专利名称：利用频率调节的自由活塞机械的振动控制的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及将包含了由线性、自由往复的原动机在往复运
动中驱动的一个或多个质量(mass )的机械装置的机械振动最小化， 以及涉及对控制该原动机的电子控制器的使用。
背景技术：
经常使用线性、自由往复机械是因为它们提供了改进的耐久 度、更低的磨耗、可控性和高效性。自由往复的机械包括线性压缩 机、自由活塞斯特林发动机、斯特林制冷机、制冷器和热泵、线性 发动机以及线性交流发电机。线性、自由往复的机械按照可控的冲 程进4于往复运动且不受传统曲轴和连一干的限制。然而，线性、自由 往复的机械由于具有在7>共壳体中线性往复运动和/或连接至普通 支撑才几架的 一个或多个质量而引起相当大的>^展动。
典型地，主才几或系统由连4妻在一起的多个自由往复的才几械组 成。第一个往复才几械是线性、自由往复的原动才几，诸如线性电动机 (electric, linear motor )或自由活塞斯特才木发动才几(还可以称为斯 特一木线性电动才几)。第二个往复枳4成是由原动才几通过4几如戈连4妄驱动 的线性、自由往复的负载，并且可以是，例如，自由活塞压缩才几、 斯特^^木热泵或制冷才几或者交流发电才几。原动4几和它驱动的负载两者 的复合(composite) 4主复质量(reciprocating mass) "f足成了戶斤述的 振动。该振动通常是不希望有的，且已经开发了多种系统来将这种 振动的幅度最小化。典型地，使用将弹簧弹力施加至往复质量的一个或多个弹簧来 构造自由活塞和其他线性、自由往复的枳4成。原动4几及其驱动的枳^ 才成均可以包4舌弹簧。所述的弹簧可以包4舌一个或一纟且才几;喊弹簧以及
气弹簧(gas spring )和磁弹簧(magnetic spring )。气弹簧和磁弹簧
可以是设计用来提供弹簧弹力的装置，或者，更一般地，它们是作
用于机械部件上的气体和/或在机械中使用的电磁装置或永磁体系
统的》兹力的结果，诸如线性电动沖几和交流发电4几。线性、自由往复
的原动机和传动、线性、自由往复的机械的质量和弹簧共同形成了 ^f乍为共冲展系纟克的主才几。
通常，主枳^皮设计为在共振频率(或附近)下工作，因为这样 可以将其效率最大化。根据下面的等式来描述该系统的固有频率
其中，f:共振频率，单位是周每秒或赫兹，K是复合弹簧常 数，单位是牛/米，以及m是复合质量，单位是Kg。词语"复合" 用于表示主机的相应质量与弹簧的和，而术语"质量"和"弹簧" 在相加在一起时用于包括复合的质量或弹簧。
当机械装置由主机或系统组成(其包括驱动传动机的原动机， 所述传动才几(driven machine )还连4妄至包括了 一个或多个次纽j展动 系统的其他设备)时，该振动问题还会更加复杂。这种次级系统可 以通过安装次级l展动系统而连4妄至主才几，故其枳4成地连4妄至主系 统，例如，由于两个系统均,皮安装至相同的支撑4几架。次级才展动系 统可以是设计有质量和弹簧以在其工作期间振荡的装置，或者可以 是设计为不会作为其正常功能的一部分而振荡但仍然具有连接至 充当弹簧结构的质量。当在其正常工作期间不振动时，连接至主系 统的次级振动系统是附加(parasitic)共振系统。当附加共振系统的共才展频率足够纟妄近主4几的驱动频率时，附加共4展系统会以纟及大的幅 度振动。当附加共振系统以驱动频率且以与主系统小于90°异相而 振动时，就会增加该机械装置的总振动。
现有技术已经开发了多种用于减少主机振动的装置。这些装置 有4艮多名字为人们所熟知，包括"振动吸收器"，虽然可以更精确 地称之为"振动平衡器"，这是因为这些装置并没有"吸收"振动。 振动平衡器是次级振动系统，其通常通过直接连接而才几械地连接至 主系统。虽然才展动平tf器的目的是减少由主才几往复运动产生的冲展 动，但更希望将其视为次级振动系统的一种形式，这是因为它们不 是主机或系统的 一部分。 一个普通的振动平衡系统会通过将力施加 到振动的主机来驱动往复运动的4氐衡质量，所述的力与由主4几的振 动质量产生的力相等但相反。振动平衡器的传动质量可以由其自身 的原动才几驱动，或者可选4奪i也，其可以由4展动主4几的一展动来马区动， 并调整为以相同驱动频率共振，但被设计为与振动主机的振动180° 异相的往复运动。 一个前述特性系统的实例在美国专利5,620,068 中示出。
