一种双对置电反馈自由活塞斯特林发电机

1.本实用新型涉及斯特林发电机技术领域，尤其涉及一种双对置电反馈自由活塞斯特林发电机。


背景技术：

2.自由活塞斯特林发电机具有免维护、自启动以及长寿命等优点，因此在深空探测器同位素电源、空间大型核电站、地面太阳能发电、工业余热回收、家用热电联产等方面具有广泛的应用前景。
3.现有技术公开了一种电反馈自由活塞斯特林发电机，其包含两个直线电机及电容和负载，电容和负载的两端分别与两个直线电机相连，通过直线电机将热活塞做功产生的电能一部分用来驱动冷活塞做功，在原有热力学循环的基础上增加了一次能量分配，利用直线电机之间的相互电反馈使得两个直线电机中的活塞都能满足往复运动的能量条件，有效解决了自由活塞斯特林发电机由于冷活塞做负功而无法启动的问题。
4.然而申请人发现电反馈自由活塞斯特林发电机是一个振动系统，依靠两个活塞的振动向外输出功，两个活塞的振动会引起整个发电机的振动，发电机系统的振动不仅会影响整个发电机的性能和使用寿命，还会降低发电机运行的可靠性。同时发电机的振动还会对周围仪器的工作产生干扰。因此，振动问题是制约电反馈自由活塞斯特林发电机广泛应用的最主要的问题。
5.基于目前的电反馈自由活塞斯特林发电机存在的问题，有必要对此进行改进。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本实用新型提出了一种双对置电反馈自由活塞斯特林发电机，解决或至少部分解决现有技术中存在的技术缺陷。
7.为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：
8.本实用新型提出了一种双对置电反馈自由活塞斯特林发电机，包括：
9.第一气缸；
10.至少两个膨胀活塞，所述膨胀活塞位于第一气缸内，相邻两个所述膨胀活塞之间形成膨胀腔，每个所述膨胀活塞外均设有第一直线电机；
11.第二气缸；
12.至少两个压缩活塞，所述压缩活塞位于第二气缸内，相邻两个所述压缩活塞之间形成压缩腔，每个所述压缩活塞外均设有第二直线电机；
13.换热组件，包括依次连通的加热器、回热器和冷却器，所述加热器连通所述膨胀腔，所述冷却器连通所述压缩腔；
14.其中，所述第一直线电机与所述第二直线电机之间并联有电容以及负载。
15.优选的是，所述的双对置电反馈自由活塞斯特林发电机，所述第一直线电机与所述第二直线电机均包括外回铁、磁铁、线圈以及内回铁，所述磁铁位于所述外回铁与所述线
圈之间，所述线圈位于所述磁铁以及所述内回铁之间，所述第一气缸和所述第二气缸位于所述内回铁内，所述第一直线电机的线圈与所述第二直线电机的线圈之间并联有电容以及负载。
16.优选的是，所述的双对置电反馈自由活塞斯特林发电机，还包括膨胀活塞板弹簧以及膨胀活塞杆，所述膨胀活塞板弹簧固定在所述第一直线电机内且位于所述外回铁一侧，所述膨胀活塞杆一端与所述膨胀活塞板弹簧连接、另一端穿过所述第一直线电机的外回铁并与所述膨胀活塞连接。
17.优选的是，所述的双对置电反馈自由活塞斯特林发电机，还包括压缩活塞板弹簧以及压缩活塞杆，所述压缩活塞板弹簧固定在所述第二直线电机内且位于所述外回铁一侧，所述压缩活塞杆一端与所述压缩活塞板弹簧连接、另一端穿过所述第二直线电机的外回铁并与所述压缩活塞连接。
18.优选的是，所述的双对置电反馈自由活塞斯特林发电机，所述电容为可调电容，所述负载为可调负载。
19.优选的是，所述的双对置电反馈自由活塞斯特林发电机，所述膨胀活塞和所述压缩活塞的数量均为两个。
20.优选的是，所述的双对置电反馈自由活塞斯特林发电机，所述膨胀活塞板弹簧与所述第一直线电机内壁之间形成第一背压腔，所述压缩活塞板弹簧与所述第二直线电机内壁之间形成第二背压腔，所述第一背压腔、所述第二背压腔均通过一管道连通。
