专利名称：用于发电或驱动的直线电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于发电或驱动的直线电机。
背景技术：
无噪音且有效的发电在多种应用中可能是重要的。举例来说，具有与人非常接近的发电系统的船只和其它空间需要有安静的操作。因此，涡轮、内燃机和其它功率来源往往由于噪音太大不能在这样的应用中使用。然而，自由活塞斯特林发动机操作相当地安静，并且已被用来驱动也称为直线交流发电机的直线电机产生电力。(本文使用的术语“交流发电机”一般是指任何类型的发电装置，无论产生交流电、直流电还是其他形式的电力。除了有内置式整流器提供12伏特直流输出的汽车“交流发电机”之外，术语“交流发电机”将被理解为产生AC(交流电)功率的电机)。这些发电系统借助能有效地在驱动交流发电机的自由活塞斯特林发动机(FPSE)的活塞运动范围之内操作的直线交流发电机通常是最适合的。
发明内容
按照本发明的一个方面，提供适合用于发电的直线电机。在一个实施方案中，直线电机可能是用自由活塞斯特林发动机或其它直线原动机驱动而产生电力的。
按照本发明的另一方面，提供适合作为直线电动机使用的直线电机。
按照本发明的另一方面，直线电机包括适合运送电流的线圈和至少部份地安排在线圈周围为磁通量提供与所述线圈链接的磁阻比较低的路径的铁芯，所述铁芯有中心孔。有纵轴的活动部件适合沿着所述纵轴在所述中心孔中直线往复运动。该活动部件只有沿着所述纵轴安排的第一、第二和第三磁体。第一磁体毗邻第二磁体，第二磁体毗邻第三磁体。第一、第二和第三磁体有各自不同的磁性取向。在一个实施方案中，第一、第二和第三磁体可能是空心的，例如，有环形或多边形的横截面形状。
按照本发明的另一方面，直线电机包括适合运送电流的线圈和至少部份地安排在线圈周围为磁通量提供与线圈链接的磁阻比较低的路径的铁芯。所述铁芯呈有中心孔的环形形状。活动部件有纵轴适合沿着所述纵轴在所述中心孔中直线往复运动。所述活动部件有三个沿着纵轴安排的彼此相邻的磁体。所述磁体有各自不同的磁性取向，以致毗邻磁体的磁性取向彼此相差在90度之内。软磁材料被放置在磁体之内为所述磁体产生的磁场驱动的通量提供与所述线圈链接的路径。
按照本发明的另一方面，直线电机包括适合运送电流的线圈和相对于线圈安排的为毗邻所述线圈的磁通量提供路径的铁芯。第一、第二和第三磁体是沿着所述纵轴安排的，以便与所述铁芯中的磁通量相互作用。第一磁体毗邻第二磁体，第二磁体毗邻第三磁体。第一、第二和第三磁体有各自不同的磁性取向，以致磁体之一有垂直于纵轴取向的北极，而另外两个磁体有平行于纵轴取向的北极。有垂直于所述纵轴磁性取向的磁体全都是这样取向的，以致所有这样的磁体的北极要么径向向内要么径向向外，而且至少所述磁体和所述线圈之一是为了相对于另外一个沿着平行于所述纵轴的直线方向移动而安排的。
按照本发明的另一方面，直线电机包括适合运送电流的线圈和相对于线圈安排的为磁通量提供与所述线圈链接的路径的铁芯。第一、第二和第三磁体是沿着纵轴安排的，以便与在所述铁芯中与所述线圈链接的磁通量相互作用。第一磁体毗邻第二磁体，第二磁体毗邻第三磁体。第一、第二和第三磁体有各自不同的磁性取向，以致磁体之一有垂直于所述纵轴取向的北极，而另外两个磁体有平行于所述纵轴取向的北极。至少所述磁体和所述铁芯-线圈单元之一是为沿着平行于所述纵轴的直线方向相对于对方移动安排的，而且第一、第二和第三磁体每个都有沿着纵向方向大于所述磁体和所述铁芯-线圈单元沿着所述纵轴相对运动的最大量的一半的长度。
按照本发明的另一方面，直线电机包括适合运送电流的线圈和相对于所述线圈安排的为磁通量提供与所述线圈链接的路径的铁芯，所述铁芯有缝隙。第一、第二和第三磁体是沿着纵轴安排的，以便与在铁芯中与所述线圈链接的磁通量相互作用。第一磁体毗邻第二磁体，第二磁体毗邻第三磁体。第一、第二和第三磁体之一有磁性取向，以致该磁体的北极是平行于纵轴取向的。第四磁体被放置在所述铁芯的缝隙中，而且至少第一、第二和第三磁体和线圈之一是为沿着平行于所述纵轴的直线方向相对于另外一个移动而安排的。第四磁体的磁性取向是为驱策第一、第二和第三磁体之一对准所述铁芯而安排的。
按照本发明的另一方面，直线电机包括适合运送电流的线圈和至少部份地安排在线圈周围为磁通量提供路径的铁芯。所述铁芯呈有中心孔环形形状并且是由粉末状软磁材料制成的。有纵轴的活动部件适合沿着所述纵轴在所述中心孔中直线往复运动而且有沿着所述纵轴安排的磁体。
本发明的这些和其它方面从下面的描述将变得明显和/或显而易见。
