配气活塞主动电驱式斯特林发电机

本发明属于斯特林发电机，涉及一种配气活塞主动电驱式斯特林发电机。

背景技术：

1、斯特林发电机是一种通过工作介质气体封闭循环的外燃式发电机。其中，工质气体在膨胀腔和压缩腔之间往复流动，并在膨胀腔中通过外部热源加热，在压缩腔中通过外部冷源冷却，所产生的气体压力变化推动活塞运动从而对外输出机械能并再由发电机将其转化为电能。在传统的斯特林发电机中，配气活塞和动力活塞分别通过连杆与曲轴相连，机械结构复杂、振动噪声大、摩擦损失严重、配气活塞与动力活塞之间的运动学配合关系受曲柄连杆机构几何运动关系的约束。与之相比，自由活塞式斯特林发电机取消了曲柄连杆机构，采用机械弹簧或气体弹簧进行动力活塞的回位并利用气动效应实现配气活塞与动力活塞之间的运动配合。传统的自由活塞式斯特林发电机结构简单、振动噪声和摩擦损失小，但依靠动力活塞的弹簧回位及其所产生的气动效应来实现配气活塞与动力活塞之间的运动配合还很不可靠。

2、现有技术中，部分自由活塞式斯特林发电机的配气活塞与压缩腔一侧的板弹簧直接连接，配气活塞运动位移和振动频率受板弹簧的约束；然而，板弹簧对配气活塞运动规律的影响有限，无法使配气活塞按照理想的运动规律与动力活塞的运动进行合理配合；板弹簧在长时间的往复运动中易疲劳失效从而影响斯特林发电机的使用寿命。另外，部分自由活塞式斯特林发电机的配气活塞上设置配气活塞连杆，配气活塞连杆穿过动力活塞，并在背腔一侧与弹性件固定；由于配气活塞连杆穿过动力活塞，配气活塞杆和动力活塞之间存在壁间摩擦和气体窜漏；在高速运行时，配气活塞连杆易结构失稳并与动力活塞产生结构干涉，从而可能导致斯特林发电机难以正常工作。此外，部分自由活塞式斯特林发电机采用两个直线电机以90度相位差的脉冲宽度调制信号分别驱动穿过动力活塞的配气活塞连杆和动力活塞的运动，但由于作用于动力活塞上的工质气体压力、切割磁力线的电磁力和背腔的压力均瞬时变化且与运行工况相关，同时动力活塞又要作为执行器提供动力输出，故通过外部脉冲宽度调制信号进行动力活塞的运动控制复杂、不合理且几乎不可行。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种配气活塞主动电驱式斯特林发电机，旨在解决自由活塞式斯特林发电机中配气活塞与动力活塞的运动规律难以合理匹配和可靠协调的问题。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种配气活塞主动电驱式斯特林发电机，包括缸体和沿缸体轴向依次设置的膨胀腔、压缩腔和背腔；膨胀腔与压缩腔之间设有配气活塞，压缩腔与背腔之间设有动力活塞；配气活塞内设置有直线电动机动子磁轭，直线电动机动子磁轭轴向设有直线电动机动子磁极，缸体内对应设置有直线电动机定子；动力活塞靠近背腔的一端连接有直线发电机动子，缸体内对应设置有直线电动机定子，且在直线发电机定子两端均设有电磁限位弹簧；在外部脉冲宽度调制信号作用下，配气活塞做往复直线运动，推动工作介质气体在膨胀腔与压缩腔之间流通，导致膨胀腔和压缩腔中的工作介质压力产生交替变化，交替变化的工作介质压力激励动力活塞在压缩腔和背腔之间往复直线运动，并带动直线发电机动子切割磁感线，在直线发电机定子中产生感应电动势。

3、可选的，膨胀腔与压缩腔之间布置有工作介质的流动通道；其中，与膨胀腔顶部相连接有加热管，加热管另一侧连接回热器，回热器连接有冷却器，冷却器再连接到压缩腔。

4、可选的，配气活塞的驱动频率不大于动力活塞、直线发电机动子、直线发电机定子、电磁限位弹簧和背腔所构成动力学振动系统的固有频率的0.75倍。

5、可选的，配气活塞、动力活塞均采用中空结构以减轻运动质量。

6、可选的，配气活塞和动力活塞均设有密封环。

7、可选的，直线电动机定子上布置有冷却器的冷却介质的流经通道。

8、可选的，电磁限位弹簧为可充磁的永磁环，电磁限位弹簧充磁后产生极性与直线发电机动子的永磁体极性相斥。

9、可选的，当直线发电机动子做往复直线运动时，电磁限位弹簧提供回复力；当发电机停机时，电磁限位弹簧使直线发电机动子复位。

10、可选的，直线电动机驱动配气活塞往复直线运动，致使工作介质在膨胀腔和压缩腔之间往复流动，所产生的交替压力变化激励动力活塞、直线发电机动子、直线发电机定子、电磁限位弹簧和背腔所构成的动力学系统振动；同时，与动力活塞相连的直线发电机动子切割磁感线，直线发电机定子中产生感应电动势，将机械能转换为电能。

