一种用于机械能和电能之间的转换的机电换能器装置的制作方法

本发明主要涉及一种机电换能器，尤其涉及一种将机械能转为电能和/或将电能转为机械能的机电换能器。

背景技术：

机电换能器普遍用于机械能与电能之间的能量转换。例如，由外部系统产生的机械运动可耦合于机电换能器的运动部分，并在换能器的端子之间可产生电位差。或者，响应于通过端子接收到合适的电流，机电换能器可引发所述可运动部分运动。所述运动可以是诸如直线运动、旋转运动或往复运动。

2011年1月13日公开的题为“Stirling Cycle Transducer for Converting between Thermal Energy and Mechanical Energy(用于热能和机械能之间的转换的斯特林循环换能器)”的Steiner Thomas W.等人的PCT专利申请公开文本WO 2011/003207披露了可被配置成用于产生往复运动的斯特林循环换能器。在一个实施例中，所述往复运动可具有约200μm的振幅以及500Hz的频率。常规机电换能器可能不能在这些驱动条件下高效运转。

技术实现要素：

依照文中所述的一个方面，提供了用于机械能和电能之间的转换的机电换能器装置。所述装置包括：外壳，和充分固定于所述外壳内的静态部分。所述静态部分包括：磁通量发生器，可操作为用以产生磁通量；一对极片，可操作为用以通过第一磁路和第二磁路中的至少一个来耦合由磁通量发生器产生的磁通量；以及至少一个线圈，可操作为用以承载电流并被设置为与第一和第二磁路中的至少一个进行电磁相互作用。所述静态部分与所述外壳热耦合，以在所述静态部分和所述外壳之间提供低热阻路径，使换能器操作过程中产生的热量得以除去。所述装置也包括可运动部分，其包括：第一个闭合片，其完成第一磁路并与所述的一对极片通过第一缝隙相分离；第二闭合片，其完成第二磁路并与所述的一对极片通过第二缝隙相分离。第一和第二闭合片机械耦合在一起，并被支撑为可相对于所述的一对极片围绕一个平衡位置进行往复运动。可操作所述往复运动以改变所述第一和第二缝隙，使得所述第一和第二缝隙中的一个缝隙增大，引起所述第一和第二缝隙中的另一个缝隙相应减小，所述第一和第二缝隙的变化引起第一和第二磁路中的磁阻的变化。

所述静态部分可包括：支撑所述磁通量发生器的静态框架，所述的一对极片和所述的至少一个线圈，所述静态框架与外壳刚性相连。

静态框架可包括：至少一个扩展表面区域，其被设置为靠近所述外壳，用以减少静态部分和外壳之间的热阻；至少一个由高热导率材料制成的部分；导热化合物(thermal compound)，其被设置为用以减少与外壳刚性连接的静态框架表面的热传递的热阻。

极片可与静态框架电绝缘。

所述至少一个线圈可被操作为，从外部电能源接收电流并在第一和第二磁路中产生电磁感应磁通量，该磁通量与磁通量发生器所产生的磁通量相互作用，从而引发第一和第二磁路中各自磁通量的变化，导致静态部分和可运动部分之间产生力。

所述可运动部分可操作地被配置为，用以接收外部机械力以驱动往复运动，且由于往复运动而导致的第一和第二磁路中各自磁阻的改变可引起经过相应的第一和第二磁路的磁通量的改变，从而在所述至少一个线圈中引发电磁感应电位。

所述第一和第二缝隙的尺寸可设置为，用以促使往复运动的振幅为约0.25毫米。

所述装置可包括：与具有至少一个线圈串联的至少一个电容器中的一个，所述至少一个电容器提供了反应性阻抗部件，所述反应性阻抗部件可操作为，基本抵消所述至少一个线圈的反应性阻抗部件；以及有源负载电路，其提供可变阻抗部件以响应于控制信号，其中产生所述控制信号是用于使阻抗部件基本抵消所述至少一个线圈的反应性阻抗部件。

所述第一和第二闭合片可由柔性悬架支撑，所述柔性悬架可操作为用以实现往复运动。

所述柔性悬架可被配置为，将闭合片的往复运动基本限制为，与促使第一和第二缝隙产生变化的方向对齐的单一自由度。

所述柔性悬架可以包括第一柔性悬架，且可进一步包括第二柔性悬架，所述第二柔性悬架被配置为允许往复运动同时抑制闭合片除所述单一自由度以外的其他自由度的运动。

所述第一柔性悬架可包括管式弹簧，所述第二柔性悬架可包括屈曲部。

所述管式弹簧可包括第一圆柱壁和第二圆柱壁，所述第二圆柱壁与所述第一圆柱壁同心放置并机械耦合以形成一个折叠管式弹簧，并且所述第一和第二圆柱壁中的至少一个圆柱壁可靠近所述各圆柱壁之间的机械耦合部向外展开。

