一种电磁弹簧斯特林发电机

1.本发明涉及斯特林发电机，具体是涉及一种电磁弹簧斯特林发电机。


背景技术：

2.斯特林发电机是一种依靠高压气体热胀冷缩推动活塞运动从而发电的闭循环外燃发电机。斯特林发电机的加热端吸收热量，将高压气体以压力波的形式推动活塞运动，多余热量通过冷端释放。斯特林发电机会经过等温压缩、等容加热、等温膨胀、等容冷却四个过程，完成一次斯特林循环。
3.目前常见的斯特林发电机主要有曲柄连杆式和自由活塞式两种。曲柄连杆式斯特林发电机由于存在活塞侧向受力和动密封问题，连续运行时长较短。自由活塞式斯特林发电机结构更紧凑、不存在动密封问题，因此其运行可靠性更高、寿命更长、噪音更小，在极端环境发电、深空探索、水下动力等领域具有巨大的应用潜力。自由活塞式斯特林发电机主要由加热器、回热器、冷却器、活塞、板弹簧等关键部件构成。活塞和板弹簧共同组成振动系统，与热交换系统产生的气体波共振从而对外输出功率。斯特林发电机的运行频率较高，并且随着发电机功率的增大，板弹簧承受的回弹力也不断增加，导致出现疲劳断裂问题，严重影响发电机寿命。
4.传统的自由活塞式斯特林发电机在动力活塞上会固定直线电机动子，动子随着活塞进行往复运动，从而将机械能转换为电能。与此同时，配气活塞依靠与板弹簧的连接构成振动系统，板弹簧为配气活塞提供回弹力，从而完成配气过程。因此，传统自由活塞式斯特林发电机是依靠板弹簧和活塞组成的振动系统而实现功率输出的，同时振动频率可以达到30hz以上。板弹簧材料一般为硅锰钢、碳钢等金属材料，具有较好的轴向刚度和径向支撑性。然而，随着斯特林发电机功率的增加，板弹簧的工作频率和运动行程也不断增加，出现板弹簧疲劳断裂的可能性增大。一旦板弹簧出现疲劳特征，则会导致斯特林发电机停机，同时寿命终止。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种电磁弹簧斯特林发电机，利用电磁弹簧替代传统斯特林发电机的板弹簧部件，解决传统斯特林发电机板弹簧疲劳断裂问题。
6.本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种电磁弹簧斯特林发电机，包括斯特林发电机本体，还包括电磁弹簧和控制系统，斯特林发电机本体与电磁弹簧连接，电磁弹簧与控制系统连接；所述斯特林发电机本体包括配气活塞和动力活塞，所述电磁弹簧包括第一直线电机、第二直线电机、储能装置、双向变流器和变频器，储能装置通过双向变流器连接到第一直线电机上，第一直线电机与变频器连接，变频器与第二直线电机连接；第一直线电机与动力活塞连接，第二直线电机与配气活塞连接。
7.进一步，所述斯特林发电机本体包括加热器、回热器、冷却器、配气活塞、动力活
塞、气缸和外壳，气缸设于外壳内，气缸与外壳之间从上至下依次为加热器、回热器和冷却器，配气活塞和动力活塞从上至下依次设于气缸内，配气活塞下端设有连接杆，动力活塞套在连接杆中部，配气活塞与外壳之间形成的空间为膨胀腔，配气活塞与动力活塞之间形成的空间为压缩腔，动力活塞与外壳之间形成的空间为背压腔。
8.进一步，所述第一直线电机包括第一直线电机定子和第一直线电机动子，第一直线电机定子通过固定架安装在外壳上，第一直线电机动子套在动力活塞外部；所述第二直线电机包括第二直线电机定子和第二直线电机动子，第二直线电机定子通过固定架安装在外壳上，第二直线电机动子套在在配气活塞的连接杆下部。
9.进一步，所述第二直线电机安装于背压腔中。
10.进一步，所述第一直线电机的类型是圆筒型永磁直线电机，动磁式结构；所述第二直线电机的类型是圆柱型永磁直线电机，动磁式结构。
11.进一步，所述电磁弹簧还包括电感和电容，所述变频器经电感和电容组成的lc滤波电路后与第二直线电机连接。
12.进一步，所述控制系统包括传感器和控制器，传感器与第一直线电机和第二直线电机连接，用于采集第一直线电机和第二直线电机的输出信号，并将采集的信号输入到控制器中，控制器包括dsp控制模块，dsp控制模块内设有移相算法控制程序，控制器将传感器采集的信号进行处理，比较第一直线电机和第二直线电机输出信号之间的相位差，dsp控制模块根据第一直线电机和第二直线电机输出信号之间的相位差，执行移相算法控制程序，生成pwm控制信号，然后将生成的pwm控制信号送回变频器的开关器件，进而控制变频器调整第一直线电机输出信号的相位，使第一直线电机和第二直线电机输出信号之间存在相位差，且相位差小于90
