自由活塞斯特林发动机及其排出器平衡装置

技术领域

本发明涉及斯特林发动机技术领域，尤其涉及一种自由活塞斯特林发动机及其排出器平衡装置。

背景技术

自由活塞斯特林发动机是指利用热在压力气体中产生自激振荡的效应，将热转换为压力波动的机械动力装置。为了获得理想的热声转换性能，通常使用排出器来保证回热器中的压力波动与体积流率处于特定的声场相位关系。现有的排出器大多采用板弹簧支撑，与排出器活塞之间采用螺栓连接。排出器中板弹簧一是起径向支撑作用，保证间隙密封不被破坏，二是为排出器往复运动提供回复力。随着单机功率需求提升，以及工程使用环境下的高可靠性应用需求，机械弹簧结构难以提供足够的刚度及运行位移，此外在特定高温工作环境下，机械弹簧因存在疲劳失效模式，其应用进一步受到限制。故针对大功率量级自由活塞斯特林技术可通过采用气体弹簧实现相应刚度匹配。

请参考图1，图1为现有技术中的一种采用气体弹簧的自由活塞斯特林发电机示意图。

自由活塞斯特林发电机包括由膨胀腔1、加热器2、回热器3、冷却器4、压缩腔5、排出器10、气体弹簧腔11组成的发动机部分，以及由主活塞6、内定子7、线圈8、外定子9组成的直线电机部分。其中，气体弹簧腔11内设置有弹簧活塞气缸和弹簧活塞13，弹簧活塞13与弹簧活塞气缸配合形成气体弹簧，弹簧活塞13设置于排出器10的端部。对置机型一般水平放置进行工作，在水平放置下，因排出器10无径向约束，且排出器10的dome筒12侧和弹簧活塞13侧重量差异较大，导致排出器10的重心偏向dome筒侧。在排出器往复运动过程中，由于排出器倾斜将导致排出器与气缸不可避免地发生摩擦磨损，使其寿命与可靠性降低。

发明内容

本发明实施例提供一种自由活塞斯特林发动机及其排出器平衡装置，其能够避免排出器往复运动过程中排出器倾斜的问题，进而避免了排出器与气缸之间发生摩擦磨损的问题。

本发明的第一方面提供一种自由活塞斯特林发动机的排出器平衡装置，设置于自由活塞斯特林发动机的气体弹簧组件上，其中，所述气体弹簧组件包括弹簧活塞和弹簧活塞气缸，所述弹簧活塞可沿轴向往复滑动地设置于所述弹簧活塞气缸内，所述排出器平衡装置包括：

动磁组件，设置于所述弹簧活塞上；

定磁组件，设置于所述弹簧活塞气缸上；其中，

所述动磁组件和所述定磁组件相互作用，适于形成作用于所述弹簧活塞的垂向作用力，所述垂向作用力与排出器的重力方向相同；且，所述弹簧活塞沿轴向偏离初始位置时，所述动磁组件和所述定磁组件相互作用，适于形成作用于所述弹簧活塞的轴向作用力，在所述轴向作用力下，所述弹簧活塞具有向所述初始位置运动的趋势。

根据本发明提供的自由活塞斯特林发动机的排出器平衡装置，所述动磁组件包括回中磁铁动子组件，所述定磁组件包括回中磁铁定子组件；其中，

所述回中磁铁动子组件，包括：

第一动磁铁和第二动磁铁，二者沿所述弹簧活塞的轴向依次设置；

所述回中磁铁定子组件，包括：

第一定磁铁和第二定磁铁，二者沿所述弹簧活塞气缸的轴向依次设置；

所述第一动磁铁和所述第一定磁铁相对应，二者充磁方向相同；所述第二动磁铁和所述第二定磁铁相对应，二者充磁方向相同；所述第一动磁铁和所述第二动磁铁的充磁方向相反，以使所述弹簧活塞沿轴向偏离初始位置时，所述回中磁铁动子组件和所述回中磁铁定子组件相互作用，形成所述轴向作用力。

