电反馈对置式自由活塞斯特林发电机论文和设计-牟健

全文摘要

本实用新型实施例提供一种电反馈对置式自由活塞斯特林发电机，该发电机包括：对置式自由活塞斯特林发电机、电容和负载，所述电容的两端分别与所述对置式自由活塞斯特林发电机中的两个直线电机相连，所述负载的两端分别与所述对置式自由活塞斯特林发电机中的两个直线电机相连。本实用新型实施利用直线电机之间的相互电反馈是的两个直线电机中的活塞都满足往复振动的能量条件，从而使得活塞对置式自由活塞斯特林发电机能够启动并稳定运行。

主设计要求

1.一种电反馈对置式自由活塞斯特林发电机，其特征在于，包括：对置式自由活塞斯特林发电机、电容和负载，所述电容的两端分别与所述对置式自由活塞斯特林发电机中的两个直线电机相连，所述负载的两端分别与所述对置式自由活塞斯特林发电机中的两个直线电机相连。

设计方案

2.根据权利要求1所述发电机，其特征在于，所述对置式自由活塞斯特林发电机包括第一直线电机、第二直线电机、压缩腔、冷却器、回热器、加热器和膨胀腔，所述第一直线电机依次通过所述膨胀腔、所述加热器、所述回热器、所述冷却器和所述压缩腔与所述第二直线电机相连。

3.根据权利要求2所述发电机，其特征在于，所述第一直线电机包括外回铁、线圈、内回铁、活塞、板弹簧和被压腔。

4.根据权利要求3所述发电机，其特征在于，所述第一直线电机与所述第二直线电机的结构相同。

设计说明书

技术领域

本实用新型实施例涉及发电机技术领域，尤其涉及一种电反馈对置式自由活塞斯特林发电机。

背景技术

自由活塞斯特林发电机是一种高效的外燃式热电转换机械，几乎可以利用现有的所有热源种类。其取消了传统斯特林发电机复杂的曲轴连杆机构，动力活塞和配气活塞相互之间没有机械结构的限制，运动相互独立并且采用动密封技术。因此具有结构简单，热电效率高，噪声和振动小、自起动、可靠性高、寿命长等优点。

自由活塞斯特林发动机有着十分广泛应用前景，主要包括空间深空探测器同位素电源、空间大型核电站、地面太阳能发电站、家用热电联产和国防应用等。

按照传统曲柄连杆斯特林发电机的分类，国际上根据两个活塞运动的形式把自由活塞斯特林发电机也分成了对置式、同轴式和平行式三种类型，对置式是指发电机两个活塞对置。

然而其中的对置式自由活塞斯特林发电机已经被证明不能启动。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种电反馈对置式自由活塞斯特林发电机，用以解决现有技术中对置式自由活塞斯特林发电机无法正常启动的问题。

本实用新型实施例提供一种电反馈对置式自由活塞斯特林发电机，包括：对置式自由活塞斯特林发电机、电容和负载，所述电容的两端分别与所述对置式自由活塞斯特林发电机中的两个直线电机相连，所述负载的两端分别与所述对置式自由活塞斯特林发电机中的两个直线电机相连。

本实用新型实施例提供的一种电反馈对置式自由活塞斯特林发电机，该发电机拥有两个直线电机，利用直线电机之间的相互电反馈是的两个直线电机中的活塞都满足往复振动的能量条件，从而使得活塞对置式自由活塞斯特林发电机能够启动并稳定运行。

附图说明

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1为本实用新型实施例提供的一种电反馈对置式自由活塞斯特林发电机的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

现有的对置式自由活塞斯特林发电机不能够启动，不能把热能转换成电能，并且通常只包含一个直线电机。

为了解决传统对置式发电机的启动问题，本实用新型提出了一种双电机电反馈对置式自由活塞斯特林发电机。

本实用新型提供的发电机拥有两个直线电机，利用直线电机之间的相互电反馈使得两个活塞都满足往复振动的能量条件，从而使活塞对置式自由活塞斯特林发电机能够启动并稳定运行。

图1为本实用新型实施例提供的一种电反馈对置式自由活塞斯特林发电机的结构示意图，如图1所示，该发电机包括：对置式自由活塞斯特林发电机、电容和负载，所述电容的两端分别与所述对置式自由活塞斯特林发电机中的两个直线电机相连，所述负载的两端分别与所述对置式自由活塞斯特林发电机中的两个直线电机相连。

具体地，本实施例中通过导线把对置式自由活塞斯特林发电机的两个线圈连接，并在两条线路中增加电容和负载，其中，电容用于调节对置式自由活塞斯特林发电机中两个活塞的相位，负载用来消耗发电机的大部分电能，此处两个活塞是指第一直线电机和第二直线电机中的活塞。

