第二线圈连接,所述第二线圈用于与启动电路连接;所述启动装置包括第二定子、第二动子和机械传动机构,所述第二动子与所述机械传动机构连接,所述机械传动机构能够带动所述第二动子旋转,以使所述第二线圈产生驱动电流,以驱动所述第一动子运动。
根据本发明提供的一种机械启动的自由活塞斯特林发电机,所述第一线圈和所述第二线圈沿所述第一定子的径向方向依次设置。
根据本发明提供的一种机械启动的自由活塞斯特林发电机,所述第一线圈与输出电压相匹配,所述第二线圈与输入电压相匹配。
根据本发明提供的一种机械启动的自由活塞斯特林发电机,所述启动装置还包括第一电压传感器;
所述信号线组件包括第一信号线和第二信号线,所述第一信号线、所述第二信号线和所述第二线圈形成第一电路,所述第一电压传感器并联于所述第一电路,用于检测所述动力活塞的工作行程值。
根据本发明提供的一种机械启动的自由活塞斯特林发电机,所述启动装置还包括第二电压传感器;
所述信号线组件还包括第三信号线,所述第三信号线的一端与所述第二线圈的中间区域连接,所述第二信号线、所述第三信号线和所述第二线圈形成第二电路,所述第二电压传感器并联于所述第二电路,用于检测所述动力活塞的漂移值。
根据本发明提供的一种机械启动的自由活塞斯特林发电机,所述第二动子包括动子铁芯以及缠绕于所述动子铁芯上的线圈。
根据本发明提供的一种机械启动的自由活塞斯特林发电机,所述第二线圈能够与外部电源连接,以使所述第二线圈产生驱动电流。
根据本发明提供的一种机械启动的自由活塞斯特林发电机,所述启动装置还包括箱体;
所述第二定子和所述第二动子设于所述箱体内,所述机械传动机构包括驱动柄,所述驱动柄的一端穿设于所述箱体与所述第二动子连接。
根据本发明提供的一种机械启动的自由活塞斯特林发电机,所述驱动柄包括依次连接的多个节段,多个所述节段中的一者与所述第二动子同轴设置。
根据本发明提供的一种机械启动的自由活塞斯特林发电机,所述壳体的内壁面设有换热组件,所述换热组件包括沿所述壳体的延伸方向依次设置的加热器、回热器和冷却器。
本发明提供的机械启动的自由活塞斯特林发电机,直线电机包括第一定子和第一动子,第一动子和动力活塞连接,第一定子内嵌设有第一线圈和第二线圈,第一线圈与负载电路连接,第二线圈与启动电路连接;启动装置设于壳体外,启动装置包括第二定子和第二动子,第二动子与机械传动机构连接,机械传动机构能够带动第二动子相对第二定子转动,使得第二线圈产生驱动电流,以启动自由活塞斯特林发动机,能够在停电或无外部电源时正常启动发电机,实现无源启动,提升自由活塞斯特林发动机的适用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的机械启动的自由活塞斯特林发电机的结构示意图之一;
图2是本发明提供的机械启动的自由活塞斯特林发电机的结构示意图之二;
图3是本发明提供的机械启动的自由活塞斯特林发电机的结构示意图之三;
附图标记:1:壳体;2:排出器;3:动力活塞;4:直线电机;401:第一定子;402:第一线圈;403:第二线圈;404:第一动子;5:信号线组件;501:第一信号线;502:第二信号线;503:第三信号线;6:启动装置;601:第二定子;602:第二动子;603:机械传动机构;604:第一电压传感器;605:第二电压传感器;7:换热组件;701:加热器;702:回热器;703:冷却器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1至图3描述本发明实施例的机械启动的自由活塞斯特林发电机。
如图1、图2和图3所示,本发明实施例提供的机械启动的自由活塞斯特林发电机,包括:壳体1、直线电机4、排出器2、动力活塞3和启动装置6;排出器2和动力活塞3可移动地设于壳体1内,直线电机4与动力活塞3同轴设置,直线电机4包括第一定子401和第一动子404,第一动子404与动力活塞3连接,第一定子401包括定子铁芯以及嵌设于定子铁芯内的第一线圈402和第二线圈403,第一线圈402用于与负载电路连接;启动装置6设于壳体1外,启动装置6通过信号线组件5与第二线圈403连接,第二线圈403用于与启动电路连接;启动装置6包括第二定子601、第二动子602和机械传动机构603,第二动子602与机械传动机构603连接,机械传动机构603能够带动第二动子602旋转,以使第二线圈403产生驱动电流,以驱动第一动子404运动。
