具有磁致动活塞的旋转机器
阅读：212发布：2023-01-16
专利汇可以提供具有磁致动活塞的旋转机器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种具有磁致动 活塞 的 旋转机 器。公开了一种旋转机器，其包括限定圆周的 定子 、多个第一磁体阵列、 转子 和第一活塞。第一磁体阵列由围绕定子的圆周以第一 磁性 模式布置的多个离散磁体组成。转子绕旋 转轴 线可旋转并限定主体。主体限定第一通道。第一活塞包括多个第一磁性元件并且在转子的第一通道内被致动。多个离散磁体以第一磁性模式布置，并且 定位 成当转子绕 旋转轴 线旋转时与第一活塞的磁性元件相互作用以产生第一磁 力 。第一磁力表示致动第一活塞所需的第一量的力。，下面是具有磁致动活塞的旋转机器专利的具体信息内容。
1.一种旋转机器(10)，其包含：
限定圆周(148)的定子(18)；
由围绕所述定子(18)的所述圆周(148)以第一磁性模式布置的多个第一离散磁体(160、162)组成的多个第一磁体阵列(67A、67B、68A、68B)；
绕旋转轴线可旋转并限定主体(36)的转子(20)，其中所述主体(36)限定第一通道(32)；和
包括多个第一磁性元件(150、152)的第一活塞(26)，所述第一活塞(26)在所述转子(20)的所述第一通道(32)内被致动，其中所述多个第一离散磁体(160、162)以所述第一磁性模式布置并且被定位成当所述转子(20)绕所述旋转轴线旋转时所述多个第一离散磁体(160、162)与所述第一活塞(26)的所述第一磁性元件(150、152)相互作用以产生第一磁力，所述第一磁力表示在所述转子(20)的所述第一通道(32)内致动所述第一活塞(26)所需的第一量的力。
2.根据权利要求1所述的旋转机器(10)，其包含第二活塞(30)，所述第二活塞(30)包括多个第二磁性元件(150、152)，所述第二活塞(26)在由所述转子(20)的所述主体(36)限定的第二通道(34)内被致动，其中所述定子(18)包括由多个第二离散磁体(164、166)组成的多个第二磁体阵列(65A、65B、66A、66B)。
3.根据权利要求2所述的旋转机器(10)，其中所述多个第二离散磁体(164、166)被定位成当所述转子绕所述旋转轴线旋转时所述多个第二离散磁体(164、166)与所述第二活塞(30)的所述第二磁性元件(150、152)相互作用以产生第二磁力，所述第二磁力表示在所述转子(20)的所述第二通道(34)内致动所述第二活塞(30)所需的第二量的力。
4.根据权利要求1或2所述的旋转机器(10)，其中所述多个第一离散磁体(160、162)限定第一磁化方向，所述第一磁化方向与由所述第一活塞(26)的所述第一磁性元件(150、
152)限定的第二磁化方向相反。
5.根据权利要求1或2所述的旋转机器(10)，其中所述多个第一离散磁体(160、162)包含铁磁性棒(167、168)，并且所述第一活塞(26)的所述第一磁性元件(150、152)是永磁体。
6.根据权利要求1或2所述的旋转机器(10)，其中所述多个第一离散磁体(160、162)是永磁体，并且所述第一活塞(26)的所述第一磁性元件(150、152)是铁磁性棒(250、252)。
7.根据权利要求1或2所述的旋转机器(10)，其中所述旋转机器(10)是包括四种运转阶段的斯特林发动机。
8.根据权利要求7所述的旋转机器(10)，其中所述第一磁力被配置为将所述第一活塞(26)致动成所述斯特林发动机的所述四种运转阶段之一。
9.根据权利要求1或2所述的旋转机器(10)，其中所述旋转机器是使用斯特林循环的低温冷却器，所述低温冷却器向负载(50)提供冷却。
10.根据权利要求1或2所述的旋转机器(10)，其中所述第一活塞(26)通过轴承(70)联接到所述转子(20)，其中所述轴承(70)选自由柔性轴承、气体轴承、滑动轴承和线性滚珠轴承组成的组。
11.根据权利要求1或2所述的旋转机器(10)，其中所述第一活塞(26)在所述第一通道(32)内被定向在基本垂直于所述转子(20)的所述旋转轴线的方向上。
12.根据权利要求1或2所述的旋转机器(10)，其包含第一再生器(24A)和第二再生器(24B)，其中所述第一再生器(24A)位于所述转子(20)的第一侧(302)处，并且所述第二再生器(24B)位于所述转子(20)的第二侧(302)处，所述第二侧(302)与所述第一侧(302)相反。
13.一种在转子(20)的第一通道(32)内致动第一活塞(26)的方法，其中所述转子(20)是旋转机器(10)的一部分，所述方法包含：
使所述转子(20)绕旋转轴线旋转，其中所述转子(20)被限定圆周(148)的定子(18)包围，并且其中多个第一磁体阵列(67A、67B、68A、68B)由围绕所述定子(18)的所述圆周(148)以第一磁性模式布置的多个第一离散磁体(160、162)组成；
当所述转子(20)绕所述旋转轴线旋转时产生第一磁力，其中所述第一磁力由围绕所述定子(18)的所述圆周(148)布置的所述多个第一离散磁体(160、162)与所述第一活塞(26)的多个第一磁性元件(150、152)之间的相互作用产生；并且
通过所述第一磁力在所述转子(20)的所述第一通道(32)内致动所述第一活塞(26)。