所述柔性悬架可被配置为，用以促进频率约为500Hz的往复运动。

包括上述的两个机电换能器的机电换能器装置可以背对背(back-to-back)构型设置在公共轴线上，使得基本抵消运行过程中由各个机电换能器各自的往复运动产生的惯力。

所述装置可包括至少一个电容器，该电容器与至少一个机电换能器的至少一个线圈串联，可对所述至少一个电容器的电容进行选择，以电补偿各个机电换能器的可运动部分之间的差异，所述差异可包括机械刚度和质量中的一项。

所述装置可包括有源负载电路，该有源负载电路与至少一个机电换能器的至少一个线圈串联，所述有源负载电路提供一个可变阻抗以响应于控制信号，产生所述控制信号是用于引发有源负载来电补偿各机电换能器的可运动部分之间的差异，该差异包括机械刚度和质量中的一项。

所述装置可包括调谐块，所述调谐块耦合到至少一个机电换能器的可运动部分，对所述调谐块进行选择以平衡由于各机电换能器的相应复运动而产生的惯力。

所述磁通量发生器可包括永磁体。

所述永磁体可以包括多个排成阵列的电绝缘的磁元件。

所述的一对极片可安置于磁通量发生器的任一侧上，并且所述至少一个线圈可包括：第一线圈，位于磁通量发生器一侧上所述一对极片之间；和第二线圈，位于磁通量发生器另一相反侧上所述一对极片之间。

第一线圈和第二线圈可串联连接。

所述极片和闭合片中的至少一个可包括以下中的一个：非晶电工钢；电工钢的叠片，所述叠片之间绝缘；和铁氧体材料。

闭合片可刚性地安装在可动框架中，并与可动框架电绝缘，所述可动框架可包括至少一个扩展表面区域，其设置为靠近外壳，用以减少可运动部分和外壳之间的热阻；至少一个由高热导率材料制成的部分；和导热化合物，其设置为用以减少从闭合片到可动框架的热传递的热阻。

所述闭合片可具有鸠尾榫(dovetail)形状的安装面，可动框架可被配置为用以啮合所述鸠尾榫形状的安装面，以将闭合片刚性地安装于可动框架中。

所述鸠尾榫形状的安装面可被配置在闭合片区域的远端，在换能器操作过程中，很大部分的磁通量会流经所述闭合片区域。

所述装置可包括夹钳，可对所述夹钳操作以促使闭合片的鸠尾榫形状的安装面与可动框架的对应鸠尾榫形状的表面相啮合，使得这两个对应的鸠尾榫形状的表面之间的啮合产生的摩擦力超过往复运动过程中闭合片所经受的作用力。

所述外壳可包括密封外壳。

所述密封外壳可内封至少一种以下气体：包含氢气和氦气中的至少一种的气体，以及一种操作压力降低的气体。

根据本文所公开的另一个方面，提供了一种用于机械能和电能之间的转换的装置，所述装置包括：多个机电换能器，如上文所述，其围绕中心轴设置，所述至少一个线圈为所述多个机电换能器所共用，并被设置为与所述多个机电换能器中的每一个的第一和第二磁路中至少一个磁路进行电磁相互作用。

