ВРАЩАЮЩАЯСЯ МАШИНА С ПОРШНЯМИ, ПРИВОДИМЫМИ В ДВИЖЕНИЕ МАГНИТОМ
ROTATING MACHINE WITH PISTONS DRIVEN BY MAGNET

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[001] Раскрытая система относится к вращающейся машине, в частности, к вращающейся машине, включающей в себя поршни, имеющие магнитные элементы и приводимые в движение магнитной силой, создаваемой при вращении ротора.
[002] Тепловые двигатели для выполнения работы используют энергию, выдаваемую в виде тепла. Существует несколько термодинамических циклов, которые могут быть использованы тепловыми двигателями, таких как, например, цикл Карно, цикл Стерлинга, и различные циклы двигателя внутреннего сгорания, такие как цикл Отто и цикл Дизеля. Все эти термодинамические тепловые двигатели используют газ в качестве рабочего тела. Например, цикл Стерлинга часто используют в криогенных охладителях относительно небольшого и среднего размера, в которых рабочим телом обычно является гелий.
[003] Двигатели Стерлинга могут включать в себя внутренние поршни, которые используются для смещения и сжатия рабочего тела и для создания выходной мощности. В частности, на поршни затрачивается работа во время их движения вверх или сжатия, и они выполняют работу во время своего движения вниз или расширения, после чего следует перенос тепла рабочим телом к окружающему радиатору при данной температуре. Поршни двигателя Стерлинга могут быть приведены в движение посредством подвешивания поршней с использованием изгибных опор с последующим механическим движением, обеспечиваемым использованием электромагнитов. Однако электромагниты создают движущую силу, которая преимущественно является синусоидальной во времени. Синусоидальная движущая сила вызывается индуктивностью обмоток электромагнитов, а также вследствие того, что приводное напряжение и скорости переключения поддерживаются на относительно низких значениях.
[004] Вращающиеся машины также содержат статор и ротор. По меньшей мере в некоторых применениях ротор может нуждаться в охлаждении. В пространство между ротором и неподвижным компонентом, таким как статор, может быть введен охлажденный газ из резервуара или холодильника для охлаждения ротора. Однако ротор охлаждается неравномерно, поскольку воздействию большей части охлаждающего газа подвергается внешняя поверхность ротора. Поэтому для охлаждения внутренней части ротора могут потребоваться специальные вращающиеся соединения для обеспечения прохода охлаждающего газа. Кроме того, если для хранения охлажденного газа используется холодильник, требуются соединения для электрического питания.
[005] Электрическая мощность создается на роторе за счет контакта ротора со щетками, по которым проходит электрический ток. Электрический ток, генерируемый на компоненте, который не является ротором, может проходить через щетки и по электрическим проводникам на ротор, в котором электрический ток затем используется. Однако прохождение электрического тока через электрические проводники вызывает образование тепла, что, в свою очередь, создает джоулевые потери на нагрев. Кроме того, щетки могут соприкасаться с валом двигателя, что приводит к проблемам, связанным с износом и техническим обслуживанием. Износ, создаваемый щетками, увеличивается с частотой вращения. При другом подходе для подачи мощности на ротор вместо щеток может быть использована батарея. Однако батареи хранят только ограниченное количество энергии и в конечном итоге требуют перезарядки или замены. Наконец, еще при одном подходе электрическую мощность для ротора получают посредством индукционного переноса от обмотки, расположенной на статоре, на обмотку, расположенную на роторе. При этом имеют место джоулевые потери на нагрев в обмотке как ротора, так и статора.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[006] Согласно одному аспекту раскрыта вращающаяся машина, которая включает в себя статор, задающий периферию, множество первых массивов магнитов, ротор и первый поршень. Первые массивы магнитов состоят из множества первых отдельных магнитов, расположенных вокруг периферии статора в первой магнитной конфигурации. Ротор выполнен с возможностью вращения вокруг оси вращения и образует основной корпус. Основной корпус образует первый канал. Первый поршень включает в себя множество первых магнитных элементов и выполнен с возможностью приведения в движение в первом канале ротора. Указанное множество первых отдельных магнитов расположены в первой магнитной конфигурации и размещены так, чтобы взаимодействовать с магнитными элементами первого поршня с созданием первой магнитной силы при вращении ротора вокруг оси вращения. Первая магнитная сила представляет первую величину усилия, необходимого для приведения в движение первого поршня в первом канале ротора.
[007] Согласно еще одному аспекту раскрыт способ приведения в движение поршня в канале ротора, который является частью вращающейся машины. Способ включает вращение ротора вокруг оси вращения. Ротор окружен статором, задающим периферию, а множество массивов магнитов содержит множество отдельных магнитов, расположенных вокруг периферии статора в первой магнитной конфигурации. Способ также включает создание первой магнитной силы при вращении ротора вокруг оси вращения. Первую магнитную силу создают посредством взаимодействия между указанным множеством отдельных магнитов статора и множеством магнитных элементов первого поршня. Первая магнитная сила представляет величину усилия, необходимого для приведения в движение первого поршня в первом канале ротора. В завершении, способ включает приведение в движение первого поршня в первом канале ротора.