14.根据权利要求13所述的方法，其还包含当所述转子(20)绕所述旋转轴线旋转时产生第二磁力，其中所述第二磁力表示在所述转子(20)的第二通道(34)内致动第二活塞(30)所需的第二量的力。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其包含将所述第一活塞(26)致动成斯特林循环的四种阶段之一。
具有磁致动活塞的旋转机器
技术领域
背景技术
[0002] 热力发动机使用以热量形式提供的能量来做功。存在多种热力学循环可以被热力发动机使用，例如卡诺循环、斯特林循环以及各种内燃发动机循环，如奥托循环和柴油机循环。所有这些热力学热力发动机都使用气体作为工作流体。例如，斯特林循环经常用于相对较小及普通大小的低温冷却器，其中工作流体通常是氦气。
[0003] 斯特林发动机可以包括用于移动和压缩工作流体并产生输出动力的内部活塞。具体而言，活塞在其上行冲程或压缩期间接收功，并且在其下行冲程或膨胀期间产生功，随后通过工作流体将给定温度的热传递至周围的散热器。通过使用柔性轴承悬挂活塞且然后使用电磁铁产生驱动运动可以致动斯特林发动机的活塞。然而，电磁铁产生的驱动力在时间上主要是正弦曲线。正弦驱动力是由电磁铁线圈的电感以及由于驱动电压和开关速度都保持相对较低而引起的。
[0004] 旋转机器还包括定子和转子。至少在一些应用中，转子可能需要被冷却。为了冷却转子，来自储存器或制冷机的冷却气体可以被引入到转子和诸如定子的静止部件之间的空间中。然而，由于转子的最外表面经受大部分冷却气体，所以转子冷却不均匀。因此，为了冷却转子的内部，可能需要用于冷却气体通过的特殊旋转接头。此外，如果使用制冷机来储存冷却气体，则需要电力连接。
[0005] 通过使转子与携带电流的电刷接触而在转子上产生电力。在非转子的部件上产生的电流可以流过电刷并沿转子上的电导体流动，其中电流随后被利用。但是，电流通过电导体产生热量，这又造成焦耳加热损失。此外，电刷可能会接触发动机的轴，导致磨损和维护问题。由电刷造成的磨损随着转速而增加。在另一种为转子提供动力的方法中，可以使用电池来代替电刷。然而，电池仅储存有限量的能量，并且最终需要重新充电或更换。最后，在又一种方法中，通过从位于定子上的线圈到位于转子上的线圈的感应转移产生转子的电力。然而，转子和定子上的线圈中都发生焦耳加热损失。
发明内容
[0006] 一方面，公开了一种旋转机器，其包括限定圆周的定子、多个第一磁体阵列、转子和第一活塞。第一磁体阵列由围绕定子的圆周以第一磁性模式布置的多个第一离散磁体组成。转子绕旋转轴线可旋转并限定主体。主体限定第一通道。第一活塞包括多个第一磁性元件并且在转子的第一通道内被致动。多个第一离散磁体以第一磁性模式布置，并且定位成当转子绕旋转轴线旋转时与第一活塞的磁性元件相互作用以产生第一磁力。第一磁力表示在转子的第一通道内致动第一活塞所需的第一量的力。
[0007] 另一方面，公开了一种在转子的通道内致动活塞的方法，其中转子是旋转机器的一部分。该方法包括使转子绕旋转轴线旋转。转子被限定圆周的定子包围，并且多个磁体阵列由围绕定子的圆周以第一磁性模式布置的多个离散磁体组成。该方法还包括当转子绕旋转轴线旋转时产生第一磁力。通过定子的所述多个离散磁体与第一活塞的多个磁性元件之间的相互作用产生第一磁力。第一磁力表示在转子的第一通道内致动第一活塞所需的一定量的力。最后，该方法包括在转子的第一通道内致动第一活塞。
附图说明
[0009] 图1是被示为包括定子、绕旋转轴线旋转的转子、压缩活塞和膨胀活塞的低温冷却器的示例性旋转机器的示意性剖面图；
[0010] 图2是沿剖面线B-B观察的图1所示的热力发动机的剖面图；
[0011] 图3是图1所示的压缩活塞的透视图，其中压缩活塞包括限定在第一区段和第二区段之间的台肩；
[0012] 图4是图3所示的活塞的图示，其中活塞包括永磁体并被绘制为透明物体；
[0013] 图5A-图5D示出设置在由图1所示的转子限定的通道内的活塞，其中图5A-图5D中的每一个示出处于斯特林循环的四种不同状态之一的活塞；
[0014] 图6是图1所示的定子的示意图，其中定子包括用于将压缩活塞致动成如图5A-图5B所示的斯特林循环的四种不同状态的磁体阵列；
[0015] 图7是图1所示的定子的示意图，其中定子包括用于将图1所示的膨胀活塞致动成斯特林循环的四种不同状态的磁体阵列；
[0016] 图8是图4所示的活塞的一个替代示例，其中永磁体与图1所示的转子的旋转轴线对齐；
[0017] 图9是示出图8所示的活塞的永磁体及定子的磁体阵列的一个示例的示意图；
[0018] 图10是示出图9所示的活塞的永磁体和定子的磁体阵列的一个替代示例的示意图，其中永磁体和磁体阵列均与转子的旋转轴线基本平行；
[0019] 图11是示出图9所示的活塞的永磁体和定子的磁体阵列的另一示例的示意图，其中磁体阵列包括单个铁磁性棒；
[0020] 图12是示出图11所示的活塞的永磁体和定子的铁磁性棒的又一示例的示意图；
[0021] 图13是示出活塞的又一示例的示意图，其中活塞包括与定子的磁体阵列相互作用的铁磁元件；
[0022] 图14示出图3所示的活塞的一个替代示例，其中活塞在基本平行于图1所示的转子的旋转轴线的方向上致动；
[0023] 图15是沿图16的剖面线A-A截取的转子的一个替代示例的剖面示意图；
[0024] 图16是沿图15的剖面线B-B截取的转子的剖面示意图；以及