所述多个机电换能器可包括三个机电换能器，其以三角形构造绕中心轴设置。

所述装置可包括一公用轴，该公用轴沿着中心轴设置，并且每个机电换能器的闭合片可耦合于该公用轴。

所述多个机电换能器中的每一个的静态部分可包括一个公用框架用以安装各磁通量发生器、极片对和所述至少一个线圈。

所述多个机电换能器中的每一个的可运动部分可包括一个公用的可动框架用以安装各闭合片。

在阅读下述本发明特定实施例及附图后，本发明其他方面和特征对本领域技术人员而言将变得显而易见。

附图说明

对本发明实施例进行说明的附图中，

图1示出了根据第一个实施例的机电换能器装置的透视图。

图2示出了图1所示装置的静态部分的透视图。

图3示出了图1所示装置的可运动部分的透视图。

图4示出了图1所示装置的剖视透视图。

图5示出了图1所示装置的一个单个机电换能器元件的透视图。

图6示出了沿图5中线6-6切开的机电换能器元件的局部剖视图。

图7示出了图5所示的单个机电换能器元件在发生器模式下无电流引入而运行时的运行状态系列图。

图8示出了图5所示的单个机电换能器元件在电机模式下由外部电流驱动而运行时的运行状态系列图。

图9示出了根据其他实施例的实现图1所示装置的电路示意图。以及

图10示出了根据另一个实施例的能量转换系统的局部剖视平面图。

具体实施方式

参照图1，一般情况下用100表示根据第一个实施例的机电换能器装置。可对所述装置100操作以实现机械能和电能之间的转化，该装置包括外壳102。在此实施例中所述外壳102包括基底104和盖子106。所述装置100也包括静态部分108和可运动部分110。所述静态部分108充分固定于外壳102内，并且在该实施例中，可运动部分110嵌套在所述静态部分内部。在该实施例中，所述装置100包括多个机电换能器元件，其中第一和第二元件112和114在图1中清晰可见。所述装置100也包括第三机电换能器元件，其一般置于图1中第一和第二元件112和114之后。

图2中，所述静态部分108与可运动部分110分离。参见图2，所述静态部分108包括图1所示的机电换能器元件112和114的静态部分。其静态部分包括：换能器元件112的极片126和128，换能器元件114的极片130和132，以及第三机电换能器元件的极片134和136。所述极片126，128，130，132，134和136支撑在静态框架120中。例如通过将静态框架与外壳的基底104刚性连接，将所述静态框架120充分固定于外壳102之内。静态部分108也与外壳102热耦合，以在静态部分和外壳之间提供低热阻路径，使换能器操作过程中产生的热量得以除去。所述静态部分108也包括一对线圈190和192。在一个实施例中，线圈190和192可串联连接。在其他实施例中，所述线圈190和192可以是并联连接、独立地连接或者省略其中的任一个线圈。所述线圈190和192也可封装在灌封料(potting compound)中以提供机械坚固性并改善传导至静态框架120及穿过该静态框架传导至外壳102的热传导。

图3中所述可运动部分110与静态部分108分离。参见图3，所述可运动部分110包括图1所示的每个机电换能器元件的可运动部分，其支撑在共同的可动框架140中。在此实施例中，可动框架包括上部部分141和下部部分142，它们被多个柱状体143间隔开。所述机电换能器元件的可运动部分包括：换能器元件112的闭合片144和145、换能器元件114的闭合片146和147，以及第三机电换能器元件的闭合片，其中仅闭合片148的一部分在图3中清晰可见。可运动部分110也包含扩展表面区域149，其靠近外壳102的盖子106设置，并由此提供一个较大的表面积，以将热量传递至盖子106(图1所示)。

如图4的剖视透视图所示，所述装置100的可运动部分110嵌套于静态部分108中。参照图4，可动框架140被柔性悬架支撑，所述柔性悬架于一个平衡位置处支撑可动框架140，并使往复运动围绕所述平衡位置沿大体与公共轴线152对齐的方向进行。在此实施例中，所述柔性悬架包括：第一柔性悬架150和包含下部屈曲部154和上部屈曲部156的第二柔性悬架。

在所示的实施例中，第一柔性悬架150利用管式弹簧实现，所述管式弹簧可弹性形变，以能够沿公共轴线152进行往复运动。所述管式弹簧包括：第一圆柱壁158，其末端160与基底104机械耦合；第二圆柱壁162，其与第一圆柱壁同心地安置，并在164处机械耦合至第一圆柱壁以形成折叠管式弹簧。所述第一圆柱壁158靠近机械耦合部164向外展开以减少管式弹簧内的应力。所述第二圆柱壁162在其末端168处与轴166机械耦合。而所述轴与可动框架140机械耦合，并为驱动往复运动提供外部机械力的输入或依据所述装置100的操作配置提供机械能的输出。在所示实施例中，所述轴166通过环状盘171与可动框架140机械耦合。所述轴166利用紧固件170与环状盘171耦合，但在其他实施例中，该轴可以焊接或别的方式与可动框架140耦合。而所述环状盘171与可动框架140耦合，由此管式弹簧最终在基底104和可动框架140之间耦合，并提供第一柔性悬架150。所述第一柔性悬架150的管式弹簧的实现具有的优点是，提供了一个相对坚硬的悬架以在平衡位置处支撑可动框架140，同时提供基于管式弹簧的第一圆柱壁158和第二圆柱壁162的柔性的往复运动。在一个实施例中，柔性悬架被配置为，用于促进可动框架140以约500Hz的频率进行往复运动。例如，通过选择使联合柔性悬架、可动框架140和轴166上有效负载块的机械共振在特定运行频率范围内，可以使所述装置100以特定频率运行。