[008] Другие объекты и преимущества раскрытых способа и системы станут очевидными из последующего описания, сопроводительных фигур чертежей и формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[009] На ФИГ. 1 схематически показано сечение приведенной в качестве примера вращающейся машины в виде криогенного охладителя, включающего в себя статор, ротор, который вращается вокруг оси вращения, поршень сжатия и поршень расширения;
[0010] на ФИГ. 2 приведено сечение теплового двигателя, показанного на ФИГ. 1, если смотреть по линии В-В сечения;
[0011] на ФИГ. 3 приведен перспективный вид поршня сжатия, показанного на ФИГ. 1, при этом поршень сжатия включает в себя уступ, образованный между первой частью и второй частью;
[0012] на ФИГ. 4 представлена иллюстрация поршня, показанного на ФИГ. 3, при этом поршень включает в себя постоянные магниты и показан в виде прозрачного объекта;
[0013] на ФИГ. 5A-5D представлен поршень, расположенный в канале, образованном ротором, показанным на ФИГ. 1, при этом на каждой из ФИГ. 5A-5D показан поршень в одном из четырех различных состояний цикла Стирлинга;
[0014] на ФИГ. 6 схематически представлен статор, показанный на ФИГ. 1, при этом статор включает в себя массивы магнитов для приведения в движение поршня сжатия с переводом в одно из четырех состояний цикла Стирлинга, как показано на ФИГ. 5А-5В;
[0015] на ФИГ. 7 схематически представлен статор, показанный на ФИГ. 1, при этом статор включает в себя массивы магнитов для приведения в движение поршня расширения, показанного на ФИГ. 1, с переводом в одно из четырех состояний цикла Стирлинга;
[0016] на ФИГ. 8 представлен альтернативный пример поршня, показанного на ФИГ. 4, при этом постоянные магниты выровнены с осью вращения ротора, показанного на ФИГ. 1;
[0017] на ФИГ. 9 схематически представлен пример постоянных магнитов поршня, показанного на ФИГ. 8, и массивов магнитов статора;
[0018] на ФИГ. 10 схематически представлен альтернативный пример постоянных магнитов поршня и массивов магнитов статора, показанного на ФИГ. 9, при этом постоянные магниты и массивы магнитов по существу параллельны оси вращения ротора;
[0019] на ФИГ. 11 схематически представлен еще один пример постоянных магнитов поршня и массивов магнитов статора, показанного на ФИГ. 9, при этом массив магнитов содержит один ферромагнитный стержень;
[0020] на ФИГ. 12 схематически представлен еще один пример постоянных магнитов поршня и ферромагнитных стержней статора, показанного на ФИГ. 11;
[0021] на ФИГ. 13 схематически представлен еще один пример поршня, при этом поршень включает в себя ферромагнитные элементы, которые взаимодействуют с массивами магнитов статора;
[0022] на ФИГ. 14 представлен альтернативный пример поршня, показанного на ФИГ. 3, при этом поршень приводится в движение в направлении, которое по существу параллельно оси вращения ротора, показанного на ФИГ. 1;
[0023] на ФИГ. 15 схематически представлено сечение альтернативного примера ротора, выполненное по линии А-А по ФИГ. 16;
[0024] на ФИГ. 16 схематически представлено сечение ротора, выполненное по линии В-В по ФИГ. 15; и
[0025] на ФИГ. 17 представлена блок-схема, иллюстрирующая пример способа приведения в движение поршня сжатия, показанного на ФИГ. 1.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0026] На ФИГ. 1 схематически показано поперечное сечение вращающейся машины в виде теплового двигателя 10. Тепловой двигатель 10 включает в себя статор 18, ротор 20, соединенный с валом 22, регенератор 24, первый поршень 26 и второй поршень 30. Первый поршень 26 представляет собой поршень сжатия, который приводится в движение в первом канале 32 сжатия. Второй поршень 30 представляет собой поршень расширения, который приводится в движение во втором канале 34 расширения. Ротор 20 выполнен с возможностью вращения вокруг оси А-А вращения и образует основной корпус 36. Основной корпус 36 ротора 20 образует канал 32 сжатия и канал 34 расширения. Как показано на ФИГ. 1, в канале 32 сжатия ротора 20 образовано теплое пространство 38 сжатия, которое расположено между поршнем 26 сжатия и регенератором 24. Схожим образом, в канале 34 расширения ротора 20 образовано пространство 39 расширения, которое расположено между поршнем 30 расширения и регенератором 24.
[0027] Поршень 26 сжатия и канал 32 сжатия образуют узел цилиндр-поршень, а поршень 30 расширения и канал 34 расширения также образуют еще один узел цилиндр-поршень. Хотя используется термин "узел цилиндр-поршень", следует понимать, что канал 32 сжатия и канал 34 расширения не ограничен цилиндрической конфигурацией. На самом деле, как более подробно описано ниже, поршни 26, 30 могут иметь любое количество форм. Например, на ФИГ. 3 и 4 показан поршень 26 сжатия, имеющий ступенчатый профиль с плоскими боковыми поверхностями, а также плоскими верхней и нижней поверхностями.
[0028] Регенератор 24 размещен внутри основного корпуса 36 ротора 20 между пространством 38 сжатия и пространством 39 расширения. В иллюстративном примере, как показано на чертежах, регенератор 24 выровнен с осью А-А вращения ротора 20. Регенератор 24 выполнен из пористой цельной матрицы 40, через которую рабочее тело может перемещаться циклически назад и вперед. В частности, энергия переносится из рабочего тела в матрицу 40 регенератора 24 и поглощается рабочим телом из матрицы 40 регенератора 24. Рабочее тело заполняет поры матрицы 40 регенератора 24, теплое пространство 38 сжатия и холодное пространство 39 расширения. Рабочее тело представляет собой сжатый газ или жидкость под давлением, используемые для приведения в движение поршня 26 сжатия и поршня 30 расширения. В иллюстративном примере, как показано на чертежах, тепловой двигатель 10 является двигателем Стирлинга, имеющим четыре этапа работы, и рабочим телом является гелий. Хотя описан двигатель Стирлинга, тепловой двигатель 10 может представлять собой тепловой двигатель любого другого типа, а также, помимо прочего, двигатель, который работает на основе цикла Карно, цикла Отто или цикла Дизеля.
[0029] В иллюстративном примере, как показано на чертежах, и поршень 26 сжатия и поршень 30 расширения ориентированы внутри своих соответствующих каналов 32, 34 в направлении, по существу перпендикулярном оси А-А вращения ротора 20. Однако в примере, показанном на ФИГ. 14, поршни 26, 30 по существу параллельны относительно оси А-А вращения ротора 20.