[0025] 图17是示出用于致动图1所示的压缩活塞的一个示例性方法的工艺流程图。
具体实施方式
[0026] 图1是热力发动机10形式的旋转机器的示意性横剖面图。热力发动机10包括定子18、连接到轴22的转子20、再生器24、第一活塞26和第二活塞30。第一活塞26是在第一压缩通道32内被致动的压缩活塞。第二活塞30是在第二膨胀通道34内被致动的膨胀活塞。转子
20绕旋转轴线A-A可旋转并限定主体36。转子20的主体36既限定压缩通道32又限定膨胀通道34。从图1中可以看到，温压缩空间38被限定在转子20的压缩通道32内，并位于压缩活塞
26和再生器24之间。同样地，膨胀空间39被限定在转子20的膨胀通道34内，并位于膨胀活塞
30和再生器24之间。
20绕旋转轴线A-A可旋转并限定主体36。转子20的主体36既限定压缩通道32又限定膨胀通道34。从图1中可以看到，温压缩空间38被限定在转子20的压缩通道32内，并位于压缩活塞
26和再生器24之间。同样地，膨胀空间39被限定在转子20的膨胀通道34内，并位于膨胀活塞
30和再生器24之间。
[0027] 压缩活塞26和压缩通道32限定一种活塞-汽缸组件，并且膨胀活塞30和膨胀通道34同样限定另一种活塞-汽缸组件。尽管使用了术语“活塞-汽缸组件”，但应理解，压缩通道
32和膨胀通道34不限于圆柱形构造。实际上，正如将会在下面更详细解释的那样，活塞26、
30可以包括任何形状。例如，从图3和图4中看到，压缩活塞26被示为具有阶梯式轮廓，该阶梯式轮廓带有平坦的侧表面以及平坦的上表面和下表面。
32和膨胀通道34不限于圆柱形构造。实际上，正如将会在下面更详细解释的那样，活塞26、
30可以包括任何形状。例如，从图3和图4中看到，压缩活塞26被示为具有阶梯式轮廓，该阶梯式轮廓带有平坦的侧表面以及平坦的上表面和下表面。
[0028] 再生器24位于转子20的主体36内、在压缩空间38和膨胀空间39之间。在所示的示例性例子中，再生器24与转子20的旋转轴线A-A对齐。再生器24由多孔固体基体40构成，工作流体可以循环地来回流过多孔固体基体40。具体而言，能量从工作流体传递到再生器24的基体40中并被工作流体从再生器24的基体40吸收。工作流体填充再生器24的基体40的孔隙、温压缩空间38及冷膨胀空间39。工作流体是用于致动压缩活塞26和膨胀活塞30的加压气体或液体。在所示的示例性例子中，热力发动机10是包括四个运转阶段的斯特林发动机，并且工作流体是氦气。尽管描述了斯特林发动机，但是热力发动机10也可以是任何其他类型的热力发动机，例如但不限于基于卡诺循环、奥托循环或柴油机循环运转的发动机。
[0029] 在所示的示例性例子中，压缩活塞26和膨胀活塞30在其相应的通道32、34内均定向在基本垂直于转子20的旋转轴线A-A的方向上。然而，在图14所示的示例中，活塞26、30基本上相对于转子20的旋转轴线A-A平行。
[0030] 一系列散热翼片42可以沿着由转子20限定的最外底表面46设置。转子20还包含高热导率的通路48。高热导率的通路48在温压缩空间38、轴22和翼片42之间产生热连接。在图1所示的示例性例子中，热力发动机10是采用斯特林循环的低温冷却器。低温冷却器向负载
50提供冷却。转子20包含通路52，该通路52将负载50热连接到冷膨胀空间39。
50提供冷却。转子20包含通路52，该通路52将负载50热连接到冷膨胀空间39。
[0031] 图2是沿剖面线B-B观察的图1所示的热力发动机10的转子20的剖面图。从图2中看到，转子20限定最外圆周表面56。参照图1和图2二者，转子20的表面56限定多个切口或空间58A、58B、58C。定子18包围转子20。更具体地说，定子18包围转子20的整个圆周表面56。空间
58A、58B、58C围绕转子20的整个圆周表面56延伸。从图1中看到，空间58A、58B、58C成形为容纳由定子18限定的对应突出部60A、60B、60C。具体地，空间58A成形为容纳突出部60A，空间
58B成形为容纳突出部60B，并且空间58C成形为容纳突出部60C。
58A、58B、58C围绕转子20的整个圆周表面56延伸。从图1中看到，空间58A、58B、58C成形为容纳由定子18限定的对应突出部60A、60B、60C。具体地，空间58A成形为容纳突出部60A，空间
58B成形为容纳突出部60B，并且空间58C成形为容纳突出部60C。
[0032] 从图1中看到，定子18的突出部60A、60B、60C均包括永磁体阵列(“磁体阵列”)65A、65B、66A、66B、67A、67B、68A、68B。具体而言，如图1所示的示例性例子所示，磁体阵列66A、
66B、68A和68B沿着定子18的相应突出部60A、60B、60C的上表面44设置，并且磁体阵列65A、
65B、67A和67B沿着每个突出部60A、60B、60C的下表面45设置。然而，如下所述，磁体阵列
65A、65B、66A、66B、67A、67B、68A、68B不限于沿突出部60的上表面44或下表面45设置，并且这些磁体阵列也可以接近于上表面44和下表面45放置。
66B、68A和68B沿着定子18的相应突出部60A、60B、60C的上表面44设置，并且磁体阵列65A、
65B、67A和67B沿着每个突出部60A、60B、60C的下表面45设置。然而，如下所述，磁体阵列