用于减振的另一系统在美国专利6,040,672中示出。在电动机 驱动信号中产生的波形被感测到，转化为控制波形并与电机驱动电 流才目力。，以减丰圣才展动。
虽然这些系统在相对稳定的工作状态下表现令人满意，但在工 作状态极大改变时，这些系统就会遇到问题。例如，斯特林循环制 冷才几可以经受4及大的周围温度改变。其可以在-40° C到+60。 C的范 围内的任何温度下工作。当斯特林制冷机具有附在其上的振动平衡 器时，这些温度的变化会改变系统中弹簧的硬度，从而改变其弹簧 常数，因而引起了振动平衡器固有频率的改变。制冷机中的弹力的 有效弹簧石更度也会略樣i改变，虽然由于斯特林制冷才几典型地具有相 对低的Q而振动平衡器典型地具有高Q (即，尖锐的共振峰)这些改变通常具有较小的效果。因此，当驱动频率保持不变时振动平衡 器的固有频率中的相对小的改变会引起其振荡有效幅度的很大改 变。因此，基本上减少了振动平衡器削除振动主机的振动的能力。 相似地，温度的变化还可以导致电学参lt的变化，而电学参H的变 化又可以改变^兹弹簧作用的有效弹簧常ft。温度还可以改变斯特4木
发动机的动态工作状态(behavior),而引起其工作频率的移动。响 应于改变的冲程的才几 一成弹簧或结构部件的非线性工作状态也可以 改变固有频率。
结果，具有振动平衡器的机械装置可以在某些工作状态下被很 好地平衡并展现可接受的振动幅度，但当工作状态与预置的工作状 态足够不一致时，振动平衡器会变得不是很有效，因为工作状态的 变化改变了振动平衡器的共振频率或固有频率，或者改变了与主系 统相关或与主系统和^振动平#f器两者均相关的相位。当才展动平#f器 不是4艮有效时，振动的幅度就会增大。
相似地，连接至主系统的次级附加振动系统的共振频率还可以 由于工作状态的改变而改变。因此，在某些工作状态中不会加剧枳』
械装置的振动的次级系统在工作状态变化足够大时会成为问题。没 有振动问题的才几械装置的部件在工作状态变化足够大时会成为问 题。附加的4展动系统也可以在枳4成构造完成之后实现。
虽然可以构造出能够改变其弹簧常数或改变其振荡固有频率
的振动平衡器，但这样的振动平衡器甚至会比传统的振动平衡器更 昂贵。振动平衡器不仅价格可观，而且会占用空间并增加产品的重量。
本发明的特征和目的是通过电气化地补偿振动平衡器的性能 中的变化来补充一种4展动平4軒器，以削除由工作状态的改变产生的振动。本发明的另一目的和特征是为线性、自由往复的主机提供可以 补偿次级附加l展动系统的控制系统。
本发明的另一目的和特征是通过改变线性自由往复的原动初」 的被控制的工作特性而电气化地减小振动，以补偿多种原因的与线 性自由往复的主4几以及任何与其连接的振动平4軒器相关的共振频 率改变，其中，由于工作状态的变化而产生未补偿的变化会导致4展 动的i曽力口。
本发明的又一 目的是独立于并响应于枳4成工作状态中的变化 来补偿线性、自由往复的主才几的共冲展频率中的变化。
发明内容
本发明是一种用于将机械装置的机械振动幅度最小化的方法 和装置，所述机械装置包括线性电动机，所述线性电动机连接至传 动才几并在往复运动中以驱动频率驱动传动才几的往复质量，所连^妻的 电动机和传动机具有一个或多个弹簧，所述弹簧用于将力施加至复 合的往复质量，以形成具有往复运动主系统共#展频率的共冲展主系 统。确定并存4渚传动才几以可4妄受的工作效率工作的驱动频率范围。 感测机械装置的工作参数并响应于所感测的参数在驱动频率下驱 动线性电动才几，所述马区动频率乂人^主复运动主系乡充共l展频率中偏移， 处于可接受的工作效率的驱动频率范围中，且在现有的工作状态下 减小或最小化机械装置的机械振动幅度。