[0030] Вдоль наиболее удаленной от центра нижней поверхности 46, образованной ротором 20, может быть расположен ряд теплоотводящих ребер 42. Ротор 20 также содержит канал 48 высокой теплопроводности. Канал 48 высокой теплопроводности создает тепловое соединение между теплым пространством 38 сжатия, валом 22 и ребрами 42. В иллюстративном примере, как показано на ФИГ. 1, тепловой двигатель 10 является криогенным охладителем, использующим цикла Стирлинга. Криогенный охладитель обеспечивает охлаждение нагрузки 50. Ротор 20 содержит канал 52, который термически соединяет нагрузку 50 с холодным пространством 39 расширения.
[0031] На ФИГ. 2 приведено сечение ротора 20 теплового двигателя 10, показанного на ФИГ. 1, если смотреть по линии В-В сечения. Как показано на ФИГ. 2, ротор 20 образует наиболее удаленную от центра периферическую поверхность 56. Со ссылкой на ФИГ. 1 и 2, поверхность 56 ротора 20 образует множество вырезов или пространств 58А, 58В, 58С. Статор 18 окружает ротор 20. В частности, статор 18 окружает всю периферическую поверхность 56 ротора 20. Пространства 58А, 58В, 58С проходят вокруг всей периферической поверхности 56 ротора 20. Как показано на ФИГ. 1, форма пространств 58А, 58В, 58С обеспечивает возможность размещения в них соответствующих выступов 60А, 60В, 60С, образованных статором 18. В частности, форма пространства 58А обеспечивает возможность размещения в нем выступа 60А, форма пространства 58В обеспечивает возможность размещения в нем выступа 60В, а форма пространства 58С обеспечивает возможность размещения в нем выступа 60С.
[0032] Как показано на ФИГ. 1, каждый из выступов 60А, 60В, 60С статора 18 включает в себя массив постоянных магнитов ("массивов магнитов") 65А, 65В, 66А, 66В, 67А, 67В, 68А, 68В. В частности, как показано в иллюстративном примере на ФИГ. 1, массивы 66А, 66В, 68А и 68В магнитов расположены вдоль верхней поверхности 44 соответствующего выступа 60А, 60В, 60С статора 18, а массивы 65А, 65В, 67А и 67В магнитов расположены вдоль нижней поверхности 45 каждого выступа 60А, 60В, 60С. Однако, как поясняется ниже, массивы 65А, 65В, 66А, 66В, 67А, 67В, 68А, 68В магнитов не ограничиваются расположением вдоль верхней или нижней поверхностей 44, 45 выступов 60 и могут быть размещены также на верхней и нижней поверхностях 44, 45.
[0033] Со ссылкой на ФИГ. 2, поршень 26 сжатия соединен с ротором 20 первой опорой 70. В частности, первая опора 70 присоединена концевой части 72 поршня 26 сжатия, при этом концевая часть 72 является наиболее удаленной частью поршня 26 сжатия от оси А-А вращения ротора 20. Схожим образом, поршень 30 расширения соединен с ротором 20 второй опорой 84. В частности, вторая опора 84 присоединена к концевой части 86 поршня 30 расширения, при этом концевая часть 86 является наиболее удаленной частью поршня 30 расширения от оси А-А вращения ротора 20.
[0034] В одном иллюстративном примере первая опора 70 и вторая опора 84 являются изгибными опорами. Первая и вторая опоры 70, 84 обе являются частью ротора 20 и имеют относительно низкую жесткость в направлении хода поршня. Однако первая и вторая опоры 70, 84 также имеют относительно высокую жесткость в направлении, по существу перпендикулярном ходу поршня. Хотя описаны изгибные опоры, также могут быть использованы другие типы опор такие как, например, газовые опоры, опоры скольжения или линейные шариковые опоры.
[0035] Пространство 90 образовано поверхностью 92 вокруг отверстия 94 канала 32 сжатия и парой боковых поверхностей 96, образованных ротором 20. Схожим образом, пространство 98 образовано поверхностью 100 вокруг отверстия 102 канала 34 расширения и парой боковых поверхностей 104 ротора 20. Оба пространства 90, 98 заполнены рабочим телом при температуре окружающей среды. В иллюстративном примере, как описано, ротор 20 является частью двигателя Стирлинга, а рабочим телом является гелий.
[0036] На ФИГ. 3 показана иллюстрация приведенного в качестве примера поршня 26 сжатия. Хотя поршень 26 сжатия описан на ФИГ. 3, поршень 30 расширения также имеет такие же компоненты и конструкции. Поршень 26 сжатия, показанный на ФИГ. 3, включает в себя первую часть 110 и вторую часть 112. Первая часть 110 задает первую ширину W1, которая меньше второй ширины W2, задаваемой второй частью 112 поршня 26 сжатия, и таким образом задает уступ 114. Однако еще в одном примере первая ширина W1 первой части 110 поршня 26 сжатия больше, чем вторая ширина W2 второй части 112. Еще в одном примере поршень 26 сжатия может не иметь ступенчатую конфигурацию, как показано на ФИГ. 3, и вместо этого имеет равномерное сечение. Кроме того, поршень 26 сжатия не ограничен конфигурацией, показанной на ФИГ. 3, и может иметь любое количество форм, таких как, например, цилиндр. Поршень 26 сжатия также имеет пару присоединительных мест 120, расположенных вдоль противоположных сторон второй части 112 поршня 26 сжатия (на ФИГ. 3 видна только одна пара присоединительных мест). Со ссылкой на ФИГ. 2 и 3, присоединительные места 120 поршня 26 сжатия используются для прикрепления поршня 26 сжатия к одной из соответствующих опор 70, 84.
[0037] Далее со ссылкой на ФИГ. 2 и 3, первая часть 110 поршня 26 сжатия размещена в теплом пространстве 38 сжатия, а вторая часть 112 поршня 26 сжатия размещена в пространстве 90, которое находится при температуре окружающей среды. Уступ 114 поршня 26 сжатия может упираться в поверхность 92 вокруг отверстия 94 теплого пространства 38 сжатия, когда поршень 26 сжатия находится в положении полного или максимального сжатия.