根据本发明提供的自由活塞斯特林发动机的排出器平衡装置，所述动磁组件还包括平衡磁铁动子组件，所述定磁组件包括平衡磁铁定子组件，所述平衡磁铁动子组件和所述平衡磁铁定子组件相互作用，适于形成所述垂向作用力。

根据本发明提供的自由活塞斯特林发动机的排出器平衡装置，所述平衡磁铁动子组件设置于所述弹簧活塞的径向顶端和/或底端，所述平衡磁铁定子组件与所述平衡磁铁动子组件相对应。

根据本发明提供的自由活塞斯特林发动机的排出器平衡装置，所述回中磁铁动子组件设置为多组，并沿周向分布；所述回中磁铁定子组件设置为多组，并且与所述回中磁铁动子组件一一对应设置；其中，

多组所述回中磁铁动子组件与多组所述回中磁铁定子组件之间形成的径向力的合力为零；或者，所述径向力的合力方向与所述排出器的重力方向相同。

根据本发明提供的自由活塞斯特林发动机的排出器平衡装置，所述回中磁铁动子组件还包括：

第一动硅钢件，设置有第一凹槽，所述第一动磁铁和所述第二动磁铁设置于所述第一凹槽内；

所述回中磁铁定子组件还包括：

第一定硅钢件，设置有第二凹槽，所述第一定磁铁和所述第二定磁铁设置于所述第二凹槽内。

根据本发明提供的自由活塞斯特林发动机的排出器平衡装置，所述平衡磁铁动子组件包括第三动磁铁，所述平衡磁铁定子组件包括第三定磁铁或者第二定硅钢件。

根据本发明提供的自由活塞斯特林发动机的排出器平衡装置，所述平衡磁铁动子组件还包括：

第二动硅钢件，设置有第三凹槽，所述第三动磁铁设置于所述第三凹槽内。

根据本发明提供的自由活塞斯特林发动机的排出器平衡装置，所述平衡磁铁动子组件包括：

第三动磁铁和第二动硅钢件，所述第二动硅钢件设置有第三凹槽，所述第三动磁铁设置于所述第三凹槽内；

所述平衡磁铁定子组件包括：

第三定磁铁和第二定硅钢件，所述第二定硅钢件设置有第四凹槽，所述第三定磁铁设置于所述第四凹槽内。

本发明的第二方面提供一种自由活塞斯特林发动机，包括：

主活塞和排出器，所述排出器沿轴向穿过所述主活塞，所述主活塞设置有高压气腔，所述高压气腔用于向所述主活塞与所述排出器之间排高压气，以形成气体轴承；

所述排出器的端部设置有如上任一项所述的排出器平衡装置。

本发明提供的技术方案中，在气体弹簧组件的弹簧活塞和弹簧活塞气缸上分别设置有动磁组件和定磁组件，顾名思义，动磁组件是指能够随弹簧活塞一起运动的磁性组件，定磁组件则固定在弹簧活塞气缸上，且具有磁性。在动磁组件和定磁组件之间的磁场力作用下，当弹簧活塞沿轴向偏离初始位置时，能够形成作用于弹簧活塞的轴向作用力，在轴向作用力下，弹簧活塞具有向初始位置运动的趋势，从而为弹簧活塞提供了轴向刚度，确保排出器处于轴向平衡位置。在确保排出器始终处于轴向平衡位置的基础上，动磁组件和定磁组件之间具有磁场力，该磁场力作用于弹簧活塞上形成垂向作用力，如此设置，即使排出器的dome筒侧重量明显大于气体弹簧活塞侧，由于上述垂向作用力作用在弹簧活塞上，能够使排出器在气体轴承两端的受力基本保持平衡(dome筒侧和气体弹簧活塞侧分别位于气体轴承相对的两侧)，进而避免了排出器因其dome筒侧重力较大而向dome筒侧发生倾斜，导致排出器与气缸产生摩擦磨损的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，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为现有技术中的一种采用气体弹簧的自由活塞斯特林发电机示意图；