本实用新型实施例中通过电容调节两个活塞的原理如下：

假设第一电机往复运动的方程为：

x_{1<\/sub>＝X_{1<\/sub>sinwt，}}

根据电学和动力学平衡方程可以计算出在第一电机的驱动条件下第二电机往复运动的方程为：

其中，δ是由于电路中连接电容造成的相位，β是由于动力学造成的相位，该相位一般很难改变。因此两个活塞往复运动的相位只能通过改变电路中的电容来改变。通过电平衡方程可得到：

其中，电感X_{L<\/sub>和电阻R一般不变，因此改变电容X_{C<\/sub>的大小就可以改变两个电机运动的相位。}}

当发电机稳定工作的时候，电能主要通过负载消耗，并且负载消耗电能的多少正比于负载的大小。电路中消耗电能的主要是外接负载R和第二直线电机的内阻r，由于R远大于r，因此电能主要还是被负载消耗，第二直线电机只是消耗了一小部分。

传统的对置式自由活塞斯特林发电机的能量分配不均，一个循环中对一个活塞做正功对另外一个活塞做负功，不满足活塞振动的能量平衡条件。

因此本实用新型通过电反馈技术把两个直线电机相连接，使得一个直线电机发的电一部分输出给负载使用，另外一部分驱动另外一个直线电机振动，并通过电容改变两个活塞振动的相位，使得两个活塞的振动满足斯特林循环的要求。

具体地，所述对置式自由活塞斯特林发电机包括第一直线电机、第二直线电机、压缩腔、冷却器、回热器、加热器和膨胀腔，所述第一直线电机依次通过所述膨胀腔、所述加热器、所述回热器、所述冷却器和所述压缩腔与所述第二直线电机相连。

所述第一直线电机包括外回铁、线圈、内回铁、活塞、板弹簧和被压腔。

电反馈对置式自由活塞斯特林发电机包含两个对置的第一直线电机和第二直线电机，分别和两个活塞相连接，具体包括一个压缩腔1、冷却器2、回热器3、加热器4、膨胀腔5、外回铁6、线圈7、内回铁8、活塞9、板弹簧10、被压腔11，还包括本实用新型的关键之处与两个直线电机相连的电容12、负载13和导线14。

通过导线把发对置式自由活塞斯特林发电机的两个线圈相连，并在线路中增加电容和负载，其中电容用于调节两个活塞的相位，负载消耗发电机的大部分电能。

斯特林发电机要能够成功启动必须满足两个活塞同时做往复振动，并且两个活塞的振动必须满足一定的相位关系。

其中活塞9和线圈7相连，一起做往复正弦振动，第一直线电机和第二直线电机基本结构完全相同。

在膨胀腔的活塞叫膨胀活塞，在压缩腔的活塞叫压缩活塞。

对于传统的活塞对置式自由活塞斯特林发电机只有一个直线电机。

在对该对置式自由活塞斯特林发电机进行启动时，可以先对冷却器2进行冷却或对加热器4进行加热，以冷却器2进行冷却为例进行说明，冷却器2中的气体遇冷体积变小，推动压缩腔1进行压缩，从而带动第二直线电机进行发电，以此可以将气体的热能转化为发电机的电能，第二直线电机发出的电能一部分经过电容传递到第一直线电机中，带动第一直线电机运动，第二直线电机发出的另一部分电能被负载消耗掉。

一个循环气体对膨胀活塞做功为W_{e<\/sub>＞0，气体对压缩活塞做功W_{c<\/sub>＜0。}}

为了使对置式自由活塞斯特林发电机能够启动，本实用新型提出了双电机电反馈对置式自由活塞斯特林发电机。

其原理就是气体对膨胀活塞所做的正功W_{e<\/sub>通过与活塞相连接的第一直线电机转化成电功，其中一部分电功通过负载消耗，另外一部分反馈给与压缩活塞相连接的第二直线电机驱动活塞往复振动以克服气体对压缩活塞所做的负功，因此发电机对外输出的电功W＝W_{e<\/sub>-W_{c<\/sub>。同时通过反馈电路中的调相电容调节两个活塞往复振动的相位关系，使其满足斯特林循环的要求。}}}

本实用新型的最大优点就是通过双电机电反馈技术解决了对置式自由活塞斯特林发电机不能启动的问题。由于是双电机，因此第一直线电机所产生的电能一部分输送给负载消耗，一部分电能用于驱动第二直线电机往复振动。并且反馈电路中的电容还可以很好的调节发电机的性能。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

设计图

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