具体地,排出器2和动力活塞3沿壳体1的延伸方向间隔设于壳体1内,排出器2和动力活塞3同轴设置,排出器2和动力活塞3能够沿壳体1的轴线方向往复运动。排出器2的周向方向设置有换热组件7,换热组件7包括依次设置的加热器701、回热器702和冷却器703,加热器701、回热器702和冷却器703的内壁面和排出器2的外壁面之间形成有供循环工质流通的气流通道。
定义壳体1靠近换热组件7的一端为壳体1的第一端,远离换热组件7的一端为壳体1的第二端,排出器2与壳体1的第一端面之间形成有膨胀腔,排出器2和动力活塞3的相对面之间形成有压缩腔,动力活塞3和壳体1的第二端面之间形成有缓冲腔。壳体1内充注有循环工质,循环工质可以为氦气或氢气等。
壳体1内远离排出器2的一端设有板弹簧,板弹簧与壳体1的内壁面连接,排出器2面向动力活塞3的一端设有连杆,连杆穿设动力活塞3后与板弹簧连接。板弹簧对排出器2起到支撑作用,同时起到调节和控制排出器2位移的作用。板弹簧、壳体1和动力活塞3围合形成有背腔,背腔对动力活塞3起到支撑作用。
直线电机4设于动力活塞3的周向,直线电机4与动力活塞3同轴设置,直线电机4包括第一定子401和第一动子404,第一定子401包括内定子和外定子,内定子的外壁面和外定子的内壁面之间形成供第一动子404往复运动的运动通道。第一动子404与动力活塞3背离排出器2的一端连接,第一动子404位于动力活塞3的周向,第一动子404与动力活塞3同步往复运动。
外定子内嵌设有同轴设置的第一线圈402和第二线圈403,第一线圈402与负载电路连接,第二线圈403与启动电路连接。启动装置6设于壳体1外,启动装置6包括第二定子601、第二动子602和机械传动机构603。启动装置6具有启动电路,可以理解的是启动装置6还设置有用于控制启动电路连通或断开的启动开关。机械传动机构603与第二动子602转动连接,机械传动机构603能够带动第二动子602旋转。例如发电机需要工作时,首先打开启动开关,启动电路通过信号线组件5与第二线圈403连通,启动电路开始工作,机械传动机构603带动第二动子602旋转,第二动子602相对于第二定子601旋转运动,切割磁力线,使得第二线圈403产生驱动电流,驱动电流使得动力活塞3和第一动子404能够沿轴线方向同步运动,由此动力活塞3和第一动子404产生初始位移。以下为便于描述,将自由活塞斯特林发动机简称为发电机,待发电机系统达到起振条件,发电机按照谐振频率稳定工作后,关闭启动开关,启动电路与第二线圈403断开,机械传动机构603停止带动第二动子602旋转。即仅需在发电机启动的初始时间段内,通过旋转第二动子602,使得第二线圈403能够产生驱动电流,发电机稳定工作后,第二线圈403不再需要产生驱动电流。
通过在直线电机4内嵌设第二线圈403,启动时通过壳体1外部的启动装置6驱动使得第二线圈403产生驱动电流,从而驱动动力活塞3产生初始位移,以启动自由活塞斯特林发动机。启动时启动装置6能够产生瞬间高电压,驱动动力活塞3产生初始位移,以快速启动自由活塞斯特林发动机。启动装置6可通过人力驱动,能够在停电或无外部电源时正常启动发电机,实现无源启动,提升自由活塞斯特林发动机的适用性。
在本发明实施例中,直线电机4包括第一定子401和第一动子404,第一动子404和动力活塞3连接,第一定子401内嵌设有第一线圈402和第二线圈403,第一线圈402与负载电路连接,第二线圈403与启动电路连接;启动装置6设于壳体1外,启动装置6包括第二定子601和第二动子602,第二动子602与机械传动机构603连接,机械传动机构603能够带动第二动子602相对第二定子601转动,使得第二线圈403产生驱动电流,以启动自由活塞斯特林发动机,能够在停电或无外部电源时正常启动发电机,实现无源启动,提升自由活塞斯特林发动机的适用性。