图1是示出本发明实施例的实例的框图。
图2是示出本发明实施例的第二实例的框图。图3是共振峰的频域的示图，且示出了本发明的工作。
图4是示出实施本发明并使用温度传感器的控制电路的实例的框图。
图5是示出实施本发明并使用振动幅度传感器的控制电路的实 例的框图。
图6是示出实施本发明并使用可变频率发生器的控制电路的实 例的框图。
图7是示出实施本发明并使用温度传感器的控制电路的实例的框图。
在描述图中示出的本发明的优选实施例的过程中，为了清楚地 表达，将会采用特定的术语。然而，本发明并不限制于所选的特定 术i吾，且应理解为每个4争定术i吾均包4舌所有以相似形式工作以完成 相似目的的一支术等〗介物。
具体实施例方式
对于包括了振动或往复的主机(其连接至可以包括振动平衡器 的次级振动系统)的机械装置来说，本发明利用了具有三个重要频 率的经—验。这三个频率是纟展动主才/L的共一展(固有)频率，次级^展动 系统的共4展(固有)频率以及主才几的工作频率。主才几的工作频率还
可以是#展动平#i器和连接至主才几的其他次级4展动系统的工作频率。
当曲线图由频率相对于任意共振系统的振动幅度组成时，绘制 的幅度形成了以共4展频率为中心的共振峰。这些峰可以在从宽的渐 进形式延伸到尖的陡峭形式的范围内上升和下降。如本领域普通技
术人员可知，峰越尖，共振系统的质量因数"Q，，越高。本发明还利用了这样的经-险，所述主4几通常具有可以在可4妄受 的频率上工作的驱动频率带，所述主才几具有驱动线性、自由往复的 传动机的线性、自由往复的原动机，且在其复合的共振频率上(或 附近)高效地工作。它们不限于精确地在其共4展频率上工作。部分 地因为典型的主才几(诸如驱动斯特林制冷机的线性电动机)通常表
现为低Q共振峰。虽然这是有帮助的，但是传动机在可接受的工作
频率上工作的驱动频率范围不4又耳又决于主才几的枳4成共纟展往复运动
部件的Q，还耳又决于主才几的其他i殳计和工作特性。然而，任4可特定 才几才成的i殳计者均会通过将一^:的工程原理应用于特定主才几的:没计 及其应用中来确定驱动频率的可4妄受范围。
图1图示性;也示出了具有主才几12的枳4戒装置10，所述主才几包 括电》兹线性电动才几14,在往复运动中驱动斯特一木制冷4几16;电 动机控制电路18,具有数据存储器20并控制线性电动机14工作。 主一几10还可以包括次级才展动系统24,诸如振动平衡器26和附加共 振系统28。示出的全部部件均机械性地连接在一起，以形成机械装 置10。例如，它们可以在同一壳体中或在同一才几架上物理地连接在 一起，或者它们可以由可以传递振动的中间物理结构连接在 一起。
控制系统还具有感测4展动系统24的温度(可以在壳体上感测 到)并将温度lt据输入至电动才几控制器18的温度传感器22。该温 度传感器可以感测振动平衡器的弹簧的温度，这是因为弹簧是温度 变化最直接影响振动平衡器的共振频率的主要部件。作为选择地， 可以感测与弹簧热4妄触的周围环境或部件的温度，以估计弹簧温 度。
电动机控制器18可以是传统类型，典型地是基于微处理器的 计算系统或微控制器或数字信号处理器，并可以包括附加的传感 器。虽然优选的控制电路是微处理器控制器，但是存在很多可选的 装置可以用于提供控制电路功能。如本领域普通技术人员所知，存在很多种也能提供控制器功能的、市场上可以买到的、不基于^f敖处 理器的控制器，因而是等效的并可以替换樣吏处理器控制器。可以由 单独电路执行感测功能或可以配置在单板控制器上。合适的控制器 可以包括在市场上可以买到的等效的数字和模拟电^各。可以用于本 发明控制电路的控制器的实例包括微处理器、微控制器、可编程门 阵列、数字信号处理器、现场可编程模拟阵列和逻辑门阵列。这种 电路可以是基本的数字逻辑电路，且可以由诸如二极管和晶体管的 单个部件组成。因此，术语"控制器"一^l殳用于表示可得或已知且 可以构造、编程或用于执行上述控制电路逻辑功能的数字逻辑和模 拟信号处理电路的任意组合。