°
。
13.进一步，所述配气活塞与气缸内壁至多0.1mm间隙。
14.进一步，所述动力活塞与气缸内壁之间至多0.04mm间隙。
15.进一步，所述动力活塞与配气活塞的连接杆外壁至多0.04mm间隙。
16.与现有技术相比，本发明的优点如下：
17.(1)本发明利用电磁弹簧替代传统斯特林发电机的板弹簧部件，解决传统斯特林发电机板弹簧疲劳断裂问题。
18.(2)利用储能装置配合双向变流器实现电磁弹簧斯特林发电机的启动和多余电能充电，启动方式灵活可靠。
19.(3)通过变频器及控制系统实现配气活塞和动力活塞相位差的调控，进而实现斯特林发电机在运行时的功率调节。
附图说明
20.图1是本发明实施例的结构示意图。
21.图中，1—加热器，2—回热器，3—冷却器，4—配气活塞，5—动力活塞，6—气缸，7—第一直线电机定子，8—第一直线电机动子，9—第二直线电机定子，10—第二直线电机动子，11—膨胀腔，12—压缩腔，13—背压腔，14—控制器，15—变频器，16—电感，17—电容，18—线路，19—传感器，20—储能装置，21—双向变流器
具体实施方式
22.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
23.针对现有自由活塞式斯特林发电机可能会出现的板弹簧疲劳断裂问题，本发明提出了一种电磁弹簧斯特林发电机。本发明创新性地使用电磁弹簧作为自由活塞式斯特林发电机的配气活塞共振系统和动力活塞共振系统，不存在板弹簧部件，能够大幅提升斯特林发电机的寿命，具有极好的应用价值。
24.参照图1，本实施例包括斯特林发电机本体、电磁弹簧和控制系统，斯特林发电机本体与电磁弹簧连接，电磁弹簧与控制系统连接。
25.斯特林发电机本体包括加热器1、回热器2、冷却器3、配气活塞4、动力活塞5、气缸6和外壳，气缸6设于外壳内，气缸6与外壳之间从上至下依次为加热器1、回热器2和冷却器3，配气活塞4和动力活塞5从上至下依次设于气缸6内，配气活塞4下端设有连接杆，动力活塞5套在连接杆中部，配气活塞4与外壳之间形成的空间为膨胀腔11，配气活塞4与动力活塞5之间形成的空间为压缩腔12，动力活塞5与外壳之间形成的空间为背压腔13。
26.电磁弹簧包括第一直线电机、第二直线电机、储能装置20、双向变流器21、变频器15、电感16、电容17以及线路18。储能装置20可以使用铅酸蓄电池或锂离子电池，储能装置20通过双向变流器21连接到第一直线电机上，负责斯特林发电机的启动，同时可以储存发电机发出的电能。第一直线电机与变频器15连接，变频器15经电感16和电容17组成的lc滤波电路后与第二直线电机连接。各部件之间通过线路18连接。
27.变频器15采用全控型器件，可以对第一直线电机输出电能的相位进行调控，再接入第二直线电机上。lc滤波电路可对变频器15生成的交流电进行滤波处理，将波形中的高频杂波滤除，提高波形质量，避免第二直线电机过热或者产生不规则振动。
28.第一直线电机与动力活塞5连接，第一直线电机包括第一直线电机定子7、第一直线电机动子8，第一直线电机定子7通过固定架安装在外壳上，第一直线电机动子8套在动力活塞5外部，进而容易保证动力活塞5和第一直线电机动子8的同轴度，以及节省斯特林发电机的内部空间，减少斯特林发电机整体体积。第一直线电机的类型是圆筒型永磁直线电机，动磁式结构。第二直线电机与配气活塞4连接，第二直线电机包括第二直线电机定子9、第二直线电机动子10，第二直线电机定子9通过固定架安装在外壳上，第二直线电机动子10套在在配气活塞4的连接杆下部。第二直线电机的类型是圆柱型永磁直线电机，动磁式结构。第二直线电机安装于背压腔13中。
29.在固定直线电机时，需要保证电机磁路中心与活塞同轴，从而保证活塞气密性和无摩擦。直线电机动子由于定位力矩被吸附在电机中心平衡位置，抵抗动子运动。由于第二直线电机安装在背压腔13中，远离加热端，避免了电机由于温度过高而出现永磁体失磁现象。
30.配气活塞4负责推动工质气体在膨胀腔11和压缩腔12内不断循环交换，实现工质的加热或冷却，致使工质气体热胀冷缩从而产生压力波。动力活塞5受膨胀腔11和压缩腔12内压力波的影响产生往复运动，从而完成从热能到机械能的转换。配气活塞4在安装时，需要保证和气缸6内壁至多0.1mm间隙；同时，动力活塞5在安装时，要保证和气缸6内壁之间至多0.04mm间隙，保证和配气活塞4的连接杆外壁至多0.04mm间隙。