图2为本发明实施例中自由活塞斯特林发动机的排出器和主活塞部分结构示意图；

图3a为本发明实施例中回中磁铁动子组件和回中磁铁定子组件在初始位置时的示意图；

图3b为本发明实施例中回中磁铁动子组件和回中磁铁定子组件沿第一方向相对运动时的作用关系示意图；

图3c为本发明实施例中回中磁铁动子组件和回中磁铁定子组件沿第二方向相对运动时的作用关系示意图；

图4为本发明实施例中平衡磁铁动子组件和平衡磁铁定子组件的作用关系示意图；

图5为本发明第一种实施例中动磁组件和定磁组件示意图；

图6是图5中A-A截面示意图；

图7是图5中B-B截面示意图；

图8是本发明实施例中排出器受力示意图；

图9是本发明第二种实施例中动磁组件和定磁组件示意图；

图10是图9中A-A截面示意图；

图11为本发明第三种实施例中动磁组件和定磁组件示意图；

图12是图11中A-A截面示意图；

图13是图11中B-B截面示意图；

图14为本发明第四种实施例中动磁组件和定磁组件示意图；

图15是图14中A-A截面示意图；

图16是图14中B-B截面示意图；

图17是本发明实施例中不同结构下排出器运行时所受阻尼测试结果示意图。

图1中：

1、膨胀腔；2、加热器；3、回热器；4、冷却器；5、压缩腔；6、主活塞；7、内定子；8、线圈；9、外定子；10、排出器；11、气体弹簧腔；12、排出器dome筒；13、弹簧活塞；

图2-图16中：

101、弹簧活塞；102、弹簧活塞气缸；103、高压气腔；110、回中磁铁动子组件；111、第一动磁铁；112、第二动磁铁；113、第一动硅钢件；120、回中磁铁定子组件；121、第一定磁铁；122、第二定磁铁；123、第一定硅钢件；130、平衡磁铁动子组件；131、第二动硅钢件；132、第三动磁铁；140、平衡磁铁定子组件；141、第二定硅钢件；142、第三定磁铁。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参考图2-图16，本发明实施例提供的一种自由活塞斯特林发动机的排出器平衡装置，用于使排出器保持平衡状态。需要说明的是，自由活塞斯特林发动机包括主活塞、气缸和排出器等部件，其中，排出器的外周与气缸的内壁配合，且排出器由主活塞的中心孔内穿过，排出器与主活塞的中心孔之间间隙密封，并且主活塞内部设置有高压气腔103，高压气腔103向排出器与主活塞之间供给高压气体，形成气体轴承，进而主活塞具有气体轴承承载段，用于承载排出器。

自由活塞斯特林发动机在水平放置时，即，发动机的轴向处于水平面上。由于排出器的dome筒一端重量较大，导致排出器的重心向dome筒一端靠近而发生倾斜，进而导致了排出器与气缸之间易发生摩擦磨损的问题。

鉴于此，本实施例提供的自由活塞斯特林发动机的气体弹簧组件上设置有排出器平衡装置，用于平衡排出器的重心，防止排出器发生倾斜的问题。

需要说明的是，气体弹簧组件与dome筒分别位于排出器的两端，其中，气体弹簧组件的弹簧活塞101设置在排出器的端部，并且弹簧活塞101可沿轴向往复滑动地设置于弹簧活塞气缸102内。

本实施例提供的排出器平衡装置包括动磁组件和定磁组件。其中，动磁组件设置于弹簧活塞101上，动磁组件随弹簧活塞101同步运动，并且具有磁性。定磁组件固定设置于弹簧活塞气缸102上。