现有4支术中普遍示出，线性电动才几具有一组往复运动的石兹体， 配置该》兹体以在固定的电枢绕组中往复运动。通过由施加于电枢绕 组的交流电流产生的交流》兹场在往复运动中驱动该；兹体。》兹体的支
座连接至斯特林制冷机16的活塞并在往复运动中驱动之。这种往
复运动使斯特林制冷机将热能从制冷机的 一个区域抽至拒绝热能 的另一区域。由如现有^支术可知，这种斯特林装置由于其上述抽耳又 热量的能力还更普遍地寻皮称为热泵。斯特林热泵可以用于乂人拒绝的
热量中加热物体或者通过在其;令却区i或处^妾^c热量并拒绝热量进 入周围环境来冷却物体。因此，后者通常称作制冷才几，并包括制冷 至低温的制冷机。由于线性电动机和传动机(诸如斯特林热泵、压 缩机或流体泵)不是本发明且在现有技术的多个实例中作了叙述， 所以其细节将不再叙述。该电路的原理还可以应用于其他线性、自 由往复的原动机和使用振动平衡器的传动负载，诸如线性压缩机和 自由活塞塞特4木发动才几。
图2示出了本发明可选实施例的实例。机械装置30具有主机 32,所述主才几包括线性电动才几34，用于在往复运动中驱动斯特林 制冷机36;以及电动机控制器38，用于控制线性电动机34，包括其驱动频率控制器。电动机控制器具有振动幅度传感器40，诸如加
速计，用于感测代表机械装置30振动幅度的信号并将其输入至电 动才几控制器38。所有这些装置如图1所示^皮物理地连接在一起。图 2的实施例还可以连接至一个或多个次级振动系统，诸如振动平衡 器46和附加的4展动系统48。
图3示出了本发明工作的原理。其涉及有4戈表性和典型性的频 率值和曲线，Y旦本发明不限于这些值和曲线。例如，对于往复的主 才几来说通常会净皮i殳计为在60 Hz共振和工作。然而，很多其他的工 4乍频率，i者i口50Hz、 120 Hz、或400 Hz,也是可以实王见的。戶斤述 类型的主枳4皮典型地/没计为以才展动的固有频率或对应于上面等式1 中f的共振频率fo共振。共振峰M表示具有共振频率60Hz的主机 机械振动的典型共振峰。其共振峰相对于共4展频率来说是相对宽 的，因此显示了相对低的Q特性。共振峰Sl和S2示出了次级共振 系统的典型共振峰。它们相对尖锐而陡峭，因此显示了相对高的Q 特性。
虽然半功率点(幅度的70.7%)是一个公知的共振峰宽度的量 度，但该量度仅适用于本系统的机械共振方面。主机的其他工作特 性，诸如其制冷机效率或性能系数，确定了传动机的工作效率。因 此，传动才几以可4妻受的效率工作的驱动频率范围可以且通常是与才几 械振荡系统的共振峰宽度不相同的。然而，这种可接受的驱动频率 范围可以是也通常是由i殳计者确定的。图3中，示出了可4妾受的驱 动频率范围R的实例，即58 Hz到62 Hz之间，虽然这会是随着主 才几的不同而不同的。
共4展峰S1和S2可以在i兌明本发明工作时用于表示作为4展动平 衡器的次级振动系统或作为附加振动系统的次级振动系统。每个峰 均4安次序取址(addressed )。当次级振动系统是振动平#f器且主机在其指定或i殳计的习犬态
下工作时，其将按照表示主机的峰M和表示振动平衡器的峰S1来 工作。在这种状态下，可以以指定的主机共振频率(实例中60Hz) 来驱动传动机，这是因为该频率与振动平衡器的共振频率一致。然 而，当诸如温度的工作状态的改变足够大，4吏主机或次级振动系统 的物理参数引起主才几和次级才展动系统中的 一个或两个的共振频率 的改变，该改变会作为4皮此水平i文置的一个或两个峰而在图3的图 中显示。例如，峰S1可以移至峰S2的位置，虽然它也可以向另一 方向移动并移动不同3巨离。
当继续以主机的共振频率驱动主机时，峰Sl到峰S2位置的位 移使振动平衡器变得更加没有效果。然而，当主机的驱动频率净皮改 变为与峰S2的中心更为4姿近时，只要保持所改变的工作状态，振 动平衡器就会在该频率(实例中为62 Hz)处变得更为有效。当振 动平tf器的峰移至61 Hz或62 Hz中心时，驱动频率会分别移至61 Hz或62 Hz。因此，在本发明中，电动才几4空制系统18或38以马区动 频率驱动线性电动才几，所述驱动频率/人主才几或系统的共才展频率中偏