65A、65B、66A、66B、67A、67B、68A、68B不限于沿突出部60的上表面44或下表面45设置，并且这些磁体阵列也可以接近于上表面44和下表面45放置。
[0033] 参照图2，压缩活塞26通过第一轴承70联接到转子20。具体地，第一轴承70连接到压缩活塞26的端部72，其中端部72是压缩活塞26相对于转子20的旋转轴线A-A的最外部分。同样地，膨胀活塞30通过第二轴承84联接到转子20。具体地，第二轴承84连接到膨胀活塞30的端部86，其中端部86是膨胀活塞30相对于转子20的旋转轴线A-A的最外部分。
[0034] 在一个示例性例子中，第一轴承70和第二轴承84都是柔性轴承。第一轴承70和第二轴承84都是转子20的一部分，并且在活塞行进方向上包括相对低的刚度。然而，第一轴承70和第二轴承84在基本垂直于活塞行进的方向上还包括相对高的刚度。尽管描述了柔性轴承，但也可以使用其他类型的轴承，例如气体轴承、滑动轴承或线性滚珠轴承。
[0035] 空间90由压缩通道32的开口94周围的表面92和由转子20限定的一对侧表面96来限定。同样地，空间98由膨胀通道34的开口102周围的表面100和转子20的一对侧表面104来限定。两个空间90、98都被环境温度下的工作流体填充。在所描述的示例性例子中，转子20是斯特林发动机的一部分并且工作流体是氦气。
[0036] 图3是压缩活塞26的示例性图示。尽管在图3中描述了压缩活塞26，但是膨胀活塞30也包括相同的部件和结构。图3所示的压缩活塞26包括第一区段110和第二区段112。第一区段110限定第一宽度W1，第一宽度W1小于由压缩活塞26的第二区段112限定的第二宽度W2，并由此限定台肩114。然而，在另一个示例中，压缩活塞26的第一区段110的第一宽度W1大于第二区段112的第二宽度W2。在又一示例中，压缩活塞26可以不包括如图3所示的阶梯式构造，而是包括等截面。而且，压缩活塞26不限于图3所示的构造，并且可以包括任何形状，例如圆柱体。压缩活塞26还包括沿着压缩活塞26的第二区段112的两个相反侧面定位的一对附接点120(在图3中仅可见一对附接点)。参照图2和图3，压缩活塞26的附接点120用于利用轴承70、84中的相应一个固定压缩活塞26。
[0037] 继续参照图2和图3二者，温压缩空间38容纳压缩活塞26的第一区段110，并且在环境温度下的空间90容纳压缩活塞26的第二区段112。当压缩活塞26处于完全压缩或最大压缩位置时，压缩活塞26的台肩114可紧靠温压缩空间38的开口94周围的表面92。
[0038] 现在参照图3，压缩活塞26限定第一平坦表面130和基本平行于第一平坦表面130的第二平坦表面132。第一平坦表面130沿着压缩活塞26的最上部分134设置，并且第二平坦表面132沿着压缩活塞26的最下部分136设置。第一平坦表面130限定沿着压缩活塞26的第二宽度W2的多个腔140。每个腔140在基本上相对于活塞行进的方向D1和D2(图2)平行的方向上延伸。现在转向图2，压缩活塞26在朝向旋转轴线A-A的第一方向D1和远离旋转轴线A-A的第二方向D2上平移。
[0039] 图4是压缩活塞26的图示，压缩活塞26被绘制为透明物体以便观察第二平坦表面132。从图4中看到，一系列磁性元件150分别容纳在由压缩活塞26限定的腔140(图3)中的一个中。在所示的示例中，磁性元件150是永磁体。然而，在下面详细解释的图13中所示的另一个例子中，磁性元件150可以是铁磁性棒。在一个可选示例中，压缩活塞26的第二平坦表面
132还限定多个腔，每个腔成形为容纳对应的磁性元件152。参照图2和图4二者，磁性元件
150、152中的每一个包括相对于转子20内的活塞行进的第一方向D1和第二方向D2基本平行的磁化方向。
132还限定多个腔，每个腔成形为容纳对应的磁性元件152。参照图2和图4二者，磁性元件
150、152中的每一个包括相对于转子20内的活塞行进的第一方向D1和第二方向D2基本平行的磁化方向。
[0040] 图5A-图5D示出了在转子20的压缩通道32内被致动成斯特林循环的四种不同状态之一的压缩活塞26的示例性示意图。转子20的通道32被定子18的突出部60A、60B、60C包围。如下所述，通过在定子18的磁体阵列67A、67B、68A、68B和压缩活塞26的磁性元件150、152之间产生的第一磁力将压缩活塞26致动成斯特林循环的四种不同状态之一。斯特林循环的四种不同状态是等温膨胀、恒容排热、等温压缩和恒容供热，并且图5A-图5D中的每一个示出了处于斯特林循环的四种不同状态之一的压缩活塞26。
[0041] 图6是代表定子18的顶视图的示意图。图6还示出了图5A-图5D所示的磁体阵列67A、67B。从图6中看到，每个磁体阵列67A、67B包括一系列离散磁体160、162。定子18限定圆周148，并且离散磁体160、162围绕定子18的圆周148以第一磁性模式布置。离散磁体160、
162以第一磁性模式布置，以便与压缩活塞26(图3和图4)的磁性元件150、152相互作用以产生在通道32内致动压缩活塞26所需的第一磁力。更具体地说，离散磁体160、162被配置为与压缩活塞26的磁性元件150、152相互作用以将压缩活塞26定位成斯特林循环的四种状态之一。