31.控制系统包括传感器19和控制器14，传感器19与第一直线电机和第二直线电机连
接，用于采集第一直线电机和第二直线电机的输出信号，并将采集的信号输入到控制器14中，控制器14包括dsp控制模块，dsp控制模块内设有移相算法控制程序，控制器14将传感器19采集的信号进行处理，比较第一直线电机和第二直线电机输出信号之间的相位差，dsp控制模块根据第一直线电机和第二直线电机输出信号之间的相位差，执行移相算法控制程序，生成pwm控制信号，然后将生成的pwm控制信号送回变频器15的开关器件，进而控制变频器15调整第二直线电机输出信号的相位，使第一直线电机和第二直线电机输出信号之间存在相位差，且相位差小于90
°
。本实施例中，移相算法控制程序是现有的程序。
32.电磁弹簧斯特林发电机依靠储能装置20接双向变流器21进行启动。初始状态时，双向变流器21将储能装置20中储存的电能逆变为单相交流电接入第一直线电机。经过第一直线电机周期振荡后，斯特林发电机启动。给第一直线电机提供与位移反方向的交流电，为动力活塞5提供回弹力，给第二直线电机提供与位移反方向的交流电，为配气活塞4提供回弹力。斯特林发电机启动后，动力活塞和配气活塞之间存在相位差，一般小于90
°
。在传统以板弹簧为弹性原件的斯特林发电机中，动力活塞和配气活塞之间的相位差与斯特林发电机的初始设计相关，如板弹簧刚度、工作腔体积等，同时与运行状态有关，如加热端温度、冷却端温度等。总之，相位差是难以调节的。而本发明所提的电磁弹簧斯特林发电机，当第一直线电机由于动力活塞5的近似正弦运动而输出单相交流电后，可以通过变频器15将单相交流电的相位进行调整，然后输送给配气活塞4的第二直线电机。第二直线电机受到与位移相反的交流电，为配气活塞4提供回弹力。同时配气活塞4的正弦运动会产生近似正弦的气体波，加上变频器15对第一直线电机的限位作用，使得第一直线电机的动子在运动到远端时受到回弹力，从而驱动动力活塞5运动。采取这种方式后，动力活塞5和配气活塞4之间的相位差就可进行控制，进而实现斯特林发电机在运行时的功率调节。
33.与此同时，在电磁弹簧斯特林发电机正常运行期间，只有活塞和动子受气体波作用力和电磁作用力运动，而没有发生形变的部件，因此斯特林发电机的运行寿命大幅加长。同时，第一直线电机安装在压缩腔下12方，第二直线电机安装在背压腔13内，两个直线电机都远离了高温区，因此不会出现高温失磁情况，提升了直线电机的可靠性。
34.电磁弹簧斯特林发电机依靠储能装置接双向变流器21进行启动。初始状态时，双向变流器21将储能装置20中储存的电能逆变为单相交流电，然后接入第一直线电机。第一直线电机推动动力活塞5先向上运动，压缩气缸6内的工质气体。工质气体被挤压后压强变大，从而推动配气活塞4向下运动。配气活塞4向下运动时，压缩腔12内的工质气体会被挤入冷却器3内部，然后流经回热器2和加热器1进行吸热，最终进入膨胀腔11内部。紧接着第一直线电机推动动力活塞5向下运动，气缸6内的工质气体体积变大，压强变小，从而背压腔13的压力会推动配气活塞4向上运动。配气活塞4向上运动时，会将膨胀腔11内的工质气体挤入加热器2内部，而后流经回热器2和冷却器3进行放热，最终进入压缩腔12。这样便完成了一次完整的工质气体循环过程。经过第一直线电机周期振荡后，配气活塞4行程达到额定范围，具备足够的配气能力，斯特林发电机便成功启动，启动后动力活塞直线电机由电动机模式切换为发电机模式。
35.电磁弹簧斯特林发电机启动后，第一直线电机切换为发电机模式。当配气活塞4向上运动时，会将膨胀腔11的工质气体挤压进入加热器1，然后流经回热器2和冷却器3，气体温度下降后流入压缩腔12内，此时气缸6内的气压变小，动力活塞5受背压腔13压力推动向
上运动。配气活塞4向下运动时，会将压缩腔12的工质气体挤压进入冷却器3，然后流经回热器2和加热器1，气体温度上升后流入膨胀腔11内，此时气缸内的气压变大，动力活塞5在气缸压力推动向下运动。这样便完成了一个完整的斯特林循环的工作过程。
36.本实施例中，工质气体采用氦气。