移，接近或处于振动平衡器的移位的共振频率，但处于主系统工作 的可接受效率的驱动频率范围中。
因此，本发明的一方面在于，响应于引起主机和振动平衡器的 共4展峰中心频率分散的工作状态的改变，线性电动4几的驱动频率4皮 移至4妾近改变的4展动平tf器中心频率。虽然可以将该驱动频率改变 为使其接近已移位的峰S2的共振频率，但其不能被移至可接受的 驱动频率范围R的界限之外，因为这样做会引起主机工作的不可接 受的恶化。
当次级振动系统是附加振动系统时，希望其共振峰位于或保持 距离主机的中心频率fo足够远，而不会成为影响振动的因数。然而， 安装在才几械装置10或30上的其他i殳备可以引入一个或多个附加振动系统，所述附加振动系统具有意想不到地接近中心频率fo的共振
峰，或者由于工作状态的变化而移动接近中心频率。峰S1和S2可 以表示这种附加次级振动系统的共振峰。当峰Sl是附加振动系统 的峰时，图3示出可以通过爿寻驱动频率改变至峰Sl的中心频率的 任一侧但J呆持其在R范围内来充分减小次级附加系统的4展动。因 此，驱动频率最优为58Hz或62Hz。当峰S2是附加振动系统等峰 时，可以通过将驱动频率移动至实例中的58 Hz (尽可能的远离峰 S2的中心频率，但不会超出范围R)来将附加系统的振动最小化。
存在i殳计和构造控制系统的多种方法，以才艮据上述原理来改变 线性、自由往复的原动才几的驱动频率，而下面爿寻描述六个实例。所 有实例均包括感测4几械装置的工作参l丈，诸如才几械装置的振动幅度 或者机械装置的部件温度。感测的参数可以由配置用于实现本发明 的传感器来感测，或者可以是作为另 一 控制系统的 一 部分的传感器 来感观寸。
图2是六个实例中的第一个。振动幅度传感器40感测机才成装 置的振动幅度。 一般地，其可以配置在被机械地连接在一起的机械 装置的任一部件上，这是因为任一部件的振动通常均传输至另 一部 件。电动才几控制器38以可接受的工作效率的驱动频率范围中分配 的若干个有代表性的频率的每一个，来驱动线性电动机34。存储与 感测的作为结果的振动相关的每个频率。这是在起动、周期性的起 动之后，响应于所选的级别以上感测的振动幅度和/或响应于其他状 态或算法来完成的。然后，电动机控制器38的软件或逻辑电路选 择最小的振动幅度并以与最小振动幅度相关的频率来驱动线性电 动机。因此在执行该程序时，可以为现有的工作状态减小振动或将 其最小化。程序的重复使控制系统可以响应于变化的工作状态。
更具体i也，通过这里^皮称作在频率范围R内4斗(dither)频或 扫频的很多技术中的任一个来以可接受的范围R中的多个频率驱动线性电动机，电动机控制器38找到了最小振动的频率。扫频的 最普通的形式是连续或按步递增(incremental step)地/人范围R的 一侧到另一侧来逐沐斤改变该频率。然而，可选i也，可以以不连续或 随才几的形式扭^亍扫频，并可以以选定的间隔来完成43频。
图1示出了本发明的第二实例。温度传感器22感测振动平4軒 器26或其周围环境的温度，并将温度凄t据输入至电动才几控制器18。 如本发明的所有实施例，响应于至少 一个枳4成装置的测试来确定和 存储可4妄受的工作效率的驱动频率范围。测试通常在试-验i殳备中寺丸 行但也可以基于工程设计规范。然后将这个试-睑确定的可接受工作 效率的工作频率范围存储在机械装置的产品复制品(production replication ) 中。
通常还会在试一验环境中通过以多个不同的工作温度运转来测 试至少一个热泵枳4成装置。对于每个工作温度，均在可一妾受的驱动 频率范围内扫描驱动频率。存储与每个工作温度相关的产生机械装 置的最小振动幅度的驱动频率。因此，对于每个感测到的工作温度， 均存在提供最小振动的存储的驱动频率。这些工作温度及其相关的 驱动频率作为查找表被存储在存储装置20中，所述存储装置连接 至测试的机械装置的产品复制的频率控制系统中。可选地，查找表 可以存储与每个测量的温度相关的振动平衡器的弹簧的弹簧常数 以及用于将弹簧常数转换为工作频率的算法。作为另一个选择，可 以使用公知的数学技术(诸如多项式级数)来开发等式，用于估计 查找表的曲线图，从而利用由电动机控制器微处理器计算的结果将
