用于斯特林冷卻器的電磁線性驅(qū)動的制作方法
【專利說明】用于斯特林冷卻器的電磁線性驅(qū)動
[0001]本發(fā)明涉及一種機電換能器，特別是被配置為充當(dāng)線性電動機或線性發(fā)電機的那些機電換能器。
[0002]線性電動機/發(fā)電機被用于廣泛的應(yīng)用，并因此具有在現(xiàn)有技術(shù)中可用的大量可供選擇的不同的配置。這些選擇包括動圈、動磁和動鐵的設(shè)計，其中每一個都具有一定的優(yōu)點和一定的缺點。
[0003]動圈式線性電動機/發(fā)電機往往是需要靈活的電流引線和相對大量的磁鐵材料，其會導(dǎo)致高制造成本。
[0004]動磁式和動鐵式線性電動機/發(fā)電機往往在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)復(fù)雜，并且會遭受缺乏穩(wěn)健性的困擾。此外，很難將這樣的系統(tǒng)與其他裝置集成。在一般情況下，這些電動機/發(fā)電機包括由具有空氣間隙的環(huán)形磁芯形成的多個磁路?？諝忾g隙沿被接收在空氣間隙的電樞的線性運動的方向排列。纏繞在磁芯上的線圈產(chǎn)生用于驅(qū)動電樞的運動的磁通量或連結(jié)由電樞運動產(chǎn)生的磁通量。
[0005]當(dāng)電樞需要在保持在不同于周圍環(huán)境壓力的壓力下的一定體積內(nèi)運動時，就產(chǎn)生了整合現(xiàn)有技術(shù)的線性電動機/發(fā)電機與其他裝置的一個特別的難題。例如，當(dāng)線性電動機/發(fā)電機在與斯特林循環(huán)發(fā)動機一起結(jié)合使用時，這可能是需要的。
[0006]Bailey, P.B.，Dadd, M.W.和Stone, C.R.(2009)。無油線性壓縮機使用緊湊式換熱器。在機械工程師學(xué)會的關(guān)于壓縮機及其系統(tǒng)的國際會議(Internat1nal Conference onCompressors and their Systems)的259-267頁上公開了用于冷卻例如電腦里的CPU的電子部件的電動機結(jié)構(gòu)。所公開的結(jié)構(gòu)解決了與生產(chǎn)有效的線性電動機相關(guān)的難題，在其中電樞需要移動通過加壓的體積。該電動機的基本結(jié)構(gòu)示意性地顯示在圖1中。電樞10被提供，其被配置成沿縱軸穿過多個磁路2中的空氣間隙線性運動。磁路2被配置為相對于電樞10運動的縱向方向橫向地提供磁通。磁路2構(gòu)成電動機的靜態(tài)部分。每一個磁路2包括疊片磁芯4和卷繞在其周圍的線圈6。磁芯4被開槽并且槽的側(cè)面形成限定空氣間隙的磁極片?？諝忾g隙是矩形形式。磁芯4被定位成使得所有的空氣間隙沿著電動機軸排列。鄰近磁芯4的配置交替使得線圈6不會相互阻礙。電樞10構(gòu)成電動機的移動部分，并包括布置成一列且配置成移動通過線性排列的空氣間隙的多個矩形磁鐵8。磁鐵8的極性交替。
[0007]電樞10的軸向運動具有改變穿過磁芯4的磁通量的效果，其在線圈6里感應(yīng)電壓；極性與相鄰的磁芯4是相反的。如果將適當(dāng)?shù)亩鄠€的交流電流施加到線圈6，那么交變的軸向力根據(jù)所需產(chǎn)生。
[0008]所公開的電動機集成有線性懸掛系統(tǒng)。圖1示意性示出電樞10如何連接到線性懸掛系統(tǒng)的線性彈簧12。在所公開的布置中，電動機被配置成作為壓縮機的一部分運作。所公開的壓縮機具有本質(zhì)上單件式壓縮機主體，電動機的所有主要靜態(tài)部件與其附接。在所公開的結(jié)構(gòu)中，線圈6位于電樞10在其內(nèi)移動的壓力密閉容器14的外面。電樞10周圍的壓力密閉容器14的部分包括被定位在空氣間隙中并被密封在壓縮機主體的兩端的矩形管。
[0009]線性懸掛系統(tǒng)通過提供附接到壓縮機主體的端部的兩個彈簧組件而進行配置。兩個彈簧組件之間的內(nèi)部連接通過包含在矩形管內(nèi)的電樞10 (或剛性地連接到電樞的元件)實現(xiàn)。壓縮機的活塞被來自動磁組件的懸臂支撐并且汽缸被固定在壓縮機主體的端部。
[0010]為了長壽命，至關(guān)重要的是，壓縮機的活塞與汽缸之間的徑向間隙被保持，并且這要求電樞結(jié)構(gòu)是剛性的且懸掛系統(tǒng)的徑向剛度足夠高。
[0011]對于動磁設(shè)計，即使在相對小的應(yīng)用的情況中，(如用于電子部件的冷卻系統(tǒng))，這也是具有挑戰(zhàn)性的。動磁8引起在電樞10上的顯著的離軸阻力(reluctant force)。增加電樞10的厚度是有問題的，因為它增加磁芯4中的空氣間隙的尺寸。需要相對大量的磁能以保持穿過間隙的通量，所以存在與較大空氣間隙相關(guān)聯(lián)的顯著成本。再一個問題是，顯著的渦流往往在位于空氣間隙中的形成壓力密閉容器14的任何部分的壁的材料中產(chǎn)生。如果將圖1的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于按比例放大的較大的機器中(具有在空氣間隙中的更大的壓力密閉容器壁材料，例如由于更厚的容器壁或更寬的空氣間隙)，則這個問題預(yù)計導(dǎo)致顯著的損失。