在所示实施例中，第二柔性悬架154，156的功能是将可动框架140的往复运动充分限制为大致与公共轴线对齐的单自由度，同时防止除了该单自由度之外的运动自由度。第二柔性悬架154、156包括多个屈曲部，其中两个下部屈曲部154和两个上部屈曲部156在图4中清晰可见。所述屈曲部154耦合在基底104的一部分172与可动框架140的一部分174之间。所述屈曲部156耦合在可动框架140与静态框架120的延伸部分159之间。所述屈曲部154和156被配置为，在公共轴线152方向提供比第一柔性悬架150明显更大的柔性，同时限制在其他方向的运动。因而所述第二柔性悬架154，156用于抑制可动框架140的扭曲或者其他角向运动，相反，第一柔性悬架150可允许所述运动的发生。

图5中196的透视图示出了用以实现第一、第二和第三机电换能器元件中的任意元件的磁组件和电组件。所述换能器元件112，114和第三换能器元件与图5中所示的换能器元件196基本形同。参见图5，所述机电换能器元件196包括：静态部分182，其包含磁通量发生器184和所述的一对极片130和132。所述机电换能器元件196的静态部分182也包括：一对线圈190和192，其中仅线圈192的一部分在图5中示出。

在一个实施例中，所述磁通量发生器184可包括诸如烧结的高温钕/铁/硼磁体等永磁体。在所示实施例中，磁通量发生器184包括多个单独绝缘的钕/铁/硼磁体208，以阵列形式结合在一起构成磁通量发生器184。在其他实施例中，可用单一磁体(unitary magnet)实现磁通量发生器184。

在一个实施例中，所述极片130和132使用电工钢的叠片210制成，所述叠片彼此绝缘以减少涡电流损失。所述叠片210可被夹在一起以对叠堆体重的叠片施加预应力。在其他的实施例中，所述极片130和132可由诸如非晶电工钢或铁氧体材料制成。在图5所示的实施例中，极片130和132也均包含孔洞216，其穿过每个极片的表面，用于接收绝缘的紧固件(未示出)从而将极片牢固地紧固在静态框架120上。紧固件也可提供预负荷，以对叠片210施加预应力。在一个实施例中，极片130和132也与静态框架120电绝缘，以消除极片和静态框架之间的涡电流。

所述机电换能器元件196也包括可运动部分194。所述可运动部分194包括：第一闭合片146，其与所述的一对极片130和132通过第一缝隙200分离；和第二闭合片147，其与所述的一对极片通过第二缝隙202分离。

在图5所示的实施例中，闭合片146和147一般具有鸠尾榫形状的侧面212和214。图6中示出的260为安装部的实施例，其用鸠尾榫安装面将闭合片146和147刚性地安装在可动框架140(图3中所示)之中。参考图6，可动框架140的一部分包括：凹口262，其具有一个安装面，该安装面包含鸠尾榫形状安装面264，且该安装面与闭合片146的鸠尾榫形状侧面212相对应。所述安装部260也包括：夹钳268，其具有鸠尾榫形状安装面270，且该安装面与闭合片146的鸠尾榫形状端面214相对应。可在闭合片146、凹口262的安装面以及夹钳268之间放置一绝缘片266，诸如Dupont^TM云母或者纸，以使所述闭合片与可动框架140电绝缘，从而消除闭合片和可动框架140之间的涡电流，而所述可动框架可由诸如铝等导电金属制成。在此实施例中，夹钳268包括：通孔274，用以接收螺纹紧固件272，该紧固件被接收在可动框架140的螺纹孔276中。当紧固件272拧紧时，夹钳268的鸠尾榫形状安装面270与表面214啮合，并还迫使闭合片146的侧面212与安装面264相接触，同时将闭合片146压向凹口262的基底278。当夹钳充分啮合时，夹钳268在凹口262的基底278与该夹钳之间提供缝隙280，从而在闭合片146固定在凹口中之前，夹钳不会降到最低点(bottom out)。因而可操作夹钳268，促使闭合片146的鸠尾榫形状的安装面212和214与对应的可动框架140的鸠尾榫形状表面264及夹钳268的鸠尾榫形状表面270啮合。在一个实施例中，对应的鸠尾榫形状的表面之间由于啮合造成的摩擦力超过在可动框架140往复运动过程中第一闭合片所受的力。有利的是，鸠尾榫形状的安装面212，214配置于闭合片146的区域——在装置100操作过程中，很大一部分磁通量流经该闭合片的所述区域——的远端，以使闭合片146的最大应力区域的磁通密度较低。