[0038] Со ссылкой на ФИГ. 3, поршень 26 сжатия образует первую плоскую поверхность 130 и вторую плоскую поверхность 132, которая по существу параллельна первой плоской поверхности 130. Первая плоская поверхность 130 расположена вдоль самой верхней части 134 поршня 26 сжатия, а вторая плоская поверхность 132 расположена вдоль самой нижней части 136 поршня 26 сжатия. Первая плоская поверхность 130 образует множество полостей 140 вдоль второй ширины W2 поршня 26 сжатия. Каждая из полостей 140 проходит в направлении, которое по существу параллельно относительно направлений D1 и D2 (ФИГ. 2) хода поршня. Со ссылкой на ФИГ. 2, поршень 26 сжатия поступательно перемещается в первом направлении D1 к оси А-А вращения и втором направлении D2 от оси А-А вращения.
[0039] На ФИГ. 4 приведена иллюстрация поршня 26 сжатия, представленного в виде прозрачного объекта, чтобы показать вторую плоскую поверхность 132. Как показано на ФИГ. 4, каждый из ряда магнитных элементов 150 размещен в одной из полостей 140 (ФИГ. 3), образованных поршнем 26 сжатия. В данном примере, как показано, магнитные элементы 150 являются постоянными магнитами. Однако еще в одном примере, как показано на ФИГ. 13, как более подробно раскрыто ниже, магнитный элемент 150 может быть ферромагнитным стержнем. Еще в одном, применяемом по необходимости примере вторая плоская поверхность 132 поршня 26 сжатия также образует множество полостей, форма каждой из которых обеспечивает возможность размещения в ней соответствующего магнитного элемента 152. Со ссылкой на ФИГ. 2 и 4, каждый из магнитных элементов 150, 152 имеет направление намагничивания, которое по существу параллельно относительно первого и второго направлений D1 и D2 хода поршня внутри ротора 20.
[0040] На ФИГ. 5A-5D схематически показан пример поршня 26 сжатия, приводимого в движение с переводом в канале 32 сжатия ротора 20в одно из четырех различных состояний цикла Стирлинга. Канал 32 ротора 20 окружен выступами 60А, 60В, 60С статора 18. Как поясняется ниже, поршень 26 сжатия выполнен с возможностью приведения в движение с переводом в одно из четырех различных состояний цикла Стирлинга первой магнитной силой, создаваемой между массивами 67А, 67В, 68А, 68В магнитов статора 18 и магнитными элементами 150, 152 поршня 26 сжатия. Четыре разных состояния цикла Стирлинга представляют собой изотермическое расширение, изохорический отвод тепла, изотермическое сжатие и изохорический нагрев рабочего тела с подводом тепла, и на каждой из ФИГ. 5A-5D показан поршень 26 сжатия в одном из четырех различных состояний цикла Стирлинга.
[0041] На ФИГ. 6 схематически представлен вид сверху статора 18. На ФИГ. 6 также показаны массивы 67А, 67В магнитов, показанных на ФИГ. 5A-5D. Как показано на ФИГ. 6, каждый массив 67А, 67В магнитов содержит ряд отдельных магнитов 160, 162. Статор 18 задает периферию 148, а отдельные магниты 160, 162 расположены вокруг периферии 148 статора 18 в первой магнитной конфигурации. Отдельные магниты 160, 162 расположены в первой магнитной конфигурации так, чтобы взаимодействовать с магнитными элементами 150, 152 поршня 26 сжатия (ФИГ. 3 и 4) с созданием первой магнитной силы, необходимой для приведения в движение поршня 26 сжатия в канале 32. В частности, отдельные магниты 160, 162 выполнены с возможностью взаимодействия с магнитными элементами 150, 152 поршня 26 сжатия, с тем чтобы разместить поршень 26 сжатия в одном из четырех состояний цикла Стирлинга.
[0042] Хотя на ФИГ. 6 показаны массивы 67А, 67В магнитов, следует понимать, что массивы 68А, 68В магнитов, расположенные вдоль верхней поверхности 44 выступа 60С (ФИГ. 1), также расположены в магнитной конфигурации, а также включают в себя отдельные магниты 160, 162. Поршень 26 сжатия также показан на этапе/в состоянии с. Этап с представляет собой одно из четырех состояний цикла Стирлинга, соответствующее поршню со стороны сжатия. Три остальных состояния цикла Стирлинга также показаны как этап а, этап b и этап d, также называемые в настоящем документе состояниями a, b и d, соответственно. Состояние а соответствует ФИГ. 5А, состояние b соответствует ФИГ. 5В, состояние с соответствует ФИГ. 5С, а состояние d соответствует ФИГ. 5D.
[0043] Далее со ссылкой на ФИГ. 6, отдельные магниты 160, 162 расположены в первой магнитной конфигурации вокруг периферии 148 статора 18 и взаимодействуют с магнитными элементами 150, 152 поршня 26 сжатия (ФИГ. 4) с созданием первой магнитной силы при вращении ротора 20 (ФИГ. 1) вокруг оси А-А вращения в направлении СС против часовой стрелки. Первая магнитная сила представляет величину усилия, необходимого для приведения в движение поршня 26 сжатия в канале 32 ротора 20. Например, в иллюстративном примере, как показано на ФИГ. 5A-5D, параметры первой магнитной силы выбраны так, чтобы приводить в движение поршень 26 с переводом в один из четырех этапов цикла Стирлинга.