[0012]在較大規(guī)模的應(yīng)用(例如，在1kW范圍中操作的斯特林發(fā)動機應(yīng)用中(這將需要在壓力密閉容器里有大約100巴的填充壓力))中用于實現(xiàn)線性電動機/發(fā)電機的現(xiàn)有技術(shù)中采取的替代方法是將整個電動機/發(fā)電機組件包括在壓力密閉容器內(nèi)。然而，這種方法有幾個缺點。首先，壓力密閉容器的體積將需要變得非常大，顯著的增加材料的要求、重量和成本。其次，對于通過其引到電動機/發(fā)電機線圈的電引線的需求進一步增加了成本和/或增加了由于泄漏導(dǎo)致的故障的可能性。第三，從線圈排出的熱量可能更難以除去，尤其是在較大尺寸處。單獨靠傳導(dǎo)可能不足以除去熱量，例如，強制使用更復(fù)雜且昂貴的措施，例如液體冷卻。
[0013]本發(fā)明的一個目的是解決有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的上述討論中的至少一個問題。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的目的，提供了一種機電換能器，其包括:至少兩個磁通模塊，每個限定具有間隙的磁路；配置成沿縱軸穿過間隙移動的電樞；以及橫向地包圍電樞的氣體密閉結(jié)構(gòu)，其中:該至少兩個磁通模塊被提供在氣體密閉結(jié)構(gòu)的外側(cè)；并且該電樞包括橫向地在間隙外部的加強部分，該加強部分在平行于間隙里的磁通的方向上比間隙中的至少一個更寬。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的目的，提供了一種機電換能器，其包括:至少兩個磁通模塊，每個限定具有間隙的磁路；配置成沿縱軸穿過間隙移動的電樞；以及橫向地包圍電樞的氣體密閉結(jié)構(gòu)，其中:該至少兩個磁通模塊被提供在氣體密閉結(jié)構(gòu)的外側(cè)；每個磁通模塊包括用于限定間隙的第一磁芯和用于支撐線圈的第二磁芯，該線圈用于鏈接磁通模塊或在磁通模塊的磁路內(nèi)產(chǎn)生磁通；并且該第二磁芯可拆卸地連接到第一磁芯。
[0016]因此，機電換能器被提供，其中氣體密閉結(jié)構(gòu)被提供在電樞周圍，但不在提供橫穿電樞的磁通量的磁通模塊周圍，并且其中電樞的剛度可以保持在足夠高的水平，而不需要磁路里的間隙過大。這是通過提供自然在間隙外面的加強部分所實現(xiàn)的，且因此不會被間隙的厚度來約束尺寸。結(jié)構(gòu)是這樣的，例如電樞可以有效地被加強來對抗離軸阻力，其中，在電樞里提供磁體，而不減小換能器的電效率。
[0017]在實施方案中，磁通模塊中的每一個包括限定間隙的第一磁芯和用于支撐線圈的第二磁芯，該線圈鏈接磁通模塊或在磁通模塊的磁路內(nèi)產(chǎn)生磁通。支撐線圈的第二磁芯選擇性地可拆卸地連接到第一磁芯。用于第二磁芯和待可拆卸地連接的與其相關(guān)聯(lián)的線圈的布置允許單個電動機組件成為在不同的電壓下工作的眾多機器的基礎(chǔ)。其也有利于更換故障線圈。
[0018]在實施方案中，氣體密閉結(jié)構(gòu)通過磁通模塊的第一磁芯和/或通過用于支撐磁通模塊的框架而被橫向地支撐在預(yù)定的縱向長度上。例如，這些元件中的任一或兩個都可以被提供以便在全部橫向方向上與壓力容器體積外表面在預(yù)定的縱向長度上齊平。因此，與在圖1中所示類型的在現(xiàn)有技術(shù)中使用的壓力密閉容器結(jié)構(gòu)形成對照，該氣體密閉結(jié)構(gòu)所需的強度是最小的，例如，在其中，如果可能，在所有方向上都沒有提供足夠的橫向支撐。該氣體密閉結(jié)構(gòu)從而僅僅需要抵抗氣體穿透。因此，不論設(shè)備大小或輸出功率，氣體密閉結(jié)構(gòu)的厚度可以制成為非常小。減少氣體密閉結(jié)構(gòu)的厚度降低了與在氣體密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)的渦流相關(guān)的損失。在許多應(yīng)用中，將有可能的是使用的氣體密閉結(jié)構(gòu)的壁厚度小于0.5_，或甚至小于0.2mm。
[0019]氣體密閉結(jié)構(gòu)的薄的壁厚度意味著薄片材料都可以被使用，其相對于具有需要更復(fù)雜的機械加工的較厚的壁的結(jié)構(gòu)降低了制造成本。
[0020]在實施方案中，換能器被配置成作為線性電動機來運行。在另一個實施方案中，換能器被配置成作為線性發(fā)電機來運行。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一個可選方面，斯特靈循環(huán)發(fā)動機被提供，其使用根據(jù)本發(fā)明的實施方案