振动吸收器弹簧常凄t或工作频率与测;彈的温度相关写关。
在产品复制操作期间，感测对应的复制品工作温度并从数据存
储器20中取出(可选地，由等式计算)相关的驱动频率或弹簧常
数。然后，以与感测温度相关的存储或计算的驱动频率驱动线性电动机。在该产品机械工作期间重复此过程，从而可以经常以提供最 近感测到的温度的最小振动幅度的驱动频率来马区动该枳4戒装置。
对于具有附加次级振动系统和振动平衡器的机4成装置，将会有 更多的共振峰在与图3相似的图上表示。然而，本发明的方法和步 艰《仍然一致。
图4示出了本发明实施例的第三实例。其示出了现有技术的才几 才成装置以及为实现本发明的而添加了部件的控制系统。
示出的现有4支术系统具有由线性电动才几50组成的主才几，线性 电动机被机械地连接以驱动其自身的内部移动质量52和传动负载 并才几才成:t也连4妄至次绍j展动系统54。 4专感器56感测主才几工作的参凄t, 诸如上死点(TDC)或移动质量52中的一个的活塞位置，而电动 才几电流和电压也会纟皮一企测到。这些信号一皮施加至信号调节器58并 作为反馈信号施加至反馈控制系统的求和结点(junction) 60,所述 求和是在微控制器或数字信号处理器62的软件中实现的。参考值 也—皮施加至求和结点60以纟是供一皮施加至传递函^:的误差信号并才艮 据公知的反馈控制系统原理产生控制信号。为控制线性电动机50， 控制信号一皮施加至产生方波的可变频率逆变器占空比(duty cycle ) 发生器电i 各64，其中方波的占空比和频率均可以可控地改变。由控 制信号以现有技术的方法控制占空比。发生器电路64的输出被施 加至逆变器输出级66，其将方波转换为用于驱动线性电动才几50的 反向dc脉冲，该脉沖具有对应于方波占空比的脉沖宽度。很多这 样的电i 各都在现有冲支术中为/>众所知，而本发明不限于具有这些一 4殳特征的任何特定的驱动电^各。
为实现本发明，温度传感器68被安装在振动平衡器54A附近 并将其输出信号施加至微控制器62，所述微控制器用于如图1所示应等式。当查找表或等式提供了对应于每个感测温度的振动平# 器
弹簧常数的值时，由频率调节算法72转换该输出以确定工作频率。 当查找表或等式直接提供频率时，算法72可以省略。
图5示出了本发明实施例的第四实例。其示出了如图4所示的 相同现有技术的机械装置以及如图4所示为实现本发明的而加入部 件的控制电路。对于实现本发明，振动传感器80被连接以将振动 幅度输入提供至微处理器82。在软件模块84的控制下，微控制器 82在如上所述的可冲妻受的工作频率范围的界限内扫描、4牛动或改变 工作驱动频率，并在该范围中实现最小振动幅度的存储。然后，微 控制器82选择并以与最小振动幅度相关的存^t的工作频率开动线
性电动4几86。还以选4奪的间隔或在选^r的状态下如上所述重复该过
详呈，乂人而由于工作状态可以改变，ii:总是以最小纟展动幅度的频率驱 动线性电动才几86。
图6和图7是示出了本发明实施例的第五和第六实例的示图。 二者均包括相同现有技术的装置，其中添加了实现本发明的电路。 因此，下面将首先描述两图中共有的现有才支术部分。图6和图7示 出了用于从热源输入产生电能的主机，所述主才几是驱动线性交流发 电才几102的自由活塞斯特林发动才几100。它们可以是现有才支术中为 公众所知的设计而典型地安装在同一壳体中。斯特林发动机的往复 能量活塞被机械地连接至交流发电机的往复运动部件，通常一系列 的永磁体被支撑在支架上，该支架在安装于共有壳体中的电枢绕组 或线圏中往复运动。这些往复运动结构的复合质量104通过斯特林 发动才几详口交;;危发电才几的气釭(cylinder )和夕卜壳的反力而一皮才几才成;l也连 接至振动平衡器106和任意附加振动系统108。这些反作用力通过 一4殳的才几械弹簧、斯特林发动才几中的工作气体以及/人石兹体连接至电 枢线圏的电》兹体而一皮传递至气缸和外壳。通过传统的用于能量因泰:修正的调节电容器109连接交流发电机102的输出，以将能量提供 至有岁文载荷110。