动磁组件和定磁组件相互作用，适于形成作用于弹簧活塞101的垂向作用力，垂向作用力与排出器的重力方向相同；且，弹簧活塞101沿轴向偏离初始位置时，动磁组件和定磁组件相互作用，适于形成作用于弹簧活塞101的轴向作用力，在轴向作用力下，弹簧活塞101具有向初始位置运动的趋势。

如此设置，在动磁组件和定磁组件之间的磁场力作用下，当弹簧活塞101沿轴向偏离初始位置时，能够形成作用于弹簧活塞101的轴向作用力，在轴向作用力下，弹簧活塞101具有向初始位置运动的趋势，从而为弹簧活塞101提供了轴向刚度，确保排出器处于轴向平衡位置。在确保排出器始终处于轴向平衡位置的基础上，动磁组件和定磁组件之间具有磁场力，该磁场力作用于弹簧活塞101上形成垂向作用力，即使排出器的dome筒侧重量明显大于气体弹簧活塞101侧，由于上述垂向作用力作用在弹簧活塞101上，能够使排出器在气体轴承两端的受力基本保持平衡(dome筒侧和气体弹簧活塞101侧分别位于气体轴承相对的两侧)，进而避免了排出器因其dome筒侧重力较大而向dome筒侧发生倾斜，导致排出器与气缸产生摩擦磨损的问题。

在一些实施例中，如图3a所示，动磁组件包括回中磁铁动子组件110，定磁组件包括回中磁铁定子组件120；其中，回中磁铁动子组件110，包括第一动磁铁111和第二动磁铁112，第一动磁铁111和第二动磁铁112沿弹簧活塞101的轴向依次设置。回中磁铁定子组件120包括第一定磁铁121和第二定磁铁122，第一定磁铁121和第二定磁铁122沿弹簧活塞气缸102的轴向依次设置。

第一动磁铁111和第一定磁铁121相对应，二者充磁方向相同；第二动磁铁112和第二定磁铁122相对应，二者充磁方向相同；第一动磁铁111和第二动磁铁112的充磁方向相反，以使弹簧活塞101沿轴向偏离初始位置时，回中磁铁动子组件110和回中磁铁定子组件120相互作用，形成轴向作用力。

如此设置，弹簧活塞101在初始位置的状态下，第一动磁铁111和第一定磁铁121相对应，并且二者对应面的磁极相反，即，二者相互吸引；第二动磁铁112和第二定磁铁122相对应，并且二者对应面的磁极相反，即，二者相互吸引。在第一动磁铁111和第一定磁铁121、以及第二动磁铁112和第二定磁铁122的相互吸引的作用力下，能够限制弹簧活塞101的轴向位移。

当弹簧活塞101沿第一轴向偏离初始位置时，或者具有沿第一轴向偏离初始位置的运动趋势时，如图3b所示，在第一动磁铁111和第一定磁铁121的吸引力，第二动磁铁112和第二定磁铁122的吸引力，以及，第二定磁铁122与第一动磁铁111的排斥力，三者的共同作用下，可有效阻止弹簧活塞101沿第一轴向偏离初始位置。

同样，当弹簧活塞101沿与第一轴向相反的第二轴向偏离初始位置时，或者具有沿第二轴向偏离初始位置的运动趋势时，如图3c所示，在第一动磁铁111和第一定磁铁121的吸引力，第二动磁铁112和第二定磁铁122的吸引力，以及，第二动磁铁112与第一定磁铁121的排斥力，三者的共同作用下，可有效阻止弹簧活塞101沿第二轴向偏离初始位置。

如此设置，能够使弹簧活塞101具有足够的轴向刚度，保证排出器具有较好的轴向稳定性。

在进一步的实施例中，如图4所示，动磁组件还包括平衡磁铁动子组件130，定磁组件包括平衡磁铁定子组件140，平衡磁铁动子组件130和平衡磁铁定子组件140相互作用，适于形成垂向作用力。