如图1、图2和图3所示,在可选的实施例中,第一线圈402和第二线圈403沿第一定子401的径向方向依次设置。
具体地,第一线圈402和第二线圈403的安装位置根据实际需求设置。第一线圈402具有面向第一动子404的内壁面以及背离第一动子404的外壁面,第一线圈402具有面向排出器2的第一端面以及背离排出器2的第二端面;第二线圈403也具有面向第一动子404的内壁面以及背离第一动子404的外壁面,第二线圈403具有面向排出器2的第一端面以及背离排出器2的第二端面。
第一线圈402和第二线圈403可以沿外定子的轴线方向间隔嵌设于外定子内,即第一线圈402的第二端面和第二线圈403的第一端面相互靠近,第一线圈402的第二端面和第二线圈403的第一端面之间的间距根据实际需求设置。第一线圈402和第二线圈403也可以沿外定子的径向方向间隔嵌设于外定子内,即第一线圈402的外壁面和第二线圈403的内壁面相互靠近,第一线圈402的外壁面和第二线圈403的内壁面之间的间距根据实际需求设置。
第一线圈402和第二线圈403沿外定子的径向方向依次设置,第一线圈402的外壁面和第二线圈403的内壁面相互靠近,第一线圈402的接线端子和负载电路连接,第二线圈403的接线端子和启动电路连接。第二线圈403在满足能够产生驱动电流的前提下,有利于直线电机4整体结构的小型化。
在本发明实施例中,第一线圈402和第二线圈403沿外定子的径向方向依次设置,第二线圈403产生的驱动电流使得动力活塞3产生初始位移;动力活塞3和排出器2以一定相位进行稳定的往复运动,第一线圈402产生的电流使得负载电路输出电能,第一线圈402和第二线圈403在满足发电机稳定运行的前提下,有利于整体结构的小型化。
如图1、图2和图3所示,在可选的实施例中,第一线圈402与输出电压相匹配,第二线圈403与输入电压相匹配。
具体地,第一线圈402的匝数、线圈面积等参数根据输出电压进行匹配设计,第一线圈402的电流满足负载电路的工作需求。第二线圈403的匝数、线圈面积等参数根据输入电压进行匹配设计,第二线圈403的驱动电流能够驱动第一动子404运动。
第二线圈403中产生的驱动电流驱动第一动子404运动,第一动子404使得动力活塞3能够产生初始位移。发电机稳定工作后,第二线圈403中不再产生驱动电流,第一动子404相对第一定子401往复运动,切割磁力线,第一线圈402中产生稳定的负载电流,直线电机4通过负载电路输出电能。可以理解的是,负载电流大于驱动电流。
如图2所示,在可选的实施例中,启动装置6还包括第一电压传感器604;信号线组件5包括第一信号线501和第二信号线502,第一信号线501、第二信号线502和第二线圈403形成第一电路,第一电压传感器604并联于第一电路,用于检测动力活塞3的工作行程值。
具体地,信号线组件5包括第一信号线501和第二信号线502,第一信号线501的一端与第二线圈403的一个接线端子连接,第二信号线502的一端与第二线圈403的另一个接线端子连接,第一信号线501、第二信号线502和第二线圈403形成第一电路。第一电压传感器604与第一电路并联,第一电压传感器604用于检测第一电路中的电压信号。
发电机启动后稳定运行过程中,动力活塞3往复运动,动力活塞3带动第一动子404靠近或远离第二线圈403运动的过程中,在第二线圈403上产生电压信号,将此电压信号定义为第一电压信号,第一电压信号与动力活塞3的工作行程正相关。通过第一电压传感器604检测第一电压信号,通过处理模块将第一电压信号转换为动力活塞3的工作行程值,由此可实时检测动力活塞3的工作行程值,检测发电机的的运行情况,保障发电机的稳定运行。
如图3所示,在可选的实施例中,启动装置6还包括第二电压传感器605;信号线组件5还包括第三信号线503,第三信号线503的一端与第二线圈403的中间区域连接,第二信号线502、第三信号线503和第二线圈403形成第二电路,第二电压传感器605并联于第二电路,用于检测动力活塞3的漂移值。