这些附图不倾向于按比例绘制。在这些附图中，用各种不同的视图举例说明的每个同一的或几乎同一的零部件成份是用相似的数字表示的。为了清楚，并非每个零部件在每幅附图中都被标注出来。在这些附图中图1是依照本发明与说明性的功率来源耦合的直线电机的示意图；图2是在图1所示直线电机的剖视图；图3展示在一个说明性的实施方案中可仿效的磁力线；图4是由两部份组成的铁芯的示意图；图5是有在另一个说明性的实施方案中形成铁芯的叠层结构包阵列的铁芯示意图；图6展示有三个环形磁体安装在背衬铁部件上的活动部件；图7展示有由磁体片段形成的环形磁体的活动部件；图8展示依照本发明的另一种直线电机的示意图；图9是在图8所示直线电机的剖视图。
具体实施例方式
本发明的各个方面不局限于在下面的描述或说明性的实施方案中陈述的零部件的构造和安排的细节。换句话说，本发明的各个方面能够以各种不同的方式被实践或实现。举例来说，下文描述的各种不同的说明性的实施方案是结合发电机进行的。然而，本发明的各个方面可以用于直线电动机(例如，能响应装置提供的电信号输出直线机械运动的装置)。另外，在此使用的措辞和术语是为了描述，不应该被看作是限制。“包括”、“包含”、或“有”、“包含”、“包括”及其变化的使用在此意味着囊括其后列出的项目及其同等物以及附加项目。
按照本发明的一个方面，直线电机包括沿着纵轴在镶嵌在铁磁性电枢铁芯中的电枢线圈的中心孔中移动的活动的永久磁体“场”部件，这些电枢零部件组成电枢单元。铁芯为磁通量提供磁阻比较低的路径，因此增强由场部件产生的线圈磁链。当直线电机充当交流发电机的时候，电力是由于由自由活塞斯特林发动机或其它原动机提供的场部件运动产生的，这种运动导致电枢线圈电压与用永久磁体强化的线圈磁链的瞬时变化速率成比例。电力是在所述感应电压驱动电流通过电力负载之时产生的。线圈电流强化的磁通量和场部件相互作用产生必须靠自由活塞斯特林发动机或其它原动机克服的反作用力。瞬时机械输入功率是用反推力和场部件直线速度两者的瞬时值的乘积给出的。
当直线电机充当电动机的时候，机械功率是由于被场部件和受它驱动产生的机械负载的运动强化的推力产生的。被场部件强化的推力与被永久磁体和受电力来源驱动的线圈电流强化的线圈磁链的空间变化速率成比例。在线圈中通过场部件移动感应的电压必须被电力来源克服，以便它可以驱动线圈电流。瞬时的输入电功率是由线圈接线端电压和线圈电流两者的瞬时值的乘积给出的。
按照本发明的一个方面，活动部件可以包括三个有各不相同的磁性取向的磁体。举例来说，第一磁体可以有沿着平行于纵轴的第一方向取向的北极，第二磁体可以有沿着垂直于纵轴的第二方向取向的北极，而第三磁体可以有沿着平行于纵轴但不同于第一方向的第三方向取向的北极。这样的安排可以准备由活动部件产生的集中的磁通量，所述磁通量使在线圈中产生的电力最大，同时使杂散磁场和传递磁通量所需要的铁磁性磁路材料(也被称为“背衬铁”)最少。
这样的安排也可以有效地将施加在活动的场部件上的残留横向失衡力(促使活动部件偏离沿着纵轴的特定路径的力)减到最少。残留横向失衡力可能是由于活动场部件相对于铁芯的中心孔机械偏心引起的，致使在移动的磁体部件和铁芯之间的横向吸引力由于这些部件之间的气隙磁阻的不一致造成在它的圆周周围不相同。直线电机依照本发明的一个方面使用径向厚度尺寸大于推力和功率等级相当的现有技术电机的磁体。当磁体材料的导磁率非常低(几乎与自由空间相同)的时候，在移动磁场部件和铁芯的中心孔之间的有效气隙比单独的机械空隙大得多。这个有效气隙的磁路磁阻可以用来减少施加在移动磁场部件上的横向吸引的径向力，并因此减少任何由于机械偏心造成的残留失衡力。这种抑制失衡径向力的方法被本发明的一些实施方案发挥到超过现有技术的线性电机的程度，所述现有技术的直线电机使用较薄的磁体零部件和较厚的背衬铁部件，其配置通常提供较小的气隙磁阻。
按照本发明的另一方面，活动部件可以包括软磁(可磁化)材料的背衬铁部件，该部件为被磁体在活动部件中产生的磁场驱动的磁通量提供路径。软磁材料可以用来更好地集中磁通量和避免杂散磁场，借此提高装置的效率。
按照本发明的另一方面，在活动部件上提供的三个磁体可以有彼此完全不同的磁性取向并被安排以致毗邻磁体的磁性取向彼此相差在90度之内。这些磁体可以是做成一块的环形磁体，或可以是用磁体组件制成的环形磁体。
按照本发明的另一方面，在活动部件中提供的三个磁体可以有安排的磁性取向，以致所有北极沿着垂直于纵轴的方向取向的磁体都有径向向内排列的北极。