[0044] Со ссылкой на ФИГ. 5А, направление намагничивания, задаваемое массивами 67А, 67В, 68А, 68В магнитов статора 18, обозначено стрелкой M1, а направление намагничивания, задаваемое магнитными элементами 150, 152 ротора 20, обозначено стрелкой М2. Направление М2 намагничивания обоих магнитных элементов 150, 152 ротора 20 ориентированы в одном и том же направлении. Направление М2 намагничивания по существу перпендикулярно оси А-А вращения ротора 20. Направление M1 намагничивания массивов 67А, 67В, 68А, 68В магнитов статора 18 также ориентировано в одном направлении друг с другом, при этом направление М2 намагничивания магнитных элементов 150, 152 поршня 26 сжатия противоположно направлению M1 намагничивания массивов 67А, 67В, 68А, 68В магнитов статора 18. Взаимодействие между противоположными направлениями M1, М2 намагничивания создает первую магнитную силу.
[0045] Оба массива 67А, 67В магнитов расположены вдоль или вблизи нижней поверхности 45 выступа 60В, а массивы 68А, 68В магнитов расположены или вблизи к верхней поверхности 44 выступа 60С. В частности, массивы 67А, 67В магнитов размещены внутри статора 18 с обеспечением возможности реагирования с магнитными элементами 150 поршня 26 сжатия и созданием таким образом части первой магнитной силы. Схожим образом, массивы 68А, 68В магнитов размещены внутри статора 18 с обеспечением возможности реагирования с магнитными элементами 152 поршня 26 сжатия и созданием таким образом остальной части первой магнитной силы, необходимой для приведения в движение поршня 26 сжатия в канале 32. Как показано на ФИГ. 5А, оба массива 67А и 68А магнитов расположены на равных расстояниях от средней линии С поршня 26 сжатия. Схожим образом, массивы 68А и 68В магнитов также расположены на равных расстояниях от средней линии поршня 26 сжатия. Соответственно, первая магнитная сила вдоль оси А-А вращения ротора 20 (видно на ФИГ. 1), воздействующая на поршень 26 сжатия и создаваемая противоположными направлениями M1, М2 намагничивания, является по существу нулевой.
[0046] Со ссылкой на ФИГ. 5А и 6, массивы 67А, 67В, 68А, 68В магнитов расположены относительно длины L канала 32 таким образом, что противоположные направления M1, М2 намагничивания массивов 65А, 65В магнитов и магнитных элементов 150, 152 ориентируют поршень 26 сжатия с принятием первого состояния цикла Стирлинга. Как показано на ФИГ. 6, первая магнитная конфигурация массивов 65А, 65В магнитов изменяется в зависимости от периферического положения поршня 26 сжатия относительно оси А-А вращения ротора 20. В частности, отдельные магниты 160, 162 расположены в первой магнитной конфигурации вокруг периферии 148 статора 18, с тем чтобы создавать или наводить первую магнитную силу для приведения в движение поршня 26 сжатия с переводом в один из четырех этапов цикла Стирлинга.
[0047] На ФИГ. 5А представлена иллюстрация поршня 26 сжатия в канале 32 в положении полного расширения. Когда поршень 26 сжатия находится в положении полного расширения, требуется минимальное усилие приведения в действие, чтобы удерживать поршень поршня 26 сжатия на месте в канале 32. Со ссылкой на ФИГ. 5В и 6, при вращении ротора 20 (ФИГ. 1) вокруг оси А-А вращения в направлении СС против часовой стрелки с переводом из состояния а в состояние b, отдельные магниты 160, 162 массивов 67А, 67В магнитов расположены для уменьшения расстояния между друг другом, что таким образом увеличивает первую магнитную силу, которая создается и воздействует на поршень 26 сжатия. Как показано на ФИГ. 5В, поршень 26 сжатия поджимается в канале 32 в первом направлении D1 в направлении к оси А-А вращения с переводом в этап b цикла Стирлинга. Поскольку пространство 38 сжатия в канале 32 уменьшилось, этап b требует большего сжатия, чем этап а.
[0048] Со ссылкой на ФИГ. 5С и 6, при вращении ротора 20 (ФИГ. 1) вокруг оси А-А вращения в направлении СС против часовой стрелки с переводом из состояния b в состояние с, отдельные магниты 160, 162 массивов 65А, 65В магнитов продолжают увеличивать расстояние между друг другом с увеличением таким образом первой магнитной силы, воздействующей на поршень 26 сжатия. Как показано на ФИГ. 5С, поршень 26 сжатия теперь ориентирован на этапе с цикла Стирлинга, который представляет максимальное или полное сжатие. Соответственно, как показано на ФИГ. 6, отдельные магниты 160, 162 размещены таким образом, что расстояние между каждым отдельным магнитом 160, 162 является минимальным. Это связано с тем, что первая магнитная сила, необходимая для преодоления силы, с которой действует рабочее тело внутри пространства 38 сжатия, является максимальной.
[0049] Со ссылкой на ФИГ. 5D и 6, при вращении ротора 20 (ФИГ. 1) вокруг оси А-А вращения в направлении СС против часовой стрелки с переводом из состояния с в состояние d, отдельные магниты 160, 162 массивов 65А, 65В магнитов расположены так, чтобы оставаться по существу на одном и том же расстоянии друг от друга. Как показано на ФИГ. 5D, поршень 26 сжатия теперь ориентирован на этапе d цикла Стирлинга. В завершении, при вращении ротора 20 вокруг оси А-А вращения в направлении СС против часовой стрелки с переводом из состояния d в состояние а, отдельные магниты 160, 162 расположены так, что расстояние между каждым отдельным магнитом 160, 162 увеличивается и является максимальным в точке а. Соответственно, первая магнитная сила, действующая на поршень 26 сжатия, изменяется при вращении ротора 20 вокруг оси А-А вращения (ФИГ. 1).
