用于斯特林冷却器的电磁线性驱动的制作方法
【专利说明】用于斯特林冷却器的电磁线性驱动
[0001]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。
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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(Internat1nal Conference onCompressors 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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]在较大规模的应用(例如，在1kW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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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0.5_，或甚至小于0.2mm。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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