如此设置，在回中磁铁动子组件110和回中磁铁定子组件120的作用下，能够使弹簧活塞101保持轴向稳定性。在保证了轴向稳定性的基础上，通过平衡磁铁动子组件130和平衡磁铁定子组件140的相互作用，使得弹簧活塞101产生能够平衡其重心的垂向作用力，进而能够避免排出器发生倾斜而造成摩擦磨损的问题。

在进一步的实施例中，如图5所示，平衡磁铁动子组件130设置于弹簧活塞101的径向顶端和/或底端，平衡磁铁定子组件140与平衡磁铁动子组件130相对应。如此设置，当平衡磁铁动子组件130与平衡磁铁定子组件140相对正时候，二者产生竖直方向的作用力，并且经过弹簧活塞101和弹簧活塞气缸102的轴心，进而能够平衡排出器的重心。

在一些实施例中，回中磁铁动子组件110设置为多组，并沿周向分布，具体地，多组回中磁铁动子组件110呈中心对称分布，且对称中心为弹簧活塞101的轴心。比如，如图5所示，回中磁铁动子组件110设置有六个，三个回中磁铁动子组件110分布在左侧，另三个分布在右侧，左侧的回中磁铁动子组件110与右侧的回中磁铁动子组件110一一呈中心对称分布，本实施例中，回中磁铁定子组件120设置为多组，并且与回中磁铁动子组件110一一对应设置。如此设置，呈对称分布的两个回中磁铁动子组件110所受的径向磁力能够相互抵消。进而使得多组回中磁铁动子组件110与多组回中磁铁定子组件120之间形成的径向力的合力为零。

当然在另一种实施例中，通过设置回中磁铁定子组件120与回中磁铁动子组件110的位置，如图14所示，也可使二者之间的径向合力与排出器的重力方向相同，进而也能够起到平衡重心的作用。

在一些实施例中，回中磁铁动子组件110还包括第一动硅钢件113，第一动硅钢组件设置有第一凹槽，第一动磁铁111和第二动磁铁112设置于第一凹槽内。回中磁铁定子组件120还包括第一定硅钢件123，第一定硅钢件123设置有第二凹槽，第一定磁铁121和第二定磁铁122设置于第二凹槽内。

本实施例提供的平衡磁铁动子组件130可以包括第三动磁铁132，或者，也可以包括第三动磁铁132和第二动硅钢件131，其中，第二动硅钢件131设置有第三凹槽，第三动磁铁132设置于第三凹槽内。

平衡磁铁定子组件140包括第三定磁铁142或者第二定硅钢件141，即，平衡磁铁定子组件140可以只由第三定磁铁142构成，也可以只由第二定硅钢件141构成。或者，在另一个实施例中，平衡磁铁定子组件140包括第三定磁铁142和第二定硅钢件141，第二定硅钢件141设置有第四凹槽，第三定磁铁142设置于第四凹槽内。

需要说明的是，上述各个磁铁和硅钢件可以采用板状结构，其中硅钢件的材质为硅钢，其具有导磁特性，将磁铁安装在硅钢件的凹槽内，磁铁处于被硅钢件半包围的状态下，能够有效增强磁场。

另外，定磁组件设置于弹簧活塞气缸102上，动磁组件设置于弹簧活塞101上。具体的，可在弹簧活塞气缸102上开设安装槽，定磁组件卡置于安装槽内。弹簧活塞101上也可以开设有安装槽，动磁组件卡置于弹簧活塞101的安装槽内。

本发明实施例还提供了一种自由活塞斯特林发动机，包括主活塞和排出器，其中，排出器沿轴向穿过主活塞，主活塞设置有高压气腔103，高压气腔103用于向主活塞与排出器之间排高压气，以形成气体轴承。排出器的端部设置有如上任一实施例所述的排出器平衡装置。设置有上述平衡装置的排出器，能够避免其重心远离气体轴承的承载段，造成排出器倾斜导致摩擦磨损的问题。