162以第一磁性模式布置，以便与压缩活塞26(图3和图4)的磁性元件150、152相互作用以产生在通道32内致动压缩活塞26所需的第一磁力。更具体地说，离散磁体160、162被配置为与压缩活塞26的磁性元件150、152相互作用以将压缩活塞26定位成斯特林循环的四种状态之一。
[0042] 尽管在图6中示出了磁体阵列67A、67B，但是应认识到，沿突出部60C(图1)的上表面44设置的磁体阵列68A、68B同样也以相同的磁性模式布置，并且同样也包括离散磁体160、162。压缩活塞26也被示于阶段/状态c。阶段c代表斯特林循环的四种状态中与压缩侧活塞对应的一种状态。斯特林循环的其余三种状态也被示为阶段a、阶段b和阶段d，在本文中也分别被称为状态a、状态b和状态d。状态a对应于图5A，状态b对应于图5B，状态c对应于图5C，并且状态d对应于图5D。
[0043] 继续参照图6，离散磁体160、162围绕定子18的圆周148以第一磁性模式布置，并且当转子20(图1)沿逆时针方向CC绕旋转轴线A-A旋转时，离散磁体160、162与压缩活塞26(图4)的磁性元件150、152相互作用以产生第一磁力。第一磁力表示在转子20的通道32内致动压缩活塞26所需的一定量的力。例如，在图5A-图5D所示的示例性例子中，第一磁力被配置为将活塞26致动成斯特林循环的四种阶段之一。
[0044] 现在参照图5A，由定子18的磁体阵列67A、67B、68A、68B限定的磁化方向由箭头M1表示，并且由转子20的磁性元件150、152限定的磁化方向由箭头M2表示。转子20的两个磁性元件150、152的磁化方向M2定向为相同的方向。磁化方向M2基本垂直于转子20的旋转轴线A-A。定子18的磁体阵列67A、67B、68A、68B的磁化方向M1也定向为彼此相同的方向，其中压缩活塞26的磁性元件150、152的磁化方向M2与定子18的磁体阵列67A、67B、68A、68B的磁化方向M1相反。相反的磁化方向M1、M2之间的相互作用产生第一磁力。
[0045] 磁体阵列67A、67B均沿突出部60B的下表面45设置或紧邻突出部60B的下表面45，并且磁体阵列68A、68B沿突出部60C的上表面44设置或紧邻突出部60C的上表面44。具体地，磁体阵列67A、67B定位在定子18内以便与压缩活塞26的磁性元件150产生作用，从而产生第一磁力的一部分。同样地，磁体阵列68A、68B定位在定子18内以便与压缩活塞26的磁性元件152产生作用，从而产生在通道32内致动压缩活塞26所需的第一磁力的剩余部分。从图5A中看到，磁体阵列67A和68A均位于距压缩活塞26的中心线C相等距离处。同样地，磁体阵列68A和68B也位于距压缩活塞26的中心线相等距离处。因此，由相反的磁化方向M1、M2产生在压缩活塞26上的、沿转子20(从图1中看到)的旋转轴线A-A的第一磁力基本为零。
[0046] 参照图5A和图6，磁体阵列67A、67B、68A、68B相对于通道32的长度L布置，这样磁体阵列65A、65B及磁性元件150、152的相反的磁化方向M1、M2将压缩活塞26定位成斯特林循环的第一状态。从图6中看到，磁体阵列65A、65B的第一磁性基于压缩活塞26相对于转子20的旋转轴线A-A的圆周位置而变化。更具体地，离散磁体160、162围绕定子18的圆周148以第一磁性模式布置，以便产生或引起第一磁力以将压缩活塞26致动成斯特林循环的四种阶段之一。
[0047] 图5A是压缩活塞26在通道32内完全膨胀时的图示。当压缩活塞26处于完全膨胀位置时，需要最小量的致动力以使压缩活塞26保持在通道32内的适当位置。现在转向图5B和图6，当转子20(图1)沿逆时针方向CC绕旋转轴线A-A从状态a旋转到状态b时，磁体阵列67A、67B的离散磁体160、162布置成缩小彼此之间的距离，从而加大了产生并施加在压缩活塞26上的第一磁力。从图5B中看到，压缩活塞26在通道32中在第一方向D1上且朝向旋转轴线A-A被推进到斯特林循环的阶段b。由于通道32内的压缩空间38已减小，所以阶段b比阶段a需要更大程度的压缩。
[0048] 现在参照图5C和图6，当转子20(图1)沿逆时针方向CC绕旋转轴线A-A从状态b旋转到状态c时，磁体阵列65A、65B的离散磁体160、162继续增大彼此之间的距离，从而加大了施加在压缩活塞26上的第一磁力。从图5C中看到，压缩活塞26现在被定向在斯特林循环的阶段c中，阶段c表示最大压缩或完全压缩。因此，从图6中看到，离散磁体160、162被定位成使得每个离散磁体160、162之间的距离处于最小值。这是由于克服由压缩空间38内的工作流体施加的力所需的第一磁力处于最大值。
[0049] 现在参照图5D和图6，当转子20(图1)沿逆时针方向CC绕旋转轴线A-A从状态c旋转到状态d时，磁体阵列65A、65B的离散磁体160、162布置成基本上保持距彼此相同距离。从图5D中看到，压缩活塞26现在被定向在斯特林循环的阶段d中。最后，当转子20沿逆时针方向CC绕旋转轴线A-A从状态d旋转到状态a时，离散磁体160、162被布置为使得每个离散磁体
160、162之间的距离增大并且在点a处处于最大距离。因此，施加在压缩活塞26上的第一磁力随着转子20绕旋转轴线A-A(图1)旋转而变化。
160、162之间的距离增大并且在点a处处于最大距离。因此，施加在压缩活塞26上的第一磁力随着转子20绕旋转轴线A-A(图1)旋转而变化。