在其他实施例中，夹钳268可替换为其他紧固机械装置，例如一个或更多个螺丝，其向闭合片146的背面施加推力并迫使闭合片抵住鸠尾榫形状的切口(cutout)。

在图5所示的实施例中，所述闭合片146和147使用电工钢的叠片218制成，所述叠片彼此绝缘以减少涡电流损失。所述叠片218可被施加预应力。在其他的实施例中，所述闭合片146和147可由诸如非晶电工钢或铁氧体材料制成。

可操作所述磁通量发生器184以产生磁通量，并操作所述极片130和132以耦合由所述磁通量发生器通过第一磁路204和/或第二磁路206产生的磁通量。所述第一磁路204穿过极片132、缝隙200、第一闭合片146并反穿缝隙和极片130到达磁通量发生器184而与磁通量发生器184产生的磁通量进行耦合。所述第二磁路206穿过极片132、缝隙202、第二闭合片147并反穿缝隙和极片130到达磁通量发生器184而与磁通量发生器184产生的磁通量进行耦合。由此，所述第一闭合片146构成第一磁路204的一部分，所述第二闭合片147构成第二磁路206的一部分。在此实施例中，极片130和132，以及闭合片146和147提供大体相同的用以耦合磁通量的区域。第一缝隙200和第二缝隙202的磁阻取决于各自缝隙的尺寸。当没有电流流经线圈190和192且第一和第二缝隙相同时，平均磁通密度大体相同的磁通量会流经第一和第二磁路204和206中的每一个。

第一和第二闭合片146和147机械耦合在一起，并由可动框架140支撑(最佳展现于图4)，以相对于所述的一对极片130和132围绕一个平衡位置做往复运动。仍参照图5，可操作所述往复运动以改变第一和第二缝隙200和202，从而使第一和第二缝隙中的一个缝隙的增加引起其中另一个缝隙的相应减小。第一和第二缝隙200和202的改变引起第一和第二磁路204和206的磁阻均相应变化。当向线圈190和192提供电流时，可产生出附加磁通量，其与第一和第二磁路204和206中由磁通量发生器184产生的磁通量相互作用。

所述装置100以发生器模式工作，通过在轴166处接收外部机械力输入并产生穿过线圈190和192而生成的电位差，将机械能转为电能。参照图7，其示意性示出了单个机电换能器元件196(图5所示)在发生器模式下操作的三种不同操作状态220、222和223。虽然图7中只示出了三种操作“状态”，但应理解在实践中，外部机械力一般会有一个随时间的正弦变化，并且因此机电换能器元件196的可运动部分194会在各状态之间连续运动。因而所述操作状态220、222和223表示机电换能器元件196在三个不同时间的状态。

在第一操作状态220中，通过柔性悬架，将可运动部分194安置在一个相对于静态部分182的平衡位置，并且第一和第二缝隙200和202大体相同。在这种条件下，第一磁路204和第二磁路206的磁阻大体相同，而由磁通量发生器184(由磁场线232表示)所产生的磁通量通过各自的磁路分成了两个大体相似的部分。因而所述磁通量在第一和第二磁路之间基本平均分配，并且在各自的闭合片146、147和极片130、132之间横穿各自的缝隙200和202而产生了力。当无外部机械力作用于可运动部分194时，各自的闭合片146、147和极片130、132之间的力大体相似。但是，即使是第一和第二磁路204和206之间磁阻的极小差异也会在具有较小磁阻的磁路中生成更大的力，由此趋向于减小相应的缝隙，进而进一步减小磁阻。在所示的实施例中，柔性悬架用以对偏离所述平衡位置提供恢复力，该恢复力比磁路204和206之间的任何磁通量差异所产生的力更大，因而可阻止第一缝隙200或第二缝隙202的闭合。