图1展示把本发明的各个方面合并的直线电机10。在这个说明性的实施方案中，当活动部件2借助功率来源20相对于镶嵌在铁芯1中的线圈3移动的时候，直线电机10起发电的作用。功率来源20可以是引起活动部件2移动的任何适当的装置，诸如自由活塞斯特林发动机，或其它线性运动原动机。当然，该功率来源20可以用由直线电机10驱动的另一个装置代替，例如，当直线电机10充当直线电动机的时候。举例来说，驱动电信号可以提供给镶嵌在铁芯1中的线圈3，以致产生变化的磁场，从而引起活动部件2相对于铁芯1往复运动。这种运动可以完成诸如驱动压缩机之类的工作。简而言之，直线电机10可以作为交流发电机或作为电动机操作。
直线电机10可以与电负载相连，该电负载在一个例证中可以是在活动部件2相对于铁芯1移动时接受线圈3驱动的电流的适当的电子电路系统30。如同将会被理解的那样，这样的电子电路系统可以包括任何适当的把该电机提供的交流电功率转换成任何适当形式的电功率，例如，AC、DC或其它的电流形式。再一次充当交流发电机时，该电机也可以与直接与交流电压的频率和振幅兼容的负载连接，它强化而且不需要分开的电子功率转换装置。作为替代，充当交流发电机的电机也可以与诸如公用输电网之类容量非常大的电力系统连接而且将为所述系统供电。
如果直线电机10充当直线电动机，那么电子电路系统30可以包括适合控制直线电动机操作的控制电路系统或诸如开关、继电器、机械联动之类的其它的零部件。这样的电路系统和其它的零部件在技术上是众所周知的，而且附加的细节在此不提供。作为替代，首先倘若电动机在电力系统频率下的振荡对于应用是可接受的，其次线圈是为提供递增地低于系统电压的反电动势以致从系统吸收的电流是强化额定的机械推力所需要的电流而设计的，则该电机可以借助与诸如公用输电网之类非电子功率来源的连接作为电动机操作。
图2展示直线电机10沿着图1中的线2-2截取的剖视图。在这个说明性的实施方案中，虽然铁芯1可以采用任何其它的适当形状，铁芯1呈现有其中放置活动磁场部件2的中心孔15的近似环形或螺旋管形的形状。铁芯1为可能在至少部份地放置在铁芯1中的线圈3周围形成的磁通量提供比磁阻较低的路径。当磁通量在铁芯1中改变的时候(例如，当活动部件2移动的时候)，在线圈3中将会有感应电压，该电压能用来驱动电流通过与线圈接线端(未展示)连接的外部电负载。线圈3可以包括多匝诸如铜线之类允许感应电流流过的传导线。作为替代，线圈3中的电流可以在铁芯1中产生沿着纵轴31驱动活动部件2的变化的磁通量。
图2举例说明的本发明的一个方面是活动部件2包括三个磁性取向各不相同的磁体21、22和23。在这个说明性的实施方案中，三个磁体21、22和23是永久磁体，是空心的，而且有环形形状，虽然这些磁体可以有任何适当的多边形横截面形状。第一磁体21有沿着平行于纵轴31的第一方向取向的北极。第二磁体22有沿着垂直于纵轴的第二方向取向的北极(在这个案例中，北极是径向向外取向的)。第三磁体23有沿着平行于纵轴31与第一方向相反的第三方向取向的北极。这种安排有效地使用磁体所产生的磁场，以致在铁芯1的附近形成集中的通量而且对于比较少量的磁体材料能在铁芯1中感应出比较高的通量。具体地说，这种磁体安排在最接近铁芯1一侧产生集中的磁通量，而在与铁芯1相对的一侧(例如，在活动部件2里面)产生最小的通量。就这些磁体而言，其它的取向是可能的，例如，有朝向第二磁体但与纵轴31成某种角度取向的第一和第三磁体21和23。类似地，第二磁体22的北极不需要严格地垂直于纵轴31，可能相对于纵轴31形成某种其它适当的角度。第二磁体22也可以由两个或多个磁体组成，例如，两个毗邻的环形磁体，每个磁体都有横穿纵轴31的磁性取向并且合起来作为有垂直于轴31(或以别的方式适当地取向的)的磁性取向的单一磁体操作。
图3展示一组可仿效磁通线，它们可以在活动部件2沿着纵轴移动时产生。人们应该理解，图3所示的场力线不是一组完整的场力线，而是仅仅展示选定的场力线以便帮助简化对活动部件2中的磁体21、22和23的操作的解释。人们还应该理解，在图3中，假定线圈电流正在从所指出的横截面里面流出来。在这个例子中，当活动部件2沿着纵轴31向右移动的时候，磁体21、22和23产生的大部分磁通量从第二磁体22流出，越过活动部件2和铁芯1之间的缝隙，进入铁芯1而且通常沿着反时针方向在铁芯1周围流动。线圈电流产生的铁芯通量(也被称为“电枢反作用力”)从铁芯左面判断增加励磁磁体部件造成的铁芯通量成份，同时在其它面减少它，因此导致图3所描绘的铁芯通量的不对称分布。在绕过铁芯1之后，场力线再一次越过铁芯1和活动部件2之间的缝隙并且进入第一磁体21。如同人们将会理解的那样，活动部件2的运动改变与线圈3链接的铁芯1中的通量，借此使感应电压与可以驱动线圈3中的电流和外部电负载的磁链的瞬时变化速率成比例。举例来说，当活动部件2向左移动的时候(在图3中未展示)，按反时针方向流动的磁通量将会逐渐减少，直到通量开始按顺时针方向流动，从而产生符号与场部件向右边运动时相反的线圈磁链瞬时变化速率和感应电压。