具体地,信号线组件5还包括第三信号线503,第一信号线501的一端与第二线圈403的一个接线端子连接,第二信号线502的一端与第二线圈403的另一个接线端子连接,第三信号线503的一端与第二线圈403的中间区域连接。由此第一信号线501、第二信号线502和第二线圈403形成第一电路,第二信号线502、第三信号线503和第二线圈403形成第二电路,第一电路和第二电路并联,第一电压传感器604并联于第一电路上,第二电压传感器605并联于第二电路上。
壳体1内依次形成有膨胀腔、压缩腔和缓冲腔,发电机在正常工作时,由于各腔体间压力波动幅值差异,在腔体间会产生由高压力振幅腔体流向低压力振幅腔体的质量流量,腔体自身通过平均压差平衡该质量流量。在各腔体间的平均压差不平衡的情况下,动力活塞3会偏离原平衡位置,造成动力活塞3的漂移。动力活塞3出现漂移现象,一方面会降低动力活塞3的工作行程,另一方面会改变腔体的工作容积,导致发电机输出效率下降。
发电机启动后稳定运行过程中,动力活塞3往复运动,动力活塞3带动第一动子404靠近或远离第二线圈403运动的过程中,在第二线圈403上产生电压信号,第一电路中的第一电压信号与动力活塞3的工作行程正相关,第二电路中的第二电压信号与动力活塞3的漂移量正相关。通过处理模块可将第一电压信号转换为动力活塞3的工作行程值,将第二电压信号转换为动力活塞3的漂移值。由此可实时检测动力活塞3的工作行程值,根据漂移值及时调整回中装置,保障发电机的稳定运行。
在可选的实施例中,第二动子602包括动子铁芯以及缠绕于动子铁芯上的线圈。
具体地,第二动子602包括动子铁芯以及缠绕于动子铁芯上的线圈,线圈按一定方向缠绕于铁芯上。第二定子601为永磁体。
在可选的实施例中,第二线圈403能够与外部电源连接,以使第二线圈403产生驱动电流。
具体地,第二线圈403通过外部电路与外部电源连接,在外部电路与外部电源连通的情况下,外部电路处于通电状态,由此第二线圈403中能够产生驱动电流,使得动力活塞3能够产生初始位移。
第二线圈403可以通过启动装置6产生驱动电流,第二线圈403也可以通过外部电源产生驱动电流。通过外部电源驱动产生驱动电流,可以减轻操作人员的劳动强度,通过启动装置6产生驱动电流,可实现无源启动,充分提升自由活塞斯特林发电机的适用性。
如图1所示,在可选的实施例中,启动装置6还包括箱体;第二定子601和第二动子602设于箱体内,机械传动机构603包括驱动柄,驱动柄的一端穿设于箱体与第二动子602连接。
具体地,箱体具有容纳腔,箱体由侧板、顶板以及底板围成而成,第二定子601和第二动子602位于容纳腔中。第二动子602与第二定子601同轴设置,第二定子601和第二动子602的设置方式根据实际需求设置,例如,第二动子602的轴线与水平方向平行,或者第二动子602的轴线与竖直方向平行。
机械传动机构603包括驱动柄,驱动柄采用绝缘材料制作。在第二动子602的轴线与水平方向平行时,驱动柄穿设于侧板后与第二动子602连接;在第二动子602的轴线与竖直方向平行时,驱动柄穿设于顶板后与第二动子602连接。
操作人员握持驱动柄,转动驱动柄,驱动柄带动第二动子602做旋转运动,第二动子602切割磁力线,使得第二线圈403产生驱动电流,操作便捷。
如图1所示,在可选的实施例中,驱动柄包括依次连接的多个节段,多个节段中的一者与第二动子602同轴设置。
具体地,驱动柄包括相互连接的多个节段,例如节段的数量为三个,定义三个节段分别为第一节段、第二节段和第三节段。第一节段与第二动子602同轴设置,且第一节段的一端与第二动子602连接;第二节段与第一节段相垂直,第一节段的另一端与第二节段的一端连接;第三节段与第一节段平行,第二节段的另一端与第三节段连接。
操作人员握持第三节段,转动驱动柄,施加较小的外力即可实现第二动子602的旋转,操作便捷、省力。
如图1、图2和图3所示,在可选的实施例中,壳体1的内壁面设有换热组件7,换热组件7包括沿壳体1的延伸方向依次设置的加热器701、回热器702和冷却器703。
