[发明专利]用于自由活塞式机器的具有活塞振幅恢复的控制系统和方法

说明书

一种用于检测驱动地联接至负载或原动机的线性电机或交流发电机的电枢的位移振幅的方法和设备。该方法和设备仅需要全部源自线性电机或交流发电机的输入端子的三个输入：(1)跨线性电机端子测量的电压；(2)由线性电机消耗的电流；以及(3)电压与电流之间的相位。三个输入在线性电机或交流发电机的端子处感测，并用于在控制系统或控制器的微型计算机中执行数学计算。数学计算基于等效电路，该等效电路是用于线性电机或交流发电机的等效电路的修改。检测到的位移振幅可被控制器用来限制电枢的位移振幅以防止碰撞。

背景技术

本发明涉及连接以驱动负载的线性电机(诸如自由活塞式斯特林(Stirling)冷却器)的控制和连接以由原动机驱动的线性交流发电机(诸如斯特林发动机)的控制。更具体地，本发明针对一种方法和设备，该方法和设备允许通过基于等式计算位移振幅来重复地检测线性电机或交流发电机的位移振幅，该等式要求在电机或交流发电机端子处容易接近的感测电压、感测电流和感测功率因数作为其唯一的输入参数。结果，不需要机电装置来直接感测位移振幅。本发明允许足够简单并且能够在足够短的时间间隔内执行的计算，使得其可以用在商业提供的产品中使用实用的控制器计算电路来执行。在本发明中应用的等式基于假设电机或交流发电机电路的特定修改，其简化计算并且还仅引入实际位移振幅和所计算的振幅之间的微小不显著的差异。

如在此文件中使用的，术语“振幅”当应用于往复式机械结构(诸如活塞或电枢)时是指正弦函数的系数，该系数限定该机械结构作为时间的函数的周期性正弦位移。其通常也被称为冲程的一半。类似地，当应用于正弦交替的电参数(诸如电压或电流)时，“振幅”是指定义该电参数的瞬时值作为时间的函数的变化的正弦函数的系数。其也被称为峰到峰值的一半。当线性电机或交流发电机的电枢被驱动地链接至另一结构时(诸如当线性电机的电枢链接至斯特林冷却器的活塞时)，刚性地附接在一起的所有链接部件的位移振幅在振幅和相位上相同。因为它们作为单元一起移动，所以它们可被称为并且在数学上表示为电枢的一部分。如本领域技术人员已知的，正弦变化的电压和电流可用其振幅或可替代地用其均方根值(缩写为rms值)来描述。它们的区别在于常数系数因此，在本文中所描述的电压和电流可根据均方根值或振幅来定义。

电动线性电机和线性交流发电机是用于驱动多种多样的机械负载进行往复运动或用于将另一类型的原动机的线性往复运动转换成交流电的常见装置。本领域技术人员认识到，线性电机和线性交流发电机是相同的基本电气和机械结构。每个定子具有带电线圈绕组的定子(有时被称为初级)，并且还具有往复式电枢(有时被称为次级致动器、滑块或转换器)。

以类似的方式，具有相同基本机械结构的自由活塞式斯特林机器可作为用于通过施加热源来驱动其他负载(包括线性交流发电机)的原动机来操作，或者其可通过由包括线性电机的原动机来驱动而作为冷却器或热泵来操作。自由活塞式起步机具有往复式活塞和往复式移位器。活塞可由原动机驱动以操作为冷却器/热泵或活塞可连接至机械负载并且斯特林机器作为电机操作，在本文件中，术语“联接机器”用于指驱动负载的线性电机(诸如斯特林冷却器)，并且指由原动机驱动的线性交流发电机(诸如斯特林发动机)。本发明可应用于现有技术中已知的各种联接机器，但被驱动斯特林冷却器的线性电机作为实例进行描述。

线性电机或交流发电机的往复运动的振幅和斯特林机器的活塞的往复运动的振幅不受任何运动转换结构(诸如曲轴和连接杆)的限制或限制。相反，当线性电机或交流发电机的往复电枢联接至另一机器(诸如自由活塞式斯特林机器的往复式活塞)时，所有往复式部件在位移振幅的范围上“自由”往复运动，该位移振幅范围仅由联接机器中的一个往复式部件与机器中的一个静止部件的碰撞限制。