这个基本通量逆转在许多直线交流发电机中是共同的，但是磁体21、22和23的磁性取向的这种安排被用来更好地集中通量，避免对在铁芯1中流动的通量没有贡献的杂散磁场，并因此改善直线电机的性能或使给定性能要求的构造能够变得更小、更轻和更便宜。举例来说，更集中的通量意味着只需要较少的磁体材料就能生产高效率直线电机。在一个实施方案中，径向厚的磁体结构的大的有效气隙降低磁路磁阻的可变性是由于移动励磁磁体部件相对于铁芯的残留偏心所引起的，并因此减少将倾向于促使活动部件偏离沿着纵轴31往复运动的作用在所述部件上的不需要的失衡横向力。因此，诸如轴承、导轨之类帮助励磁磁体活动部件2保持沿着预期的路径移动的装置将显现比较小的不需要的磨擦损失。作为替代，这种减少横向负荷的轴承或导轨可以允许使用自动润滑材料，因此避免润滑机制和维护的复杂性和费用。除此之外，这样的安排可以使不能适应润滑剂污染的应用能够实现，当直线电机被集成在自由活塞斯特林发动机的压力容器之内的时候就是这样。
图2举例说明的本发明的另一方面是可以在环形磁体里面提供软磁(可磁化的)材料24的背衬铁部件。虽然背衬铁或其它软磁材料24是非必选的，但是它可以为磁体产生的磁场驱动的通量提供低磁阻路径。因此，背衬铁可以通过减少杂散磁场和适当地以预期的方式引导磁通量提高直线电机的效率或功率容量。因为磁体21、22和23的排列所产生的集中磁场导致大部份磁通量指向铁芯1，背衬铁24可以运送微不足道的磁通量而且可以有有效地发挥作用的最小厚度。减少背衬铁24的重量可以减少活动部件2的质量，借此提高直线电机10和相关联的机械装置的效率或功率容量。例如，在用自由活塞斯特林发动机驱动直线电机的情况下，减少移动质量可以允许移动励磁部件的发动机传动活塞和交流发电机以较高的频率操作，因此几乎与可允许的操作频率的增加成正比地增加发动机-交流发电机系统的发电能力。背衬铁实际上也可以支撑这些磁体并把活动部件与功率来源20或其它装置连接起来。
图2举例说明的本发明的另一方面是磁体21、22和23可以有沿着纵轴31大于活动部件2的最大左或右位移的长度l。换一种说法，磁体21、22和23的长度l可以大于活动部件2的1/2总行程长度。举例来说，磁体21、22，和23可以有大约10毫米的长度1，而活动部件2可以沿着纵轴31有±8mm的最大位移。限制活动部件2的行程使之小于两倍磁体长度l，或反过来选择长度1使之大于活动部件的最大左/右位移可以改善对活动部件往复运动之时磁通量如何改变的控制，举例来说，在交流发电机应用的情况下，减少在操作位移范围内电机的瞬时感应电压/场速比的变化。因此，直线线性电机可以为了与设计参数组相一致的操作而制造。
图2举例说明的本发明的另一方面是磁体是与活动部件分开提供的，以驱策活动部件使磁体适当地对准线圈-铁芯组件。在这个说明性的实施方案中，铁芯1包括位于铁芯1的缝隙11之中的弹簧磁体12。弹簧磁体12可以提供像弹簧一样的力驱策活动部件2近似地移动到图2所示位置。换句话说，弹簧磁体12具有取向的磁场，以致如果活动部件2从图2所示的静止位置开始移动，弹簧磁体12则引起形成的力驱策被侧面磁体21和23增大的第二磁体22的磁场对准弹簧磁体12的磁场。所以，任何使活动部件2从图2所示位置向左或向右移动的力都将受到驱策弹簧磁体12的磁场和第二磁体22的磁场对准的力的抵抗。弹簧磁体12的其它安排可以用来提供活动部件2所需要的偏移，例如，把两个磁体放在铁芯1的对边靠近第一和第三磁体21和23。弹簧磁体12可以使直线电机10和相关联的驱动或被驱动装置的启动变得比较容易，因为当直线电机暂停不用的时候，活动部件可能处在已知的静止位置。举例来说，如果弹簧磁体12不出现在图2所示装置中，活动部件2将会正常地受到驱策向左或向右从铁芯1的中心孔15向外移动。当弹簧磁体12在适当位置的时候，活动部件2有图2所示的静止位置。
弹簧磁体12也能起到把正弹簧刚度提供给直线电机10的作用，所以从静止位置开始移动活动部件2所需要的力随着位移逐渐增加而增加。在这个实施方案中如果没有弹簧磁体12，该装置将会在活动部件的大部份行程上有负的弹簧刚度，这在一些应用中可能是符合需要的，但是当直线电机10被用于发电的时候通常是不符合需要的。弹簧磁体12的横截面尺寸和磁性材料性质都能被调整，以便在活动部件2的操作位移范围内实现名义上恒定不变的弹簧刚度，而在中心位置附近非必选地增加该刚度。这个特征在发电应用中可能是符合需要的，例如，在移动磁场部件被自由活塞斯特林发动机的活塞驱动的时候。在这里，磁性弹簧刚度与靠压缩空气推动的零部件合作为实现电机和原动机系统所需要的机械共振操作与移动部件(电机和原动机)的总质量一起起作用。此外，借助弹簧磁体12的横截面尺寸和磁性材料性质的调整在零位移邻近被非必选地增大的正的磁性弹簧刚度提供保证平均活塞位置不离开预期的固定位置随意移动的方法。