21.本实用新型的一种双对置电反馈自由活塞斯特林发电机相对于现有技术具有以下有益效果：
22.(1)本实用新型的双对置电反馈自由活塞斯特林发电机，包括至少两个第一直线电机和至少两个第二直线电机，第一直线电机与所述第二直线电机之间并联有电容以及负载，在膨胀活塞的往复运动下带动第一直线电机的线圈在在磁场中进行相同的往复运动，从而使第一直线电机的线圈产生电流，产生的电能一部分被负载消耗，另一部分通过电容传递给第二直线电机，第二直线电机对压缩活塞施加安培力，带动上下压缩活塞做往复运动，从而克服压缩腔内的工质气体对上下压缩活塞所做的负功。由于膨胀活塞、压缩活塞运动时呈现近似正弦运动，同时由于上下两个膨胀活塞或上下两个压缩活塞的运动幅度相同、相位相反，因此上下两个膨胀活塞或上下两个压缩活塞运动产生的振动相互抵消，从而使整个发电机系统的振动力为零，实现整个系统的低振动、高可靠性运行；
23.(2)本实用新型的双对置电反馈自由活塞斯特林发电机，电容为可调电容，负载为可调负载，通过可调电容和可调负载可对压缩活塞和膨胀活塞之间的运动相位进行调节，从而保证压缩活塞和膨胀活塞之间的相位关系满足形成稳定斯特林循环的要求；而且当上下两个压缩活塞或上下两个膨胀活塞的运动情况不一致时，可以通过对可调电容和可调负载的大小进行调节，使每对活塞的运动状况达到完全一致；
24.(3)本实用新型的双对置电反馈自由活塞斯特林发电机，第一背压腔、第二背压腔均通过一管道连通，这样可以保证上下两个压缩活塞或上下两个膨胀活塞所受的气体力相同，进而使得其运动状态也完全相同，进一步保证上下两个压缩活塞或上下两个膨胀活塞运动产生的振动相互抵消；
25.(4)本实用新型的双对置电反馈自由活塞斯特林发电机，包括至少两个膨胀活塞
和至少两个压缩活塞，在输出的总功率相同时，膨胀活塞或压缩活塞的位移相比现有技术中单一的电反馈自由活塞斯特林发电机显著减少；同时由于膨胀活塞或压缩活塞的运动行程减少，支撑膨胀活塞的膨胀活塞板弹簧和支撑压缩活塞的压缩活塞板弹簧的寿命和可靠性也能显著提高；
26.(5)本实用新型的双对置电反馈自由活塞斯特林发电机，至少两个膨胀活塞均位于第一气缸内，至少两个压缩活塞均位于第二气缸内，减少了发电机中加热器、回热器、冷却器的数量，使发电机结构更加紧凑，电机的结构尺寸减小，运行频率提高，同时有助于降低发电机运行过程中的热损失，提高发电机的效率，从而能够在更紧凑的结构下实现更高的输出。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。
28.图1为本实用新型其中一个实施例中双对置电反馈自由活塞斯特林发电机的结构示意图。
具体实施方式
29.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本技术的限制。
30.如图1所示，本技术实施例提供了一种双对置电反馈自由活塞斯特林发电机，包括：
31.第一气缸1；
32.至少两个膨胀活塞2，膨胀活塞2位于第一气缸1内，相邻两个膨胀活塞2之间形成膨胀腔11，每个膨胀活塞2外均设有第一直线电机；
33.第二气缸3；
34.至少两个压缩活塞4，压缩活塞4位于第二气缸3内，相邻两个压缩活塞4之间形成压缩腔31，每个压缩活塞4外均设有第二直线电机；
35.换热组件，包括依次连通的加热器5、回热器6和冷却器7，加热器5连通膨胀腔11，冷却器7连通压缩腔31；
36.其中，第一直线电机与第二直线电机之间并联有电容8以及负载9。