使用现有技术中公知的原理来控制斯特林发动机100的频率， 以将斯特林发动才几驱动的交流发电4几连4妻至电网系统(power grid ), 以将能量提供至该网。当斯特林发动机驱动的交流发电机被设计为 在电网系统的频率附近共冲展时，斯特林发动才几的4展荡会与电网系统 的AC能量4^荡同步。应用的原理是，当^皮连4妻至外部AC电源时， 如果AC电源具有低于交流发电机的内部阻抗且如果仅存在小频率 变化，则斯特林发动机驱动的交流发电机的振荡会与AC电源的电 压"t展荡同步。可应用于本发明并在上文中描述的频率变化就是这种 小变化。
可变频率、可变幅度电源111 :帔用作发动4几输出频率控制器并
且其AC输出端一皮连冲妻至交流发电才几102。这种电源在市场上可以 买到因而不再赘述。孩i控制器114的可变频率发生器118的输出初L 连接至可变AC电源111的控制输入端112,所述控制输入端是控 制可变AC电源111的频率的*叙入。可变频率发生器118 4空制AC 电源111。因此，在用于本发明的小频率变化中，斯特林发动机驱 动的线性交流发电4几102的工作频率^艮随可变AC电源111的频率 因而由孩吏控制器114控制。
实现图6中示出的本发明与图5中示出的实施例相似。控制器 114纟皮编程以#1行用于计算主才几的工作频率的逻辑和算术功能，所 述工作频率用于将振动幅度最小化。振动传感器116 (诸如加速计) 具有连接至控制器114的输入的输出，该输出用于提供表示所感测 的图6所示的现有技术的、主机的振动幅度的信号。然而，可变频 率发生器118并没有向发动机频率控制器输入作为命令输入的指定 工作频率，而是插入至指定工作频率命令输入与对可变AC电源111 的输入之间。这使得控制器114将所命令的工作频率从指定的工作频率中偏移，以将振动最小化。在软件控制下，控制器114在可4妾 受的工作频率范围的限制中扫描、抖动或改变工作驱动频率，并实 现在该范围内最小振动幅度的存储。然后，控制器114选4奪并以与 最小振动幅度相关的存储的工作频率来开动斯特林发动机100。还
以选冲奪的间隔或在选4奪的状态(诸如上述的状态)下重复该过详呈， /人而由于工作状态会改变，通常会以可接受的工作频率范围的界限
中的最小振动幅度的频率来驱动自由活塞斯特;沐发动机100。
实现图7中示出的本发明与实现图2中示出的实施例相似，且 应用了相同的工作原理，以如图6的实施例所述来控制自由活塞斯 特4木发动才几100的工作频率。温度传感器120的输出一皮连4妾至控制 器122的输入以提供表示振动平衡器106温度的信号。然后，控制 器122在可4妻受的工作频率范围上开动斯特林发动才几100并存^f诸与 工作频率相关的每个温度，以通过与图2和图4相同的步骤来提供 查找表124。
虽然已经详细披露了本发明的特定优选实施例，但是应理解， 在不背离本发明精神或所附权利要求的范围的前提下，可以采用多
种》务改。
权利要求
1. 一种用于将机械装置的机械振动幅度最小化的方法，所述机械装置包括线性、自由往复的原动机，所述原动机连接至传动机并在往复运动中以驱动频率驱动传动机的往复质量，所连接的原动机和传动机具有弹簧，所述弹簧将力施加至所述往复质量，以形成具有往复运动主系统共振频率的共振主系统，所述方法包括(a)确定并存储驱动频率范围，所述传动机以可接受的工作效率在所述驱动频率范围内工作；(b)感测所述机械装置的工作参数；以及(c)响应于所感测的参数以驱动频率驱动所述原动机，所述驱动频率(i)从所述往复运动主系统共振频率偏移；(ii)处于可接受的工作效率的驱动频率范围中；以及(iii)在现有的工作状态下减小或最小化所述机械装置的机械振动幅度。