弹簧磁体12也可以在系统暂时不用的时候起移动一部分功率来源20(以及活动部件2)的作用。举例来说，如果功率来源20包括自由活塞斯特林发动机，则弹簧磁体12的力可以使斯特林发动机的活塞移动到已知允许斯特林发动机更容易启动的中心位置。在这点上，直线电机10可以暂时被加到线圈3上的电流驱动，所以直线电机在启动期间充当直线电动机移动斯特林发动机的活塞。
图4展示在一个说明性的实施方案中铁芯1的透视图。按照本发明的一个方面，铁芯1可以按照一分为二为两个相等部分13和14的安排制作。这样，在预先缠绕在拼合式绕线筒上再借助涂在金属线上的粘接涂层的化学或热融合或通过用诸如电器绝缘级清漆或环氧树脂之类的粘接剂浸渍被机械地稳定之后，线圈3可以被插进两个相等部分13和14之间的空腔(在拆除拼合式绕线筒后)。。然后，两个相等部分13和14可以按照蚌壳型排列组装成至少部份地被铁芯材料包围的线圈。可以有环形形状的弹簧磁体12也可以被插在铁芯的两个相等部分13和14之间在中心孔15附近的间隙11之中。铁芯可以在内部的或外部的轮缘拥有导引细节以保证它们的同心。作为最后的组装步骤，可以注入密封剂以填充在线圈匝间的空隙和线圈与铁芯空腔的之间的空隙。填补这些空隙的密封剂也可以用来使线圈对铁芯并依次对安装铁芯的壳体的散热变得容易。密封剂还可以用来永久地保护线圈、非必选的弹簧磁体和铁芯两个相等部分。
按照本发明的另一方面，铁芯1可以用带涂层的软磁性的铁磁性粉状金属材料来制作，该粉末金属材料按照铁芯的最后形状或接近最后形状被压制并粘接在一起。虽然特定类型的材料可以改变，但是，在一个实施方案中，粉状金属材料包括软磁材料的小颗粒，每个颗粒都被一层诸如绝缘塑料之类的电绝缘材料包围。这些颗粒可以被结合在一起，其方法是先把这些颗粒制成预期的形状，然后通过加热和压制这些颗粒使毗邻颗粒上的绝缘层粘接在一起。由此产生的结构有对于这种应用有利的磁性性质(即，磁导率高、饱和通量密度高和磁滞损失低)，而且对通过该结构流动的涡流和由这样的电流流动最后造成的损失是非常有抵抗力的。这样的粉末金属成形技术是在，举例来说，美国专利第6,342,108号中描述的。一种说明性的粉末材料是Quebec MetalPowders制造的Atomet EM-1铁磁性复合粉末。
铁芯1不局限于借助粉状金属技术成形，而可以改为借助其它方法成形。举例来说，图5展示在一个说明性的实施方案中有按照环形圈形状安排的矩形或准矩形的叠层结构包16的铁芯1。这些叠层结构包16可以有与图2所示的铁芯1的横截面相似的横截面。用来形成磁性铁芯的叠层结构包16在技术上是众所周知的，而且通常有与毗邻层之间的绝缘材料叠在一起的薄层软磁(容易磁化的)材料，因而层间的涡流流动受到抵抗。图5也展示在中心孔15周围经过叠层结构包16延伸的线圈3。各个包可以模仿先前参照图4描述的铁芯被分为两个部分，以使装配预先绕制的线圈变得容易。在这个实施方案中，线圈3仅仅部份地被足够的铁芯材料包围，因为在径向铁芯分支中的通量密度名义上是均匀的而且在这些分支的外部区域不大于在最里面的点。然而，按照某种楔子形状类型形成每个叠层结构包16是可能的，因而线圈3被更完全地包围，这可能有利于提供比较强健的铁芯结构，虽然形成厚度逐渐变小的叠层结构所需要的费用实质上比较大。除此之外，各个叠层结构包16在中心孔15附近的表面可以是弯曲的或别的形状以便与活动部件2的磁体一起精密地适应和维持均匀的缝隙。举例来说，如果活动部件中的磁体如图1所示是环形的，那么叠层结构包16的内表面可以弯曲的以形成圆形的中心孔15。如果磁体有另一种形状，例如，八边形横截面，那么叠层结构包16的内表面可以有如图5所示的八边形形状。在这种情况下，可以提供抑制移动磁场部件旋转的花键或其它机械装置。
图6展示在一个说明性的实施方案中活动部件4的透视图。在这个实施方案中，磁体21、22和23有环形形状并且被安装在背衬铁部件24(例如，软磁材料套管)上。磁体21、22和23可以以任何的适当方法(例如，借助粘接剂或其它紧固连接或紧配合)固定到背衬铁套管24上，但是不借助非磁性轴环施加的压缩力被固定和保持在该套管上，所述非磁性轴环之一可以在一端被紧固连接(例如，铜焊)到该套管上，而其它的非磁性轴环借助与该套管的螺钉螺纹连接在另一端保持在适当的位置。名义上轴向磁化的磁体21和23可以是用任何适当的材料和工艺制成的，以形成这种磁化取向的永久磁环，例如，烧结的钕铁硼材料Hitachi grade HS-34DV。径向磁化的中心磁体22和弹簧磁体12可以是用任何适当的材料和工艺制成的，以形成这种磁化取向的永久磁环，例如，烧结的钕铁硼材料Hitachi grade HS33DR。作为替代，可以使用成本比较低、性能比较低、粘合而成的钕铁硼磁环。