在第二操作状态222中，通过轴166作用于可运动部分194的外力引起第一缝隙200的扩大，同时第二缝隙202减小，结果造成第一和第二磁路的磁阻变化。磁阻的变化引起流经对应第一和第二磁路204和206的磁通量的相应变化，并且磁通量随时间的改变量导致从状态220转变到状态222过程中在线圈190和192中电磁感应出电位。

在第三操作状态223中，可运动部分194已被设置为，使第一缝隙200减小同时第二缝隙202相应增大，从而引起第一磁路204中磁阻相应减小，以及第二磁路206中磁阻增加。磁阻的变化引起流经相应第一和第二磁路204和206的磁通量的相应变化。从状态220到223的转变在线圈190和192中引发电位，而该电位与从状态220到222的转变过程中感应出的电位极性相反。

对于外部力大致正弦式的时间变化，线圈190和192中生成的感应电位具有同频率的大致正弦波形，但其会相对于外力而同相移位。当所述线圈连接至外部电力负载时，所述感应电位引发流经线圈190和192的电流。

或者，装置100也可用于充当往复式电机，用于通过经由线圈190和192连接外源交流电并从而引发轴166的往复运动来将电能转化为机械能。参照图8，其示意示出了单个机电换能器元件196(图5所示)在电机模式下的三种不同操作状态240、242和244。

在第一操作状态240下，没有电流流经线圈190和192，并且柔性悬架对偏离所述平衡位置提供恢复力，该恢复力比磁路204和206所产生的力更大，由此阻止第一和第二缝隙200和202的闭合。因此，对于正弦电流供应，所述操作状态240对应于电流的零点交叉状态。

在第二操作状态242中，电流以穿出纸面的方向流经线圈190和192，引起电感应磁通量，该磁通量流经极片132、闭合片147、极片130和闭合片146。该电感应磁通量与磁通量发生器184产生的磁通量相互作用。该电感应磁通量与磁通量发生器184所产生的磁通量相互作用。该电感应磁通量与由磁通量发生器184在第一磁路204中所产生的磁通量方向相反，因此该电感应磁通量可减少第一磁路的磁通量。类似地，该电感应磁通量与由磁通量发生器184在第二磁路206中所产生的磁通量方向相同，因此该电感应磁通量可加强第二磁路的磁通量。流经线圈190和192的电流所引起的磁通量的变化引发在可所述运动部分上产生的沿着箭头228所指方向的力。

在第三操作状态244中，电流以进入纸面之内的方向流经线圈190和192并引起电感应磁通量，该磁通量流经极片130、闭合片146、极片132和闭合片147。该电感应磁通量与磁通量发生器184在第一磁路204中所产生的磁通量方向相同，并因此该电感应磁通量可加强第一磁路的磁通量。类似地，该电感应磁通量与磁通量发生器184在第二磁路206中所产生的磁通量方向相反，因此该电感应磁通量可减少第二磁路的磁通量。流经线圈190和192的电流所引起的磁通量的变化引发在所述可运动部分上产生沿着箭头230所指方向的力。同由柔性悬架和外部机械负载时一样，在操作状态242和244中由电流所引发的力将导致可运动部分194位移。

当线圈190和192中的电流具有正弦式时间变化时，在可运动部分上所产生的力也会随时间具有大体正弦式变化。所述位移的幅度与电流成正比，在一个实施例中，所述幅度可在约0.25毫米范围内。

不管装置100充当电机还是发生器，第一磁路204和第二磁路206内的磁通量均随时间变化，由于磁滞现象、所述的一对极片130和132及闭合片146和147内的涡电流、磁通量泄漏及到周围结构的其他异常损失，该变化会引发磁通量的损失。这些损失会引发磁性材料和周围材料发热。同样，流经线圈190和192的电流引发线圈的焦耳热，这会随线圈温度而增加。因而为了有效运行，有必要限制装置100的运行温度。另外，磁通量发生器184的磁体208也会在高温下产生少量磁通量，且如果温度过高，所述磁体可能会消磁。参照图2，在所示实施例中，静态部分108的静态框架120可与极片126，128，130，132，134和136及线圈190和192进行热连通，由此提供低热阻路径，用于经热传递至静态框架。静态框架120也包含扩展表面区域122，其靠近外壳102的盖子106，并由此提供较大的表面区域用于将热量传递至盖子106(图1所示)。在一个实施例中，所述表面区域122和盖子106之间的缝隙约1毫米。盖子106具有较大的表面区域，用以向装置100的周围环境散热。静态部分108支撑极片126，128，130，132，134和136及代表重要发热源的线圈190和192，由此简化了对装置100运行过程中所产生热量的移除。此外，由于所述线圈充分地固定于外壳102内，因此与线圈190及192的连接不会受疲劳影响，所述疲劳会限制装置100的运行寿命。磁通量发生器184也不会受往复运动的高加速度影响。一般来讲，固定作用会防止精细组件损坏、疲劳、机械损耗或防止降低谐振系统中的品质因数Q。