[0050] 图7是代表定子18的顶视图的示意图，其示出了沿突出部60A(图1)的下表面45设置的磁体阵列65A、65B。磁体阵列65A、65B和磁体阵列66A、66B与磁性元件150、152(图4)相互作用以在膨胀活塞30(从图1中看到)上施加第二磁力。类似于图6所示的示例，每个磁体阵列65A、65B由一系列离散磁体164、166组成，离散磁体164、166围绕定子18的圆周148以试图致动膨胀侧活塞30的第二磁体模式布置。具体地，离散磁体164、166布置成当转子20(图1)沿逆时针方向CC绕旋转轴线A-A旋转时与活塞(图4)的磁性元件150、152相互作用以产生第二磁力。第二磁力表示在转子20的通道34内致动膨胀活塞30并将其致动成斯特林循环的四种阶段之一所需的一定量的力。类似于图6所示的示例，斯特林循环的四种状态在图7中被示为阶段a、阶段b、阶段c和阶段d。阶段a对应于最大压缩状态，并且阶段d对应于活塞30的最大膨胀位置。
[0051] 图8是压缩活塞26的一个替代示例，其中压缩活塞26被图示为透明物体。从图8中看到，磁性元件150现在被定向为使得磁性元件150的磁化方向M1被定向在基本垂直于转子20(图2)内的活塞行进的第一方向D1和第二方向D2且基本平行于转子20的旋转轴线A-A(图
1)的方向上。每个磁性元件150在压缩活塞26的第一平坦表面130和第二平坦表面132之间在竖直方向上延伸。
1)的方向上。每个磁性元件150在压缩活塞26的第一平坦表面130和第二平坦表面132之间在竖直方向上延伸。
[0052] 图9是压缩活塞26的磁性元件150相对于定子18(定子18在图9中未示出)的磁体阵列67A、67B、68A、68B的示意图。磁体阵列67A、67B、68A、68B被定向在相对于转子20的旋转轴线A-A和磁性元件150的磁化方向M2基本垂直的方向上。具体地，磁体阵列68B和磁体阵列68A的磁化方向M1被定向在径向向内且朝向旋转轴线A-A的方向上，而磁体阵列67A、68B的磁化方向M3被定向在径向向外且背离旋转轴线A-A的方向上。磁体阵列67A、67B和磁体阵列
68A、68B位于距压缩活塞26的中心线C相等距离处。因此，施加在压缩活塞26上的磁力基本为零。
68A、68B位于距压缩活塞26的中心线C相等距离处。因此，施加在压缩活塞26上的磁力基本为零。
[0053] 图10是图9所示布置的又一种示例，其中磁体阵列67A、67B、68A、68B现在被定向为相对于压缩活塞26的磁性元件150以及转子20的旋转轴线A-A基本平行。具体地，磁性元件150的磁化方向M2被定向为向下且朝向压缩活塞26的第二平坦表面132。磁体阵列67A、67B、
68A、68B中的每一个的磁化方向M1在与磁性元件150的磁化方向M2基本上相反的方向上。
68A、68B中的每一个的磁化方向M1在与磁性元件150的磁化方向M2基本上相反的方向上。
[0054] 图11是图9所示布置的另一种示例，其中磁体阵列67A、67B已被单个铁磁性棒167代替，并且磁体阵列68A、68B已被单个铁磁性棒168代替。因此，参照图6和图11二者，离散磁体160、162已被铁磁性棒167、168代替。铁磁性棒167、168和压缩活塞26的磁性元件150、152均被定向在基本垂直于旋转轴线A-A的方向上。在如图11所示的示例性例子中，铁磁性棒167、168均限定长度170。铁磁性棒167、168的长度170与压缩活塞26的磁性元件150、152的长度172基本相同。活塞26的两个磁性元件150、152的磁化方向M2被定向在向外且背离转子
20的旋转轴线A-A的方向上。
20的旋转轴线A-A的方向上。
[0055] 图12是图11所示布置的另一种示例，其中磁性元件150现在被定向在第一磁化方向M1和第二磁化方向M2上，其中第一磁化方向M1和第二磁化方向M2均与旋转轴线A-A基本平行。此外，位于压缩活塞26的最靠近旋转轴线A-A的近端部180处的一个或更多个磁性元件150的磁化方向M1被定向在与位于压缩活塞26的最远离旋转轴线A-A的远端部182处的一个或更多个磁性元件150的第二磁化方向M2基本相反的方向上。
[0056] 图13是图11所示布置的又一种示例，其中压缩活塞26现在包括多个铁磁性棒250、252。具体地，一个或更多个铁磁性棒250被定位成紧邻压缩活塞26的第一平坦表面130，并且一个或更多个铁磁性棒252被定位成紧邻压缩活塞26的第二平坦表面132。磁体阵列67A、
67B、68A、68B均包括磁化方向M1，磁化方向M1相对于旋转轴线A-A基本垂直并且被定向在径向向内且朝向旋转轴线A-A的方向上。
67B、68A、68B均包括磁化方向M1，磁化方向M1相对于旋转轴线A-A基本垂直并且被定向在径向向内且朝向旋转轴线A-A的方向上。
[0057] 在如上所述的示例中，在基本垂直于转子20(图1)的旋转轴线A-A的方向D1和D2(图2)上致动活塞26、30。图14是热力发动机10的一个替代示例，其中可以在基本平行于旋转轴线A-A的方向上致动活塞226。图14示出了与转子20(图1)的旋转轴线A-A对齐的通道232。通道232被定向在基本平行于旋转轴线A-A的方向上。从图14中看到，活塞226与转子20的旋转轴线A-A对齐并沿其延伸。活塞226包括多个永磁体240、242、246，每个永磁体240、