除此之外，磁体21、22和23不局限于图6所示的环形安排。举例来说，图7展示另一个说明性的实施方案，其中磁体21、22和23是用安排在背衬铁套管24上的磁体片段组装而成的。这些磁体片段可以以任何适当的方式结合在一起，例如，借助粘接剂、在这些磁体片段外表面周围的环形捆扎带，等等。如同前面的讨论，其它的磁体安排也是可能的，其中磁体呈现不同于图5和6所示的圆形形状的横截面形状。举例来说，磁体可以为了形成三角形、正方形、六角形或任何其它适当的多边形形状而成形。在这种情况下，铁芯1通常将会有至少精密地顺应一部分磁体形状的形状，而且可以提供抑制移动磁场部件围绕纵轴旋转的机械装置。虽然在这些实施方案中，磁体21、22和23是空心的，即，有在磁体中形成的某种空隙，但是磁体可以被做成实心的。然而，实心的磁体并非是提供适当的操作特性所必需的。
虽然在前面描述了活动部件携带磁体相对于铁芯-线圈组件移动的各种不同的实施方案，但是铁芯-线圈组件相对于磁体移动也是可能的。此外，铁芯-线圈组件可以在与图1所示的安排相反的安排中被放置在磁体之内。举例来说，图8展示的直线电机10具有沿着纵轴31放置在环形磁体阵列内部的铁芯-线圈组件1。图9展示在图8中沿着线9-9截取的装置10的剖视图。这个说明性的实施方案的操作类似图1和2所示实施方案的操作，但是图8和9中的环形磁体21、22和23在铁芯1和线圈3的外面。因此，当磁体21、22和23沿着纵轴31相对于铁芯1和线圈3移动的时候，电流可以在线圈3中感生(或线圈3中的电流可以引起活动部件2移动)。图8和9的同样配置也可以被这样安排，以致铁芯1和线圈3沿着纵轴31相对于磁体21、22和23移动。
在另一个实施方案中，两个或多个直线电机可以被串联或并联地结合在一起以增加因此产生的组合的总功率容量。因此，单一活动部件可以包括两组或多组三个磁体，每组磁体都有图2所示的排列。每组磁体都可以与对应的铁芯-线圈电枢组件合作产生电功率或被线圈和铁芯所产生的磁通量驱动。
虽然本发明的各个方面不局限于所述的任何特定实施方案，但是已被发现与斯特林发动机功率来源一起使用时特别有效的一个实施方案有类似于图1和2的配置。在这个实施方案中，铁芯1有大约6cm到24cm的总直径、沿着纵轴31大约2.5cm到10cm的宽度和直径为大约2cm到8cm的中心孔15。磁体21、22和23是环形圈和有大约2cm到8cm的总直径，大约为移动磁场部件峰值位移的三分之一的长度1和大约0.6到1.0倍于长度1的径向厚度。活动部件2的左右位移可以被限制到小于磁体21、22和23的长度1，例如，0.8cm。另一种说法，活动部件2的总行程长度可以小于每个磁体21、22或23的长度1的两倍。如同前面讨论的那样，铁芯是用烧结的粉末材料制成的而且有贝壳型排列。弹簧磁体12是与铁芯1一起提供的而且是按照类似于中心磁体22的方式制作的。如同前面讨论的那样，磁体是用烧结的钕铁硼材料制成的，有至少30MGOe的能量乘积。径向磁化的磁体22和12是借助上述的从Hitachi USA得到的工艺或类似的用来提供环形的径向磁化的烧结钕铁硼材料磁体的工艺制成的。磁体21、22和23被制成整体环形圈，即，不被分割，然后安装在软磁背衬铁套管上。该装置的其它比例尺寸名义上是图2所示的那些，虽然这些附图不是依比例绘制的。
至此已描述了这项发明的至少一个实施方案的一些方面，但是人们将领会到各种不同的变更、修正和改进对于熟悉这项技术的人将很容易实现。举例来说，上述的直线电机的实施方案全是可升级的。换句话说，虽然这些附图不是精确地依比例绘制的，但是直线电机的总尺寸可以在宽广的数值范围之间(例如，铁芯有从2cm以下到50cm以上的直径)进行调整，而装置的各个零件的比例尺寸近似地保持图1和2所示的比例尺寸。然而，装置零件的比例尺寸也可以依照本发明的某些方面进行调整。这样的变更、修正和改进倾向于作为这项揭示的一部分，而且倾向于在本发明的精神和范围之内。因此，前面的描述和附图仅仅作为例子。
权利要求