参照图3，在此实施例中，闭合片144，145，146，147和与第三机电换能器元件关联的闭合片置于可运动部分110的可动框架140中，且会受往复运动加速度影响。图4中所示可运动部分110和静态部分108的嵌套配置可使热量从换能器元件的闭合片传递到可动框架140和静态框架120，以及经由与每个机电换能器元件关联的第一和第二缝隙传递到极片126，128，130，132，134和136。可运动部分110的扩展表面区域149也促使热量直接传递到盖子106。

在一些实施例中，盖子106配置为，用以密封外壳102的内部空间，为装置100的操作营造一个低于大气压的气压环境。外壳102的内部空间中稀薄的环境可有效减少由于可运动部分110往复运动造成的风阻损失。在密封空间中使用低粘度氢气也可有效减少风阻损失，因为其在所有气体中粘度最低。密封的内部空间也可减少声音传输，无论该环境是否稀薄。此外，密封的内部空间装有比空气更具传导性的气体诸如氢气或氦气，或氢气和氦气混合气，可有助于热传递。在一个实施例中，外壳中的气体可具有约1x 10^-3个大气压的气压。

图9中示出了根据另一个实施例的电路300和310。在所示实施例的300中，线圈190和192串联连接并具有相关电感值L₁和L₂，一般情况下L₁和L₂大致相同。电路300包含一对端子302和303，在装置100作为发生器运行时，所述端子可连接至外部负载，或在装置100作为电机运行时，所述端子可连接至外部电源。电路300也包括：第一串联电容器304，其与第一线圈190串联；和第二串联电容器305，其与第二线圈192串联。在所示的电路实施例310中，提供一对端子302和303，连接至外部负载或外部电源，并且线圈190和电容器304与线圈192和电容器305平行连接。

对电路实施例300和310中的电容C₁和C₂进行选择，以提供反应性阻抗部件(reactive impedance component)，该部件在所述装置的运行频率下可充分抵消线圈的反应性阻抗部件。例如，在发生器模式下，在第一和第二磁路204和206中不断变化的磁通量可在线圈190和192中引发感应电位。当将负载连接至所述的一对端子302、303时，通过电感器L₁和L₂的电流变化引起电压降(L₁+L₂)di/dt，其限制在负载终端处产生的电压，并由此限制传至所述负载的电流。因此可对电容C₁和C₂进行选择，以抵消在运行频率下的电感影响，从而即使在有电流流动的情况下，也可使整个生成的电位在端子302、303处形成。此外，包括所述电容器304和305也可使电流和感应电位大体同相位。

在图1和图4所示的实施例中，装置100包括：以三角形格局排列的三个机电换能器元件196。参照图2，静态部分108包括极片对126和128，130和132，134和136，其围绕中心轴124安装在共同的静态框架120中。参照图3，可运动部分110同样包括对应的闭合片(其中闭合片144，145，和146，147和148在图3中部分可见)，其安装在共同的可动框架140中，可动框架140具有中心轴151。线圈190和192(图2所示)均为所有机电换能器元件所共用，并被配置为，与第一和第二磁路中的至少一个进行电磁相互作用，所述磁路与每个机电换能器相关联。参照图4，在所示实施例中，机电换能器元件的每个闭合片通过可动框架140与公用轴166耦合。在电机操作模式下，由每个机电换能器元件产生的力通过可动框架140与公用轴166耦合。在装置100的发生器模式下，作用于轴166的外部力通过可动框架140与每个机电换能器元件196耦合。所述可运动部分110嵌套安装在静态部分108中，以使轴线151和124大体对齐，并且大体沿公共轴线152进行往复运动(图4所示)。

较为有利的是，所述装置100的三角形格局——包括三个机电换能器元件——提供比单个机电换能器元件更大的能量转换能力。所述三角形格局对称性，在电磁和机械设计局限内进一步提供了对外壳的内部空间的有效使用，允许对静态部分108和可运动部分110进行独立稳定的三点支撑，并容纳轴166和管式弹簧(即图4所示的第一柔性悬架150)。在其他实施例中，装置100可被配置为，包括：单个机电换能器元件196，两个机电换能器元件，或超过三个的机电换能器元件。