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述感测步骤包括感测所 述机械装置的振动幅度，而其中，所述方法进一步包括-.(a) 在包括了所述往复运动主系统共才展频率的频率范围内 扫描所述驱动频率；(b) 存储与多个所扫描的驱动频率相关联的所感测的振动 幅度；以及其中，以驱动频率驱动所述原动才几，所述驱动频率是所 存储的与最小的、被感测、存储的幅度相关联的驱动频率。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，周期性地重复所述方法。
4. 根据权利要求1所述的方法，所述方法用于控制机械装置，其 中，所述传动机是自由活塞斯特林热泵装置，其中(a) 响应于对所述才A4成装置的至少 一 个部件的测试，确定 并存1"诸所述驱动频率范围；(b) 在多个工作温度的测试期间开动所述才几械装置的至少 一个热泵装置，对于每个所述工作温度，在所述可4妄受的驱动 频率范围内改变所述驱动频率，并与每个工作温度相关联:i也存 储产生所述机械装置最'J 、振动幅度的驱动频率；(c) 所述工作温度和相关联的驱动频率作为查找表被存储 于存储装置中，所述存储装置连接在所测试的机械装置的复制 品 的频率控制系统中；(d) 所述感测步骤包括感测所测试的 一几械装置复制品的工 作温度；以及述原动机。
5. —种用于将机械装置的机械振动幅度最小化的计算机或逻辑 电路控制系统，所述机械装置包括主机，所述主4几具有线性、 自由往复的原动4几，所述原动^几在往复运动中驱动传动才几，所 述主机包括质量和将力施加至所述质量的弹簧，以提供具有共 振频率的共振才几械振荡器，其中，将所述主枳J殳计为在所述共 4展频率附近净皮驱动，所述控制系统包括(a) 传感器，用于感测机械工作的参数；(b) 数据存储器，用于存储驱动频率范围，所述传动机在 所述驱动频率范围内以可冲姿受的工作步文率工作；以及(C)微控制器，被连接以接收来自所述传感器和所述数据 存储器的输入，用于控制所述原动机，并被编程以响应于所感 测的参凄t乂人而以驱动频率驱动所述原动才几，所述驱动频率乂人所 述主机的往复运动共振频率偏移，处于所存储的可接受的工作 效率的驱动频率范围中，以及在现有的工作状态下将所述扭4戒 装置的机械振动幅度最小化。
6. 根据权利要求5所述的控制系统，其中，所述传感器感测所述 机械装置的振动幅度。
7. 根据权利要求6所述的控制系统，其中，所述传感器是加速计。
8. 根据权利要求5所述的控制系统，其中，所述传感器是温度传感器。
9. 根据权利要求8所述的控制系统，其中，所述传感器被连接以 感测振动平衡器的弹簧的温度。
10. 根据权利要求5所述的控制系统，其中，所述原动机是线性电 动机。
11. 根据权利要求5所述的控制系统，其中，所述原动机是自由活 塞斯特一木发动才几。
12. 根据权利要求5所述的控制系统，其中，所述传动机是自由活 塞斯特林制冷^L。
全文摘要
一种用于将机械装置的机械振动幅度最小化的方法，所述机械装置包括线性、自由往复的原动机，所述原动机连接至传动机并在往复运动中以驱动频率驱动传动机的往复质量，所连接的原动机和传动机具有弹簧，所述弹簧用于将力施加至往复质量，以形成具有往复运动主系统共振频率的主共振系统。确定并存储传动机以可接受的工作效率工作的驱动频率范围。感测机械装置的工作参数并响应于所感测的参数在驱动频率下驱动线性电动机，所述驱动频率从往复运动主系统共振频率中偏移，处于可接受的工作效率的驱动频率范围中，且在现有的工作状态下减小或最小化机械装置的机械振动幅度。
文档编号F16F7/10GK101438077SQ200780016311
公开日2009年5月20日 申请日期2007年3月7日 优先权日2006年5月5日
发明者道格拉斯·E·凯特, 鲁文·Z-M·昂格尔 申请人:神宝公司