1.一种直线电机，其中包括适合输送电流的线圈；至少部份地布置在线圈周围为磁通量提供磁阻比较低的路径的铁芯，所述铁芯有中心孔；以及有纵轴适合在中心孔中沿着所述纵轴直线地往复运动的活动部件，该活动部件只有沿着纵轴安排的第一、第二和第三磁体，第一磁体毗邻第二磁体，而第二磁体毗邻第三磁体，所述的第一、第二和第三磁体有各自不同的磁性取向。
2.根据权利要求1的装置，其中第一、第二和第三磁体之中没有一个有这样的磁性取向，以致所述磁体的北极是径向向内取向的。
3.根据权利要求1的装置，其中每个磁体都是空心的并且呈环形形状或多边形横截面形状。
4.根据权利要求1的装置，进一步包括布置在磁体里面的背衬铁部件。
5.根据权利要求1的装置，其中所述铁芯包括按蚌壳型排列组装在一起时把线圈容纳在里面的两半。
6.根据权利要求1的装置，进一步包括驱策第一、第二和第三磁体之一对准所述铁芯部分的弹簧磁体。
7.根据权利要求6的装置，其中所述弹簧磁体驱策第二磁体对准弹簧磁体。
8.根据权利要求1的装置，其中第一和第三磁体有平行于所述纵轴的北极，而第二环形磁体有垂直于纵轴的北极。
9.根据权利要求1的装置，其中第二磁体有径向向外取向的北极，而且第一和第三磁体每个都有向第二磁体取向的北极。
10.根据权利要求1的装置，其中第一、第二和第三磁体每个都有沿着平行于纵轴的方向大于活动部件离开中心位置的峰值位移的一半的长度。
11.一种直线电机，其中包括适合运送电流的线圈；至少部份地布置在所述线圈周围为磁通量提供磁阻比较低的路径的铁芯，所述铁芯呈现有中心孔的环形形状；适合在所述中心孔中纵轴沿着所述纵轴直线地往复运动的活动部件，所述活动部件有三个沿着纵轴安排的彼此相邻的磁体，这些磁体有各自不同的磁性取向，以致毗邻磁体的磁性取向彼此相差在90度以内；以及布置在磁体里面为磁体产生的磁场驱动的通量提供路径的软磁材料。
12.根据权利要求11的装置，其中用活动部件包住的磁体没一个有这样的磁性取向，以致该磁体的北极是径向向内取向的。
13.根据权利要求11的装置，其中每个磁体都有环形形状。
14.根据权利要求11的装置，其中所述的软磁材料包括布置在磁体里的套管。
15.根据权利要求11的装置，其中所述铁芯包括按蚌壳型排列组装在一起时把所述线圈容纳在里面的两半。
16.根据权利要求11的装置，进一步包括驱策所述三个磁体之一对准部分所述铁芯的弹簧磁体。
17.根据权利要求16的装置，其中所述弹簧磁体驱策所述磁体之一对准弹簧磁体。
18.根据权利要求11的装置，其中所述三个磁体包括毗邻第二环形磁体的第一环形磁体和毗邻第二环形磁体的第三环形磁体，第一和第三环形磁体有平行于纵轴的北极，而第二环形磁体有垂直于纵轴的北极。
19.根据权利要求18的装置，其中所述的第二环形磁体有径向向外取向的北极，而第一和第三环形磁体每个都有向第二环形磁体取向的北极。
20.根据权利要求11的装置，其中所述的三个磁体每个都有沿着平行于纵轴的方向大于活动部件离开中心位置的峰值位移的一半的长度。
21.一种直线电机，其中包括适合运送电流线圈；相对于所述线圈布置的为毗邻所述线圈的磁通量提供路径的铁芯；以及沿着纵轴安排的在与所述线圈结合的铁芯中与磁通量相互作用的第一、第二和第三磁体，第一磁体毗邻第二磁体而第二磁体毗邻第三磁体，所述的第一、第二和第三磁体有各自不同的磁性取向，以致所述磁体之一有近似地垂直于所述纵轴取向的北极，而另外两个磁体有近似地平行于所述纵轴取向的北极；其中有近似地垂直于所述纵轴的磁性取向的磁体全部是这样取向的，以致所有这样的磁体的北极要么是径向向内的要么是径向向外的，而且至少所述磁体和所述线圈之一是为沿着平行于所述纵轴的直线方向相对于对方移动而安排的。
22.根据权利要求21的装置，其中用活动部件包住的磁体没有一个有这样的磁性取向，以致该磁体的北极是径向向内取向的。
23.根据权利要求21的装置，其中每个磁体都呈环形形状。
24.根据权利要求21的装置，其中所述磁体都是环形磁体，而且软磁材料被布置在所述磁体之内或之外。
25.根据权利要求21的装置，其中所述铁芯包括按蚌壳型排列装配在一起时把所述线圈容纳在里面的两半。
26.根据权利要求21的装置，进一步包括驱策三个磁体之一对准所述铁芯部分的弹簧磁体。
27.根据权利要求26的装置，其中所述弹簧磁体驱策所述磁体之一对准该弹簧磁体。
28.根据权利要求21的装置，其中所述磁体包括毗邻第二环形磁体的第一环形磁体和毗邻第二环形磁体的第三环形磁体，第一和第三环形磁体有平行于纵轴的北极，而第二环形磁体有垂直于纵轴的北极。
29.根据权利要求28的装置，其中第二环形磁体有径向向外取向的北极，而第一和第三环形磁体每个都有向第二环形磁体取向的北极。
30.根据权利要求21的装置，其中所述的每个磁体都有沿着平行于所述纵轴的方向大于在所述磁体和所述线圈之间沿着所述纵轴相对运动的一半最大量的长度。