具体地,加热器701、回热器702和冷却器703依次设于壳体1内,加热器701、回热器702和冷却器703均为环形结构,加热器701、回热器702和冷却器703的内壁面和排出器2的外壁面之间形成有供循环工质流通的气流通道,膨胀腔通过气流通道与压缩腔连通。加热器701、回热器702和冷却器703均为环形结构,结构紧凑且有利于保障循环工质的换热效率。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种机械启动的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,包括:壳体、直线电机、排出器、动力活塞和启动装置;
所述排出器和所述动力活塞可移动地设于所述壳体内,所述直线电机与所述动力活塞同轴设置,所述直线电机包括第一定子和第一动子,所述第一动子与所述动力活塞连接,所述第一定子包括定子铁芯以及嵌设于所述定子铁芯内的第一线圈和第二线圈,所述第一线圈用于与负载电路连接;
所述启动装置设于所述壳体外,所述启动装置通过信号线组件与所述第二线圈连接,所述第二线圈用于与启动电路连接;所述启动装置包括第二定子、第二动子和机械传动机构,所述第二动子与所述机械传动机构连接,所述机械传动机构能够带动所述第二动子旋转,以使所述第二线圈产生驱动电流,以驱动所述第一动子运动。
2.根据权利要求1所述的机械启动的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,所述第一线圈和所述第二线圈沿所述第一定子的径向方向依次设置。
3.根据权利要求2所述的机械启动的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,所述第一线圈与输出电压相匹配,所述第二线圈与输入电压相匹配。
4.根据权利要求1所述的机械启动的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,所述启动装置还包括第一电压传感器;
所述信号线组件包括第一信号线和第二信号线,所述第一信号线、所述第二信号线和所述第二线圈形成第一电路,所述第一电压传感器并联于所述第一电路,用于检测所述动力活塞的工作行程值。
5.根据权利要求4所述的机械启动的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,所述启动装置还包括第二电压传感器;
所述信号线组件还包括第三信号线,所述第三信号线的一端与所述第二线圈的中间区域连接,所述第二信号线、所述第三信号线和所述第二线圈形成第二电路,所述第二电压传感器并联于所述第二电路,用于检测所述动力活塞的漂移值。
6.根据权利要求1所述的机械启动的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,所述第二动子包括动子铁芯以及缠绕于所述动子铁芯上的线圈。
7.根据权利要求1所述的机械启动的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,所述第二线圈能够与外部电源连接,以使所述第二线圈产生驱动电流。
8.根据权利要求1所述的机械启动的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,所述启动装置还包括箱体;
所述第二定子和所述第二动子设于所述箱体内,所述机械传动机构包括驱动柄,所述驱动柄的一端穿设于所述箱体与所述第二动子连接。
9.根据权利要求8所述的机械启动的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,所述驱动柄包括依次连接的多个节段,多个所述节段中的一者与所述第二动子同轴设置。
10.根据权利要求1所述的机械启动的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,所述壳体的一端设有换热组件,所述换热组件包括沿所述壳体的延伸方向依次设置的加热器、回热器和冷却器。
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