37.本发明提出了一种电磁弹簧斯特林发电机，利用电磁弹簧替代传统斯特林发电机的板弹簧部件；利用储能装置20配合双向变流器21实现电磁弹簧斯特林发电机的启动和多余电能充电；第一直线电机输出的电能通过变频器15调整相位，经过lc滤波之后输送给第二直线电机，从而实现配气活塞4和动力活塞5相位差的调控。
38.本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
39.说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

技术特征：
1.一种电磁弹簧斯特林发电机，包括斯特林发电机本体，其特征在于：还包括电磁弹簧和控制系统，斯特林发电机本体与电磁弹簧连接，电磁弹簧与控制系统连接；所述斯特林发电机本体包括配气活塞和动力活塞，所述电磁弹簧包括第一直线电机、第二直线电机、储能装置、双向变流器和变频器，储能装置通过双向变流器连接到第一直线电机上，第一直线电机与变频器连接，变频器与第二直线电机连接；第一直线电机与动力活塞连接，第二直线电机与配气活塞连接。2.如权利要求1所述的电磁弹簧斯特林发电机，其特征在于：所述斯特林发电机本体包括加热器、回热器、冷却器、配气活塞、动力活塞、气缸和外壳，气缸设于外壳内，气缸与外壳之间从上至下依次为加热器、回热器和冷却器，配气活塞和动力活塞从上至下依次设于气缸内，配气活塞下端设有连接杆，动力活塞套在连接杆中部，配气活塞与外壳之间形成的空间为膨胀腔，配气活塞与动力活塞之间形成的空间为压缩腔，动力活塞与外壳之间形成的空间为背压腔。3.如权利要求2所述的电磁弹簧斯特林发电机，其特征在于：所述第一直线电机包括第一直线电机定子和第一直线电机动子，第一直线电机定子通过固定架安装在外壳上，第一直线电机动子套在动力活塞外部；所述第二直线电机包括第二直线电机定子和第二直线电机动子，第二直线电机定子通过固定架安装在外壳上，第二直线电机动子套在在配气活塞的连接杆下部。4.如权利要求2所述的电磁弹簧斯特林发电机，其特征在于：所述第二直线电机安装于背压腔中。5.如权利要求1或2所述的电磁弹簧斯特林发电机，其特征在于：所述第一直线电机的类型是圆筒型永磁直线电机，动磁式结构；所述第二直线电机的类型是圆柱型永磁直线电机，动磁式结构。6.如权利要求1或2所述的电磁弹簧斯特林发电机，其特征在于：所述电磁弹簧还包括电感和电容，所述变频器经电感和电容组成的lc滤波电路后与第二直线电机连接。7.如权利要求1或2所述的电磁弹簧斯特林发电机，其特征在于：所述控制系统包括传感器和控制器，传感器与第一直线电机和第二直线电机连接，用于采集第一直线电机和第二直线电机的输出信号，并将采集的信号输入到控制器中，控制器包括dsp控制模块，dsp控制模块内设有移相算法控制程序，控制器将传感器采集的信号进行处理，比较第一直线电机和第二直线电机输出信号之间的相位差，dsp控制模块根据第一直线电机和第二直线电机输出信号之间的相位差，执行移相算法控制程序，生成pwm控制信号，然后将生成的pwm控制信号送回变频器的开关器件，进而控制变频器调整第一直线电机输出信号的相位，使第一直线电机和第二直线电机输出信号之间存在相位差，且相位差小于90
°
。8.如权利要求2所述的电磁弹簧斯特林发电机，其特征在于：所述配气活塞与气缸内壁至多0.1mm间隙。9.如权利要求2所述的电磁弹簧斯特林发电机，其特征在于：所述动力活塞与气缸内壁之间至多0.04mm间隙。10.如权利要求2所述的电磁弹簧斯特林发电机，其特征在于：所述动力活塞与配气活塞的连接杆外壁至多0.04mm间隙。

技术总结
一种电磁弹簧斯特林发电机，包括斯特林发电机本体，还包括电磁弹簧和控制系统，斯特林发电机本体与电磁弹簧连接，电磁弹簧与控制系统连接；斯特林发电机本体包括配气活塞和动力活塞，电磁弹簧包括第一直线电机、第二直线电机、储能装置、双向变流器和变频器，储能装置通过双向变流器连接到第一直线电机上，第一直线电机与变频器连接，变频器与第二直线电机连接；第一直线电机与动力活塞连接，第二直线电机与配气活塞连接。本发明利用电磁弹簧替代传统斯特林发电机的板弹簧部件，解决传统斯特林发电机板弹簧疲劳断裂问题。发电机板弹簧疲劳断裂问题。发电机板弹簧疲劳断裂问题。


技术研发人员：帅智康 冯宇 黄文 靳张涛 杨炬辉 邢凯
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/7/7