11、本发明的有益效果在于：

12、1、在外部脉冲宽度调制信号作用下，直线电动机驱动配气活塞往复直线运动，推动工作介质在膨胀腔和压缩腔之间往复流动并使膨胀腔和压缩腔中气体压力交替变化；在此过程中，膨胀腔与压缩腔是相连通的，膨胀腔和压缩腔的瞬时压力之差不大，故配气活塞运动规律仅由直线电机提供的电磁力所决定，配气活塞运动规律的主动电驱控制相较于动力活塞运动规律的主动电驱控制实现起来更加简单可行，且所产生的能耗更低。

13、2、膨胀腔和压缩腔中气体压力交替变化，激励动力活塞、直线发电机动子、直线发电机定子、电磁限位弹簧和背腔所构成的动力学系统振动；动力活塞的运动规律由交变气体压力的幅值、频率以及振动系统固有的动力学特性决定，外部并不加以干预；所构造的自由活塞式斯特林发电机结构简单、控制容易。

14、3、本发明通过在缸体压缩腔段壁面布置直线电机定子，在配气活塞侧面布置直线电机动子，从而实现配气活塞的主动电驱动；由于不使用配气活塞连杆，避免了配气活塞杆穿过动力活塞所产生的摩擦、气体窜漏以及高速运行条件下可能产生结构失稳。

15、4、本发明利用电磁限位弹簧为动力活塞在往复直线运动过程中提供额外的回复力，使动力活塞回复力的极值明显增加，且在一个较大的位移区间内，使回复力与动力活塞的位移近似呈线性关系；从而限制动力活塞往复运动的振幅，防止动力活塞与配气活塞、背腔隔板支架的碰撞；电磁限位弹簧为动力活塞提供的回复力也可用于实现停机复位功能。

16、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种配气活塞主动电驱式斯特林发电机，其特征在于，包括缸体(19)和沿缸体(19)轴向依次设置的膨胀腔(10)、压缩腔(14)和背腔(18)；膨胀腔(10)与压缩腔(14)之间设有配气活塞(2)，压缩腔(14)与背腔(18)之间设有动力活塞(7)；

2.根据权利要求1所述的配气活塞主动电驱式斯特林发电机，其特征在于，所述膨胀腔(10)与压缩腔(14)之间布置有工作介质的流动通道(1)；其中，与膨胀腔(10)顶部相连接有加热管(9)，加热管(9)另一侧连接回热器(11)，回热器(11)连接有冷却器(13)，冷却器(13)再连接到压缩腔(14)。

3.根据权利要求1所述的配气活塞主动电驱式斯特林发电机，其特征在于，配气活塞(2)的驱动频率不大于动力活塞(7)、直线发电机动子(17)、直线发电机定子(8)、电磁限位弹簧(16)和背腔(18)所构成动力学振动系统的固有频率的0.75倍。

4.根据权利要求1所述的配气活塞主动电驱式斯特林发电机，其特征在于，配气活塞(2)、动力活塞(7)均采用中空结构以减轻运动质量。

5.根据权利要求1所述的配气活塞主动电驱式斯特林发电机，其特征在于，所述配气活塞(2)和动力活塞(7)均设有密封环(12)。

6.根据权利要求2所述的配气活塞主动电驱式斯特林发电机，其特征在于，直线电动机定子(5)上布置有所述冷却器(13)的冷却介质的流经通道。

7.根据权利要求1所述的配气活塞主动电驱式斯特林发电机，其特征在于，所述电磁限位弹簧(16)为可充磁的永磁环，所述电磁限位弹簧(16)充磁后产生极性与直线发电机动子(17)的永磁体极性相斥。

8.根据权利要求7所述的配气活塞主动电驱式斯特林发电机，其特征在于，当直线发电机动子(17)做往复直线运动时，电磁限位弹簧(16)提供回复力；当发电机停机时，电磁限位弹簧(16)使直线发电机动子(17)复位。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的配气活塞主动电驱式斯特林发电机，其特征在于，直线电动机驱动配气活塞(2)往复直线运动，致使工作介质在膨胀腔和压缩腔之间往复流动，所产生的交替压力变化激励动力活塞(7)、直线发电机动子(17)、直线发电机定子(8)、电磁限位弹簧(16)和背腔(18)所构成的动力学系统振动；同时，与动力活塞(7)相连的直线发电机动子(17)切割磁感线，直线发电机定子(8)中产生感应电动势，将机械能转换为电能。

技术总结本发明涉及一种配气活塞主动电驱式斯特林发电机，属于斯特林发电机技术领域。包括缸体和沿缸体轴向依次设置的膨胀腔、压缩腔和背腔，膨胀腔与压缩腔之间设有配气活塞，压缩腔与背腔之间设有动力活塞；缸体压缩腔段壁面布置直线电机定子，配气活塞侧面配有直线电机动子，配气活塞在外部脉冲宽度调制信号控制下做往复直线运动；动力活塞靠近背腔的一端连接有直线发电机动子，在缸体壁面处设有直线发电机定子，动力活塞带动直线发动机动子往复直线运动切割磁力线输出电能；直线发电机定子两侧分别安装有电磁限位弹簧。配气活塞的主动电驱动可实现自由活塞式斯特林发电机中配气活塞与动力活塞运动规律的主动协调，使自由活塞式斯特林发电机的运行更加稳定可控。技术研发人员：张力,陈阳,蹇承志受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18