31.一种直线电机，其中包括适合运送电流的线圈；相对于所述线圈布置的为毗邻所述线圈的磁通量提供路径的铁芯；以及沿着纵轴安排的在与所述线圈结合的铁芯中与所述磁通量相互作用的第一、第二和第三磁体，所述的第一磁体毗邻第二磁体，而第二磁体毗邻第三磁体，第一、第二和第三磁体有各自不同的磁性取向；其中至少所述磁体和所述线圈之一是为沿着平行于所述纵轴的直线方向相对于对方移动而安排的，而且第一，第二和第三磁体每个有沿着纵向方向大于所述磁体和线圈沿着所述纵轴相对运动的一半最大量的长度。
32.根据权利要求31的装置，其中用活动部件包住的磁体没有一个有这样的磁性取向，以致该磁体的北极是沿着远离铁芯的方向取向的。
33.根据权利要求31的装置，其中所述的每个磁体都包含为数众多的按环形配置排列的独立的磁体片段。
34.根据权利要求31的装置，其中所述的磁体是环形磁体，而且软磁材料被布置在所述磁体之内或之外。
35.根据权利要求31的装置，其中所述铁芯包括按蚌壳型排列装配在一起时把所述线圈容纳在里面的两半。
36.根据权利要求31的装置，进一步包括驱策三个磁体之一对准所述铁芯部分的弹簧磁体。
37.根据权利要求36的装置，其中所述弹簧磁体驱策所述磁体之一对准该弹簧磁体。
38.根据权利要求31的装置，其中所述磁体包括毗邻第二环形磁体的第一环形磁体和毗邻第二环形磁体的第三环形磁体，第一和第三环形磁体有平行于纵轴的北极，而第二环形磁体有垂直于纵轴的北极。
39.根据权利要求38的装置，其中所述第二环形磁体有径向向外取向的北极，而第一和第三环形磁体每个都有向第二环形磁体取向的北极。
40.根据权利要求31的装置，其中所述的铁芯和线圈可在磁体的孔口里面移动。
41.一种直线电机，其中包括适合运送电流的线圈；相对于所述线圈布置的为磁通量提供与所述线圈链接的路径的铁芯，所述铁芯有缝隙；沿着纵轴安排的和与所述线圈链接的铁芯中的磁通量相互作用的第一、第二和第三磁体，第一磁体毗邻第二磁体，第二磁体毗邻第三磁体，第一、第二和第三磁体之一有这样的磁性取向，以致该磁体的北极是平行于纵轴取向的；以及放置在所述铁芯的缝隙中有某种磁性取向的第四磁体；其中至少第一、第二、第三磁体和铁芯之一被安排成沿着平行于纵轴的直线方向相对于其它部分移动，而且第四磁体的磁性取向被这样安排以驱策第一、第二和第三磁体之一对准铁芯。
42.根据权利要求41的装置，其中用活动部件包住的磁体没有一个有这样的磁性取向，以致该磁体的北极沿着远离所述铁芯的方向取向。
43.根据权利要求41的装置，其中每个磁体包括按环形配置安排的为数众多的独立磁体片段。
44.根据权利要求41的装置，其中所述磁体是环形磁体，而且软磁材料被布置在磁体之内或之外。
45.根据权利要求41的装置，其中所述铁芯包括按蚌壳型排列装配时把所述线圈容纳在里面的两半。
46.根据权利要求41的装置，其中所述弹簧磁体驱策磁体之一对准该弹簧磁体。
47.根据权利要求46的装置，其中所述弹簧磁体驱策第二磁体对准该弹簧磁体。
48.根据权利要求41的装置，其中所述磁体包括毗邻第二环形磁体的第一环形磁体和毗邻第二环形磁体的第三环形磁体，第一和第三环形磁体有平行于所述纵轴的北极，而第二环形磁体有垂直于所述纵轴的北极。
49.根据权利要求48的装置，其中第二环形磁体有径向向外取向的北极，而第一和第三环形磁体每个都有向第二环形磁体取向的北极。
50.根据权利要求49的装置，其中所述铁芯包括中心孔，而所述磁体在所述中心孔里面移动。
51.根据权利要求41的装置，其中每个磁体都有沿着平行于所述纵轴的方向大于所述磁体沿着所述纵轴离开中心位置的峰值位移的一半的长度。
52.一种直线电机，其中包括适合运送电流的线圈；至少部份地安排在所述线圈周围为磁通量提供路径的铁芯，所述铁芯呈有中心孔的环形形状而且是由粉末状软磁材料制成的；以及有纵轴而且适合沿着所述纵轴在所述中心孔中直线地往复运动的活动部件，该活动部件有沿着所述纵轴安排的磁体。
全文摘要
直线电机(10)可以作为交流发电机或电动机。可以提供三个相对于铁芯(1)移动的环形磁体(21、22、23)。这些磁体可能有不同的有磁性取向。两个磁体(21、23)可能有沿着平行于轴(31)的方向取向的北极，沿着所述轴磁体相对于所述铁芯移动。另一个磁体(22)可能有沿着垂直于所述轴的方向取向的北极。
文档编号H01F7/16GK1836363SQ200480023042
公开日2006年9月20日 申请日期2004年6月29日 优先权日2003年7月2日
发明者艾伦·切尔陶克 申请人:蒂艾克思股份有限公司