242、246均与旋转轴线A-A对齐，并沿着活塞226的长度254设置。从图14中看到，活塞226被两个磁体阵列266、268包围。虽然图14示出了与转子20的旋转轴线A-A对齐的活塞226，但在另一种示例中，活塞226也可以偏离转子20的旋转轴线A-A一定距离。
242、246均与旋转轴线A-A对齐，并沿着活塞226的长度254设置。从图14中看到，活塞226被两个磁体阵列266、268包围。虽然图14示出了与转子20的旋转轴线A-A对齐的活塞226，但在另一种示例中，活塞226也可以偏离转子20的旋转轴线A-A一定距离。
[0058] 图15和图16是转子20的一个替代示例，其中在图1和图2中看到的活塞/气体设置被翻转。图15是沿图16的剖面线A-A截取的转子20的剖面示意图，而图16是沿图15的剖面线B-B截取的转子20的剖面示意图。从图15和图16二者中看到，转子20包括两个再生器24A、24B、两个压缩活塞26A、26B、两个膨胀活塞30A、30B。从图16中看到，所述两个再生器24A、
24B各自沿着转子20的相反侧302放置，其中第一再生器24A位于转子20的第一侧302上，并且第二再生器24B位于转子20的第二侧302处，第二侧302通常与第一侧302相反。再生器24A用于在压缩活塞26A与膨胀活塞30A之间传递热量，并且再生器24B在压缩活塞26B与膨胀活塞30B之间传递热量。
24B各自沿着转子20的相反侧302放置，其中第一再生器24A位于转子20的第一侧302上，并且第二再生器24B位于转子20的第二侧302处，第二侧302通常与第一侧302相反。再生器24A用于在压缩活塞26A与膨胀活塞30A之间传递热量，并且再生器24B在压缩活塞26B与膨胀活塞30B之间传递热量。
[0059] 在图16中看到，所述两个压缩活塞26A、26B都通过轴承70A、70B连接到转子20。具体地，轴承70A、70B分别连接到压缩活塞26A、26B的端部73a、73b，其中端部73A、73B表示相应压缩活塞26A、26B的最内部分。在图16中还看到，相应热交换器320A、320B与压缩空间32A、32B中的对应一个热连接。热交换器320A、320B均热连接到热传导通路322。热传导通路
322与传导总线324连通，传导总线324用于沿着转子20的竖直方向传导热量。可选的分离器
326可沿对称轴线S-S放置，并用于分离压缩空间32A、32B。
322与传导总线324连通，传导总线324用于沿着转子20的竖直方向传导热量。可选的分离器
326可沿对称轴线S-S放置，并用于分离压缩空间32A、32B。
[0060] 图17是示出用于致动图1所示的活塞26的示例性方法400的工艺流程图。虽然仅描述了压缩活塞26，但应认识到，也可以使用类似的方法来致动膨胀活塞30。
[0061] 现在参照图1-图2、图6和图17，方法400可以在方框402处开始。在方框402中，转子20绕旋转轴线A-A旋转。从图1中看到，转子20被定子18包围。从图6中看到，定子18限定磁体阵列67A、67B。磁体阵列67A、67B由围绕定子18的圆周148以第一磁性模式布置的离散磁体
160、162组成。然后，方法400可以前进至方框404。
160、162组成。然后，方法400可以前进至方框404。
[0062] 在方框404中，随着转子20绕旋转轴线A-A旋转，产生第一磁力。具体地，如上所述，第一磁力由定子18的多个离散磁体160、162与活塞26的磁性元件150、152之间的相互作用产生。应当理解，第一磁力表示在转子20的通道32内致动活塞26所需的一定量的力。然后，方法400前进至方框406。
[0063] 在方框406中，第一磁力在通道32内致动活塞26。从图5A-图5D和图6中看到，活塞26可以从状态a被致动到状态b、从状态b被致动到状态c、从状态c被致动到状态d或者从状态d被致动到状态a。然后，可以终止方法400。
[0064] 大体参照附图，许多技术效果和益处与所公开的系统有关，用于利用磁力来致动活塞。所公开的系统可以用于运转热力发动机，并且不需要通过机器的非旋转部分与转子接触。此外，由于不存在直接用于致动活塞的电流，所以不存在焦耳加热损失。使用磁体来致动活塞基本上消除了与致动活塞相关的大部分能量损失。最后，在任何操作点处施加在活塞上的力也可以基于定子所包括的磁性元件的特定尺寸和强度来确定。因此，可以调整活塞在致动期间的平移运动以便改善操作。
[0065] 此外，本公开包括根据以下实施例所述的示例：
[0066] 实施例1.一种旋转机器(10)，其包含：
[0067] 限定圆周(148)的定子(18)；
[0068] 由围绕所述定子(18)的所述圆周(148)以第一磁性模式布置的多个第一离散磁体(160、162)组成的多个第一磁体阵列(67A、67B、68A、68B)；
[0069] 绕旋转轴线可旋转并限定主体(36)的转子(20)，其中所述主体(36)限定第一通道(32)；和
[0070] 包括多个第一磁性元件(150、152)的第一活塞(26)，所述第一活塞(26)在所述转子(20)的所述第一通道(32)内被致动，其中所述多个第一离散磁体(160、162)以所述第一磁性模式布置并且被定位成当所述转子(20)绕所述旋转轴线旋转时所述多个第一离散磁体(160、162)与所述第一活塞(26)的所述第一磁性元件(150、152)相互作用以产生第一磁力，所述第一磁力表示在所述转子(20)的所述第一通道(32)内致动所述第一活塞(26)所需的第一量的力。