[0050] На ФИГ. 7 схематически представлен вид сверху статора 18, иллюстрирующий массивы 65А, 65В магнитов, расположенные вдоль нижней поверхности 45 выступа 60А (ФИГ. 1). Массивы 65А, 65В магнитов и массивы 66А, 66В магнитов взаимодействуют с магнитными элементами 150, 152 (ФИГ. 4) и вызывают вторую магнитную силу, воздействующую на поршень 30 расширения (показано на ФИГ. 1). Аналогично примеру, показанному на ФИГ. 6, каждый массив 65А, 65В магнитов содержит ряд отдельных магнитов 164, 166, которые расположены вокруг периферии 148 статора 18 во второй магнитной конфигурации, предназначенной для приведения в движение поршня 30 со стороны расширения. В частности, отдельные магниты 164, 166 расположены так, чтобы взаимодействовать с магнитными элементами 150, 152 поршня (ФИГ. 4) с созданием второй магнитной силы при вращении ротора 20 (ФИГ. 1) вокруг оси А-А вращения в направлении СС против часовой стрелки. Вторая магнитная сила представляет величину усилия, необходимого для приведения в движение поршня 30 расширения в канале 34 ротора 20 и с переводом в один из четырех этапов цикла Стирлинга. Аналогично примеру, показанному на ФИГ. 6, четыре состояния цикла Стирлинга показаны на ФИГ. 7 в виде этапа а, этапа b, этапа с и этапа d. Этап а соответствует состоянию максимального сжатия, а этап d соответствует положению максимального расширения поршня 30.
[0051] На ФИГ. 8 представлен альтернативный пример поршня 26 сжатия, при этом поршень 26 сжатия показан в виде прозрачного объекта. Как показано на ФИГ. 8, магнитные элементы 150 теперь ориентированы так, что направление M1 намагничивания магнитных элементов 150 ориентировано в направлении, по существу перпендикулярном первому и второму направлениям D1 и D2 хода поршня внутри ротора 20 (ФИГ. 2) и по существу параллельном оси А-А вращения (ФИГ. 1) ротора 20. Каждый из магнитных элементов 150 проходит в вертикальном направлении между первой плоской поверхностью 130 и второй плоской поверхностью 132 поршня 26 сжатия.
[0052] На ФИГ. 9 приведена схематическая иллюстрация магнитных элементов 150 поршня 26 сжатия относительно массивов 67А, 67В, 68А, 68В магнитов статора 18 (статор 18 не показан на ФИГ. 9). Массивы 67А, 67В, 68А, 68В магнитов ориентированы в направлении, по существу перпендикулярном относительно оси А-А вращения ротора 20 и направления М2 намагничивания магнитных элементов 150. В частности, направление M1 намагничивания массива 68В магнитов и массива 68А магнитов ориентировано радиально внутрь в направлении к оси А-А вращения, в то время как направление М3 намагничивания массивов 67А, 68В магнитов ориентировано радиально наружу от оси А-А вращения. Массивы 67А, 67В и 68А, 68В магнитов расположены на равных расстояниях от средней линии С поршня 26 сжатия. Соответственно, магнитная сила, воздействующая на поршень 26 сжатия, является по существу нулевой.
[0053] На ФИГ. 10 приведен еще один пример расположения, показанного на ФИГ. 9, при этом массивы 67А, 67В, 68А, 68В магнитов теперь ориентированы по существу параллельно относительно магнитных элементов 150 поршня 26 сжатия, а также оси А-А вращения ротора 20. В частности, направление М2 намагничивания магнитных элементов 150 ориентировано вниз, в направлении ко второй плоской поверхности 132 поршня 26 сжатия. Направление M1 намагничивания для каждого из массивов 67А, 67В, 68А, 68В магнитов по существу противоположно направлению М2 намагничивания магнитных элементов 150.
[0054] На ФИГ. 11 приведен еще один пример расположения, показанного на ФИГ. 9, при этом массивы 67А, 67В магнитов заменены одним ферромагнитным стержнем 167, а массивы 68А, 68В магнитов заменены одним ферромагнитным стержнем 168. Таким образом, со ссылкой на ФИГ. 6 и 11, отдельные магниты 160, 162 заменены ферромагнитными стержнями 167, 168. Ферромагнитные стержни 167, 168 и магнитные элементы 150, 152 поршня 26 сжатия ориентированы в направлении, по существу перпендикулярном оси А-А вращения.
В иллюстративном примере, как показано на ФИГ. 11, оба ферромагнитных стержня 167, 168 задают длину 170. Длина 170 ферромагнитных стержней 167, 168 по существу идентична длине 172 магнитных элементов 150, 152 поршня 26 сжатия. Направление М2 намагничивания обоих магнитных элементов 150, 152 поршня 26 ориентировано в направлении наружу от оси А-А вращения ротора 20.
[0055] На ФИГ. 12 приведен еще один пример расположения, показанного на ФИГ. 11, при этом магнитные элементы 150 теперь ориентированы в первом направлении M1 намагничивания и втором направлении М2 намагничивания, при этом первое и второе направления M1, М2 намагничивания по существу параллельны оси А-А вращения. Кроме того, направление M1 намагничивания одного или более магнитных элементов 150, расположенных на ближней концевой части 180 поршня 26 сжатия ближе всего к оси А-А вращения, ориентировано в направлении, по существу противоположном второму направлению М2 намагничивания одного или более магнитных элементов 150, расположенных на дальней концевой части 182 поршня 26 сжатия дальше всего от оси А-А вращения.
[0056] На ФИГ. 13 приведен еще один пример расположения, показанного на ФИГ. 11, при этом поршень 26 сжатия здесь включает в себя множество ферромагнитных стержней 250, 252. В частности, один или более ферромагнитных стержней 250 расположены вблизи первой плоской поверхности 130 поршня 26 сжатия, а один или более ферромагнитных стержней 252 расположены вблизи второй плоской поверхности 132 поршня 26 сжатия. Каждый из массивов 67А, 67В, 68А, 68В магнитов включает в себя направление M1 намагничивания, которое по существу перпендикулярно относительно оси А-А вращения и ориентировано радиально внутрь в направлении к оси А-А вращения.