下面结合具体实施例对本方案进行详细完整的说明。

实施例一

如图5-图7所示，本实施例中，在弹簧活塞101和弹簧活塞气缸102的径向顶部分别安装有平衡磁铁动子组件130和平衡磁铁定子组件140，其中，平衡磁铁动子组件130包括第三动磁铁132和第二动硅钢件131，第二动硅钢件131设置有第三凹槽，第三动磁铁132设置于第三凹槽内。平衡磁铁定子组件140包括第二定硅钢件141，第二定硅钢件141的轴向长度大于平衡磁铁动子组件130的轴向长度，以在往复过程中，平衡磁铁动子组件130受到足够长度的平衡磁铁定子组件140而保持该作用力大小及作用点不发生变化。在排出器往复运动过程中，弹簧活塞101将受到竖直向下，大小及作用点均不发生变化的稳定单向力，以平衡排出器的重心，避免排出器发生倾斜的问题。

另外，本实施例中回中磁铁动子组件110和回中磁铁定子组件120分别设置有六个，并且回中磁铁动子组件110和回中磁铁定子组件120一一对应设置，回中磁铁动子组件110和回中磁铁定子组件120分别对称设置在左右两侧。

实施例二

如图9-图10所示，本实施例中，回中磁铁动子组件110和回中磁铁定子组件120的设置方式与实施例一相同。并且，与实施例一同样在弹簧活塞101和弹簧活塞气缸102的径向顶部分别安装有平衡磁铁动子组件130和平衡磁铁定子组件140，其中，平衡磁铁动子组件130包括第三动磁铁132和第二动硅钢件131，第二动硅钢件131设置有第三凹槽，第三动磁铁132设置于第三凹槽内。不同的是，本实施例中，平衡磁铁定子组件140包括第三定磁铁142和第二定硅钢件141，第二定硅钢件141设置有第四凹槽，第三定磁铁142设置于第四凹槽内，从而相比于实施例一种的平衡磁铁定子组件140，本实施例能够有效增强磁力大小。在尺寸受限但力需求较大时，可通过该实施例二获得更大的作用力。

实施例三

如图11-图13所示，与实施例二不同的是，本实施例可以在弹簧活塞101和弹簧活塞气缸102的径向顶部、以及底部都分别安装有平衡磁铁动子组件130和平衡磁铁定子组件140。而回中磁铁动子组件110和回中磁铁定子组件120的设置方式与实施例一和实施例二相同。如此设置，弹簧活塞101的径向顶部和底部都受到平衡磁铁动子组件130和平衡磁铁定子组件140之间的磁场力，能够进一步增加用于平衡排出器重心的平衡力的大小。

实施例四

如图14-图16所示，本实施例与上述实施例一、实施例二、实施例三不同，本实施例未设置平衡磁铁动子组件130和平衡磁铁定子组件140，而仅仅设置有回中磁铁动子组件110和回中磁铁定子组件120，并通过调整回中磁铁动子组件110和回中磁铁定子组件120的位置状态，使二者之间的磁场力偏离弹簧活塞101的中心，并且多个回中磁铁动子组件110和回中磁铁定子组件120之间形成的磁场合力竖直向下，进而能够起到平衡排出器的重心的作用。

请参考图17，图17是不同结构下排出器运行时所受阻尼测试结果示意图，图中间隙∞表示定子组件上未安装导磁硅钢下测试结果。结果表明随平衡磁铁间隙减小，在无配重工况下布置平衡磁铁使运行阻尼从4.53降低至4.30Ns/m。配重指在上述排出器dome筒侧固接重块，模拟排出器重心偏离气体轴承承载段不同距离工况。验证所提出平衡磁铁结构可有效改善偏心力与气体轴承承载中心偏离较远时气体支承效果，确保系统无摩擦运行。如配重0.88kg时，通过布置平衡磁铁，运行阻尼可从13.4Ns/m降至5.9Ns/m；配重1.23kg时，通过布置平衡磁铁，运行阻尼可从47.0Ns/m降至8.8Ns/m。

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。