在一个实施例中，装置100可连同热声换能器一起使用。所述热声换能器可被配置为，作为接收热能的热力发动机运行，并且所述换能器将热能转成机械能，所述机械能可用于驱动装置100的轴166，并产生电能。或者，所述装置100可被配置为往复式电机，以向热声换能器提供机械能，所述热声换能器作为热泵运行，将机械能转为热能，从低温转成高温。

图10的360示出了根据本发明的另一实施例的能量转换系统。参照图10，能量转换系统360包括：热声换能器装置362；和两个背对背的机电换能器装置364和366，其沿公共轴线368设置。可根据图1至图4中示出的上述装置100的实施例，对所述背对背机电换能器装置364和366进行配置。

热声换能器装置362包括：两个背对背可替换膜片370和372，它们界定了一个共用的中央腔374，该中央腔在膜片和相应腔体376、378之间延伸至两侧。共用腔体374包括：歧管380，配置于共用腔体的外围，用以提供在共用腔体和热变换器(图中未示)之间的流体连通。腔体376和378也都包括各自的歧管382和384，用以提供与热变换器的流体连通。所述热声换能器装置362在2012年9月19日由Steiner等人的题为“包括传输导管的热声换能器装置”的美国临时专利申请61/702，918中有详尽描述，该专利申请的全部内容通过引用纳入本文。

机电换能器装置364的一部分于剖视图中部分地示出，其包含轴166和管式弹簧的圆柱壁158和162(在图4中示出)。轴166和圆柱壁158与膜片370耦合。由此管式弹簧为轴166构建了一个平衡位置，该轴166与膜片370及可动框架140(图4所示)耦合。对所述机电换能器装置366的膜片372进行了相似配置。在操作过程中，由于机电换能器364和366各自的往复运动而产生的惯力基本抵消，因而减少了系统360的振动和可听噪声。

在机电换能器364和366——它们包括图9中所示的串联电容器304和305——的实施例中，可选择所述电容器的电容以电补偿各自机电换能器可运动部分之间机械刚度的差异，更确切地说，抵消各自的惯力。具体地，选择电容C₁和C₂以促使电流具有一个领先于电位或滞后于电位的相位。对于电流滞后于电位的情况，由电流产生的力也滞后于该电位，并且所述力提供额外的刚度分量，增甲了柔性悬架的刚度。对于电流领先于电位的情况，由电流产生的力也领先于该电位，且为可运动部分110有效增加“质量”。因此，使用电容C₁和C₂的变化来补偿各自机电换能器之间的细小差别，从而抵消惯力，由此减少了振动和可听噪声的产生。

在另一个实施例中，可将电容304和305替代为有源负载电路(图中未示出)，有源负载电路有效提供一个响应于控制信号而变化的阻抗部件。有源负载电路的一个示例为功率因数修正电路，可对该功率因数修正电路进行操作以改变电流相对于电压的相位。可利用控制信号将有源负载配置成以电子方式用作电容器，且其有效电容可以是电子控制的。除此之外，可对有源负载进行电子控制以改变其有效负载电阻，并进而可用于控制换能器冲程(stroke)。因此，在各自机电换能器中包含分离的有源负载可促进所述两个换能器冲程内的调整，从而提供用以减少振动和可听噪声的附加控制。

替代地或附加地，在其他实施例中，调谐块可耦合于机电换能器364和366中至少一个的可运动部分，以平衡由于机电换能器的各自往复运动造成的惯力。例如，参照图4，所述调谐块可以垫圈的形式由紧固件170紧扣在轴166上。或者，所述调谐块可在一个离开轴的位置引入以进一步补偿制造过程中所引入的任何不对称性。在一个实施例中，可适当选择所述调谐块以提供大致的惯力平衡，同时任何未被所述谐振块补偿的残余惯力可如上所述通过改变电容C₁和C₂的方式进行抵消。

在所公开的实施例中，机电换能器装置100的静态部分108将线圈保持在一个静态位置，进而可简化与线圈190和192的连接，并且可减少在运动线圈实施过程中可能出现的连接失败。静态部分108也可通过静态部分和外壳之间的低热阻路径来促进装置中显著发热组件的热耦合，从而有效除去操作过程中产生的热量。

本文虽已描述和示意说明了特定实施例，但该实施例应被认为仅供示意说明，而非限制所附权利要求限定的本发明。