[0057] В примерах, описанных выше, поршни 26, 30 приводятся в движение в направлениях D1 и D2 (ФИГ. 2), которые по существу перпендикулярны оси А-А вращения ротора 20 (ФИГ. 1). На ФИГ. 14 представлен альтернативный пример теплового двигателя 10, в котором поршень 226 может быть приведен в движение в направлении, по существу параллельном оси А-А вращения. На ФИГ. 14 показан канал 232, который выровнен с осью А-А вращения ротора 20 (ФИГ. 1). Канал 232 ориентирован в направлении, по существу параллельном оси А-А вращения. Как показано на ФИГ. 14, поршень 226 выровнен с осью А-А вращения ротора 20и проходит вдоль оси А-А вращения ротора 20. Поршень 226 включает в себя множество постоянных магнитов 240, 242, 246, каждый из которых выровнен с осью А-А вращения, и расположен вдоль длины 254 поршня 226. Как показано на ФИГ. 14, поршень 226 окружен двумя массивами 266, 268 магнитов. Хотя на ФИГ. 14 показан поршень 226, выровненный с осью А-А вращения ротора 20, еще в одном примере поршень 226 также может быть смещен на расстояние от оси А-А вращения ротора 20.
[0058] На ФИГ. 15 и 16 представлен альтернативный пример ротора 20, в котором конструкция поршень/газ является обратной показанной на ФИГ. 1 и 2. На ФИГ. 15 схематически представлено сечение ротора 20, выполненное по линии А-А по ФИГ. 16, а на ФИГ. 16 схематически представлено сечение ротора 20, выполненное по линии В-В по ФИГ. 15. Как видно из ФИГ. 15 и 16, ротор 20 включает в себя два регенератора 24А, 24В, два поршня 26А, 26В сжатия, два поршня 30А, 30В расширения. Как показано на ФИГ. 16, каждый из двух регенераторов 24А, 24В расположен соответственно вдоль противоположных сторон 302 ротора 20, при этом первый регенератор 24А размещен на первой стороне 302 ротора 20, а второй регенератор 24В размещен на второй стороне 302 ротора 20, которая в целом противоположна первой стороне 302. Регенератор 24А используется для переноса тепла между поршнем 26А сжатия и поршнем 30А расширения, а регенератор 24В переносит тепло между поршнем 26 В сжатия и поршнем 30В расширения.
[0059] Как показано на ФИГ. 16, оба из двух поршней 26А, 26В сжатия соединены с ротором 20 опорами 70А, 70В. В частности, каждая из опор 70А, 70В соединена с концевыми частями 73а, 73b поршня 26А, 26В сжатия, при этом концевые части 73А, 73В представлены самой внутренней частью соответствующего поршня 26А, 26В сжатия. Как также видно из ФИГ. 16, соответствующие теплообменники 320А, 320В термически соединены с соответствующим одним из пространств 32А, 32В сжатия. Оба теплообменника 320А, 320В термически соединены с теплопроводящим каналом 322. Теплопроводящий канал 322 сообщается с шиной 324 проводимости, которая используется для проведения тепла вдоль вертикального направления ротора 20. Вдоль оси S-S симметрии может быть размещен дополнительный разделитель 326, который используется для разделения пространств 32А, 32В сжатия.
[0060] На ФИГ. 17 представлена блок-схема, иллюстрирующая примера способа 400 приведения в движение поршня 26, показанного на ФИГ. 1. Хотя описан только поршень 26 сжатия, следует принимать во внимание, что аналогичный подход также может быть использован для приведения в движение поршня 30 расширения.
[0061] Со ссылкой на ФИГ. 1-2, 6 и 17, способ 400 может быть начат в блоке 402. В блоке 402 ротор 20 вращают вокруг оси А-А вращения. Как показано на ФИГ. 1, ротор 20 окружен статором 18. Как показано на ФИГ. 6, статор 18 образует массивы 67А, 67В магнитов. Массивы 67А, 67В магнитов содержат отдельные магниты 160, 162, которые расположены вокруг периферии 148 статора 18 в первой магнитной конфигурации. Затем способ 400 может быть продолжен в блоке 404.
[0062] В блоке 404 создают первую магнитную силу при вращении ротора 20 вокруг оси А-А вращения. В частности, как объяснено выше, первую магнитную силу создают за счет взаимодействия между указанным множеством отдельных магнитов 160, 162 статора 18 и магнитными элементами 150, 152 поршня 26. Следует отметить, что первая магнитная сила представляет величину усилия, необходимого для приведения в движение поршня 26 в канале 32 ротора 20. Затем способ 400 может быть продолжен в блоке 406.
[0063] В блоке 406 первая магнитная сила приводит в движение поршень 26 в канале 32. Как показано на ФИГ. 5A-5D и 6, поршень 26 может быть приведен в движение с переводом из состояния а в состояние b, из состояния b в состояние с, из состояния с в состояние d или из состояния d в состояние а. После этого способ 400 может быть завершен.
[0064] Со ссылкой на фигуры чертежей в целом, многочисленные технические результаты и преимущества, связанные с раскрытой системой, получают при использовании магнитной силы для приведения в движение поршней. Раскрытая система может быть использована для управления работой теплового двигателя и устранения необходимости контакта с ротором посредством невращающейся части машины. Кроме того, поскольку нет электрического тока, который непосредственно используется для приведения в движение поршней, то нет и джоулевых потерь на нагрев. Использование магнитов для приведения в движение поршней по существу исключает большую часть потерь энергии, связанных с приведением в движение поршней. В завершении, сила, действующая на поршень в любой момент работы, также может быть определена на основе конкретного размера и прочности магнитных элементов, содержащихся в статоре. Соответственно, поступательное движение поршня во время приведения в действие может быть отрегулировано для улучшения работы.