37.需要说明的是，本技术实施例中，通过在第一气缸1内由上至下间隔设置两个或两个以上的膨胀活塞2，在第二气缸3内由上至下间隔设置两个或两个以上的压缩活塞4，同时在膨胀活塞2外设置第一直线电机，在压缩活塞4外设置第二直线电机，多个膨胀活塞2和多个压缩活塞4均对称设置；相邻两个膨胀活塞2以及第一气缸1内壁之间形成膨胀腔11，相邻两个压缩活塞4以及第二气缸3内壁之间形成压缩腔31。膨胀腔11和压缩腔31统称为工作腔，工作时工作腔内充满气体工质，气体工质具体可为氦气、氩气、氢气、氮气、空气等。同时
在膨胀腔11和对应的压缩腔31之间连通换热组件，具体而言，换热组件包括依次连通的加热器5、回热器6和冷却器7，加热器5连通膨胀腔11，冷却器7连通对应的压缩腔31。回热器6为蓄热回热器，具体的，该蓄热回热器均为在金属套管中设置的多孔金属介质，例如可为多孔不锈钢、镍等多孔金属介质。气体工质在加热器5被外部热源加热，气体工质在冷却器7内被外部冷源冷却，回热器6吸收流过的高温气体工质，并将热量释放给反向流过的低温气体工质。第一直线电机与第二直线电机之间并联有电容8以及负载9，具体的，第一直线电机与第二直线电机之间通过导线连接有电容8，第一直线电机与第二直线电机之间还通过导线连接有电容9。
38.本技术的双对置电反馈自由活塞斯特林发电机的工作原理如下：初始时刻，对加热器5施加热量，导致膨胀腔11中的气体工质受热压力升高，进而推动上下两个膨胀活塞2往复运动，在膨胀活塞2的往复运动下带动第一直线电机的线圈在在磁场中进行相同的往复运动，从而使第一直线电机的线圈产生电流，产生的电能一部分被负载9消耗，另一部分通过电容8传递给第二直线电机，第二直线电机对压缩活塞4施加安培力，带动上下压缩活塞4做往复运动，从而克服压缩腔31内的工质气体对上下压缩活塞4所做的负功。由于膨胀活塞2、压缩活塞4运动时呈现近似正弦运动，同时由于上下两个膨胀活塞2或上下两个压缩活塞4的运动幅度相同、相位相反，因此上下两个膨胀活塞2或上下两个压缩活塞4运动产生的振动相互抵消，从而使整个发电机系统的振动力为零，实现整个系统的低振动、高可靠性运行。
39.在一些实施例中，第一直线电机与第二直线电机的结构完全相同，具体的，第一直线电机与第二直线电机均包括外回铁12、磁铁13、线圈14以及内回铁15，磁铁13位于外回铁12与线圈14之间，线圈14位于磁铁13以及内回铁15之间，第一气缸1和第二气缸2位于内回铁15内，第一直线电机的线圈14与第二直线电机的线圈14之间并联有电容8以及负载9。
40.在上述实施例中，第一直线电机与第二直线电机的结构完全相同，具体的，第一直线电机与第二直线电机均包括外回铁12、磁铁13、线圈14以及内回铁15，外回铁12以及内回铁15均为电工纯铁，具体的，内回铁15呈圆筒状，第一气缸1位于第一直线电机的内回铁15内，第二气缸2位于第一直线电机的内回铁15内，外回铁12呈“凵”形，第一直线电机的线圈14位于内回铁15外周并与膨胀活塞2连接，第二直线电机的线圈14位于内回铁15外周并与压缩活塞4连接，第一直线电机的线圈14与第二直线电机的线圈14之间通过导线连接有电容8，第一直线电机的线圈14与第二直线电机的线圈14之间还通过导线连接有负载9。在工作时，膨胀活塞2在进行往复运动时，带动第一直线电机的线圈14在磁场中进行相同的往复运动，从而使第一直线电机的线圈14内部产生电流，第一直线电机的线圈14产生的电能一部分由负载9消耗，一部分通过电容8传递到第二直线电机的线圈14中，并使第二直线电机的线圈14内部产生电流，从而对上下两个压缩活塞4施加安培力，带动上下两个压缩活塞4在磁场中进行往复运动，而克服压缩腔31内的气体工质对压缩活塞4所做的负功。在本技术实施例中，第一直线电机的线圈14与对应的第二直线电机的线圈14之间并联有电容8以及负载9，即一个第一直线电机的线圈14与一个第二直线电机的线圈14电连接，在实际中一个第一直线电机的线圈14还可以与多个第二直线电机的线圈14电连接，或者多个第一直线电机的线圈14可以与一个第二直线电机的线圈14电连接。