[0071] 实施例2.根据实施例1所述的旋转机器(10)，其包含第二活塞(30)，所述第二活塞(30)包括多个第二磁性元件(150、152)，所述第二活塞(26)在由所述转子(20)的所述主体(36)限定的第二通道(34)内被致动，其中所述定子(18)包括由多个第二离散磁体(164、166)组成的多个第二磁体阵列(65A、65B、66A、66B)。
[0072] 实施例3.根据实施例2所述的旋转机器(10)，其中所述多个第二离散磁体(164、166)被定位成当所述转子绕所述旋转轴线旋转时所述多个第二离散磁体与所述第二活塞(30)的所述第二磁性元件(150、152)相互作用以产生第二磁力，所述第二磁力表示在所述转子(20)的所述第二通道(34)内致动所述第二活塞(30)所需的第二量的力。
[0073] 实施例4.根据实施例1所述的旋转机器(10)，其中所述多个第一离散磁体(160、162)限定第一磁化方向，所述第一磁化方向与由所述第一活塞(26)的所述第一磁性元件(150、152)限定的第二磁化方向相反。
[0074] 实施例5.根据实施例1所述的旋转机器(10)，其中所述多个第一离散磁体(160、162)包含铁磁性棒(167、168)，并且所述第一活塞(26)的所述第一磁性元件(150、152)是永磁体。
[0075] 实施例6.根据实施例1所述的旋转机器(10)，其中所述多个第一离散磁体(160、162)是永磁体，并且所述第一活塞(26)的所述第一磁性元件(150、152)是铁磁性棒(250、
252)。
252)。
[0076] 实施例7.根据实施例1所述的旋转机器(10)，其中所述旋转机器(10)是包括四种运转阶段的斯特林发动机。
[0077] 实施例8.根据实施例7所述的旋转机器(10)，其中所述第一磁力被配置为将所述第一活塞(26)致动成所述斯特林发动机的所述四种运转阶段之一。
[0078]
[0079] 实施例9.根据实施例1所述的旋转机器(10)，其中所述旋转机器是使用斯特林循环的低温冷却器，所述低温冷却器向负载(50)提供冷却。
[0080] 实施例10.根据实施例1所述的旋转机器(10)，其中所述第一活塞(26)通过轴承(70)联接到所述转子(20)。
[0081] 实施例11.根据实施例10所述的旋转机器(10)，其中所述轴承(70)选自由柔性轴承、气体轴承、滑动轴承和线性滚珠轴承组成的组。
[0082] 实施例12.根据实施例1所述的旋转机器(10)，其中所述第一活塞(26)在所述第一通道(32)内被定向在基本垂直于所述转子(20)的所述旋转轴线的方向上。
[0083] 实施例13.根据实施例1所述的旋转机器(10)，其中在基本平行于所述转子(20)的所述旋转轴线的方向上致动所述第一活塞(226)。
[0084] 实施例14.根据实施例1所述的旋转机器(10)，其中所述第一磁性元件(150、152)限定基本垂直于所述转子(20)的所述旋转轴线的磁化方向。
[0085] 实施例15.根据实施例1所述的旋转机器(10)，其中所述第一磁性元件(150、152)限定基本平行于所述转子(20)的所述旋转轴线的磁化方向。
[0086] 实施例16.根据实施例1所述的旋转机器(10)，其包含围绕所述转子(20)的所述旋转轴线定位的再生器(24)。
[0087] 实施例17.根据实施例1所述的旋转机器(10)，其包含第一再生器(24A)和第二再生器(24B)，其中所述第一再生器(24A)位于所述转子(20)的第一侧(302)处，并且所述第二再生器(24B)位于所述转子(20)的第二侧(302)处，所述第二侧(302)与所述第一侧(302)相反。
[0088] 实施例18.一种在转子(20)的第一通道(32)内致动第一活塞(26)的方法，其中所述转子(20)是旋转机器(10)的一部分，所述方法包含：
[0089] 使转子(20)绕旋转轴线旋转，其中所述转子(20)被限定圆周(148)的定子(18)包围，并且其中多个第一磁体阵列(67A、67B、68A、68B)由围绕所述定子(18)的所述圆周(148)以第一磁性模式布置的多个第一离散磁体(160、162)组成；
[0090] 当所述转子(20)绕所述旋转轴线旋转时产生第一磁力，其中所述第一磁力由围绕所述定子(18)的所述圆周(148)布置的所述多个第一离散磁体(160、162)与所述第一活塞(26)的多个第一磁性元件(150、152)之间的相互作用产生；以及
[0091] 通过所述第一磁力在所述转子(20)的所述第一通道(32)内致动所述第一活塞(26)。
[0092] 实施例19.根据实施例18所述的方法，其还包含当所述转子(20)绕所述旋转轴线旋转时产生第二磁力，其中所述第二磁力表示在所述转子(20)的第二通道(34)内致动第二活塞(30)所需的第二量的力。
[0093] 实施例20.根据实施例18所述的方法，其包含将所述第一活塞(26)致动成斯特林循环的四种阶段之一。
[0094] 虽然在本文中描述的设备和方法的形式构成了本公开的优选方面，但是应该理解，本公开不限于这些精确形式的设备和方法，并且在不脱离本公开的范围的情况下可以在其中进行改变。
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