Кроме того, приведенное раскрытие изобретения содержит примеры согласно следующим пунктам:
Пункт 1. Вращающаяся машина (10), содержащая: статор (18), задающий периферию (148);
множество первых массивов (67А, 67В, 68А, 68В) магнитов, содержащих множество первых отдельных магнитов (160, 162), расположенных вокруг периферии (148) статора (18) в первой магнитной конфигурации;
ротор (20), выполненный с возможностью вращения вокруг оси вращения и образующий основной корпус (36), который образует первый канал (32); и
первый поршень (26), включающий в себя множество первых магнитных элементов (150, 152) и приводимый в движение в первом канале (32) ротора (20), причем
указанное множество первых отдельных магнитов (160, 162) расположены в первой магнитной конфигурации и размещены так, чтобы взаимодействовать с первыми магнитными элементами (150, 152) первого поршня (26) с созданием первой магнитной силы при вращении ротора (20) вокруг оси вращения, при этом первая магнитная сила представляет первую величину усилия, необходимого для приведения в движение первого поршня (26) в первом канале (32) ротора (20).
Пункт 2. Вращающаяся машина (10) по пункту 1, содержащая второй поршень (30), включающий в себя множество вторых магнитных элементов (150, 152) и приводимый в движение во втором канале (34), образованном основным корпусом (36) ротора (20), причем статор (18) включает в себя множество вторых массивов (65А, 65В, 66А, 66В) магнитов, содержащих множество вторых отдельных магнитов (164, 166).
Пункт 3. Вращающаяся машина (10) по пункту 2, в которой указанное множество вторых отдельных магнитов (164, 166) размещены так, чтобы взаимодействовать со вторыми магнитными элементами (150, 152) второго поршня (30) с созданием второй магнитной силы при вращении ротора вокруг оси вращения, при этом вторая магнитная сила представляет вторую величину усилия, необходимого для приведения в движение второго поршня (30) во втором канале (34) ротора (20).
Пункт 4. Вращающаяся машина (10) по пункту 1, в которой указанное множество первых отдельных магнитов (160, 162) задают первое направление намагничивания, которое противоположно второму направлению намагничивания, задаваемому первыми магнитными элементами (150, 152) первого поршня (26).
Пункт 5.Вращающаяся машина (10) по пункту 1, в которой указанное множество первых отдельных магнитов (160, 162) содержат ферромагнитные стержни (167, 168), а первые магнитные элементы (150, 152) первого поршня (26) являются постоянными магнитами.
Пункт 6. Вращающаяся машина (10) по пункту 1, в которой указанное множество первых отдельных магнитов (160, 162) являются постоянными магнитами, а первые магнитные элементы (150, 152) первого поршня (26) являются ферромагнитными стержнями (250, 252).
Пункт 7. Вращающаяся машина (10) по пункту 1, причем вращающаяся машина (10) является двигателем Стирлинга, имеющим четыре этапа работы.
Пункт 8. Вращающаяся машина (10) по пункту 7, в которой параметры первой магнитной силы выбраны так, чтобы приводить в движение первый поршень (26) с переводом в один из четырех этапов работы двигателя Стирлинга.
Пункт 9. Вращающаяся машина (10) по пункту 1, причем вращающаяся машина является криогенным охладителем, использующим цикл Стирлинга и обеспечивающим охлаждение нагрузки (50).
Пункт 10. Вращающаяся машина (10) по пункту 1, в которой первый поршень (26) соединен с ротором (20) опорой (70).
Пункт 11. Вращающаяся машина (10) по пункту 10, в которой опора (70) выбрана из группы, состоящей из: изгибной опоры, газовой опоры, опоры скольжения и линейной шариковой опоры.
Пункт 12. Вращающаяся машина (10) по пункту 1, в которой первый поршень (26) ориентирован в первом канале (32) в направлении, которое по существу перпендикулярно оси вращения ротора (20).
Пункт 13. Вращающаяся машина (10) по пункту 1, в которой первый поршень (226) выполнен с возможностью приведения в движение в направлении, по существу параллельном оси вращения ротора (20).
Пункт 14. Вращающаяся машина (10) по пункту 1, в которой первые магнитные элементы (150, 152) задают направление намагничивания, которое по существу перпендикулярно оси вращения ротора (20).
Пункт 15. Вращающаяся машина (10) по пункту 1, в которой первые магнитные элементы (150, 152) задают направление намагничивания, которое по существу параллельно оси вращения ротора (20).
Пункт 16. Вращающаяся машина (10) по пункту 1, содержащая регенератор (24), размещенный вокруг оси вращения ротора (20).
Пункт 17. Вращающаяся машина (10) по пункту 1, содержащая первый регенератор (24А) и второй регенератор (24 В), причем первый регенератор (24А) размещен на первой стороне (302) ротора (20), а второй регенератор (24В) размещен на второй стороне (302) ротора (20), которая противоположна первой стороне (302).
Пункт 18. Способ приведения в движение первого поршня (26) в первом канале (32) ротора (20), который является частью вращающейся машины (10), причем способ включает:
вращение ротора (20) вокруг оси вращения, при этом ротор (20) окружен статором (18), задающим периферию (148), а множество первых массивов (67А, 67В, 68А, 68В) магнитов содержат множество первых отдельных магнитов (160, 162), расположенных вокруг периферии (148) статора (18) в первой магнитной конфигурации;
создание первой магнитной силы при вращении ротора (20) вокруг оси вращения, при этом первую магнитную силу создают посредством взаимодействия между указанным множеством первых отдельных магнитов (160, 162), расположенных вокруг периферии (148) статора (18), и множеством первых магнитных элементов (150, 152) первого поршня (26); и
приведение в движение первого поршня (26) в первом канале (32) ротора (20) посредством первой магнитной силы.
Пункт 19. Способ по пункту 18, также включающий создание второй магнитной силы при вращении ротора (20) вокруг оси вращения, причем вторая магнитная сила представляет вторую величину усилия, необходимого для приведения в движение второго поршня (30) во втором канале (34) ротора (20).
Пункт 20. Способ по пункту 18, включающий приведение в движение первого поршня (26) с переводом в один из четырех этапов цикла Стирлинга.
Хотя формы устройств и способы, описанные в настоящем документе, представляют собой предпочтительные аспекты данного описания, следует понимать, что изобретение не ограничено этими точными формами устройств и способов и что в них могут быть выполнены изменения без отступления от сущности и объема приведенного раскрытия.