41.在一些实施例中，还包括膨胀活塞板弹簧21以及膨胀活塞杆22，膨胀活塞板弹簧
21固定在第一直线电机内且位于外回铁12一侧，膨胀活塞杆22一端与膨胀活塞板弹簧21连接、另一端穿过第一直线电机的外回铁12并与膨胀活塞2连接。
42.具体的，在上述实施例中，第一直线电机还包括第一电机壳，外回铁12、磁铁13、线圈14以及内回铁15均位于第一电机壳内，而膨胀活塞板弹簧21也同样固定在第一电机壳内并位于外回铁12一侧；膨胀活塞板弹簧21为不少于一片的弹簧钢叠加组合而成的板状弹簧。膨胀活塞板弹簧21用于支撑膨胀活塞2，膨胀活塞2在膨胀活塞板弹簧21的作用下在磁场中做往复运动。
43.在一些实施例中，还包括压缩活塞板弹簧41以及压缩活塞杆42，压缩活塞板弹簧41固定在第二直线电机内且位于外回铁12一侧，压缩活塞杆42一端与压缩活塞板弹簧41连接、另一端穿过第二直线电机的外回铁12并与压缩活塞4连接。
44.具体的，在上述实施例中，第二直线电机还包括第二电机壳，外回铁12、磁铁13、线圈14以及内回铁15均位于第二电机壳内，而压缩活塞板弹簧41也同样固定在第二电机壳内并位于外回铁12一侧；压缩活塞板弹簧41为不少于一片的弹簧钢叠加组合而成的板状弹簧。压缩活塞板弹簧41用于支撑压缩活塞4，压缩活塞4在压缩活塞板弹簧41的作用下在磁场中做往复运动。
45.在一些实施例中，电容8为可调电容，负载9为可调负载。在本技术实施例中，电容8为可调电容，其电容量可在某一范围内调整，并可在调整后固定于某个电容值的电容器，也叫做半微调电容器，具体的，可调电容可采用贴片可调电容、插件可调电容、陶瓷可调电容、pvc可调电容、空气可调电容等；本技术中可调负载具体可采用可调电阻，具体的，可调电阻可采用瓷盘可调电阻、贴片可调电阻、线绕可调电阻等。通过设置可调电容和可调负载可对压缩活塞4和膨胀活塞2之间的运动相位进行调节，从而保证压缩活塞4和膨胀活塞2之间的相位关系满足形成稳定斯特林循环的要求；而且当上下两个压缩活塞4或上下两个膨胀活塞2的运动情况不一致时，可以通过对可调电容和可调负载的大小进行调节，使每对活塞的运动状况达到完全一致。
46.在一些实施例中，第一直线电机和第二直线电机的数量均为两个，膨胀活塞2和压缩活塞4的数量均为两个。
47.在一些实施例中，膨胀活塞板弹簧21与第一直线电机内壁之间形成第一背压腔16，压缩活塞板弹簧41与第二直线电机内壁之间形成第二背压腔32，第一背压腔16、第二背压腔32均通过一管道33连通。
48.在上述实施例中，膨胀活塞板弹簧21与第一直线电机内壁之间形成第一背压腔16指的是膨胀活塞板弹簧21与第一电机壳内壁之间形成第一背压腔16；同理，第二背压腔32为压缩活塞板弹簧41与第一电机壳内壁之间形成的腔室；通过将第二背压腔32均通过一管道33连通，这样可以保证上下两个压缩活塞4或上下两个膨胀活塞2所受的气体力相同，进而使得其运动状态也完全相同，进一步保证上下两个压缩活塞4或上下两个膨胀活塞2运动产生的振动相互抵消，从而使整个发电机系统的振动力为零，实现整个系统的低振动、高可靠性运行。
49.以上所述仅是本技术的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。