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技术方案

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。的位移振幅以防止碰撞。的位移振幅以防止碰撞。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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

技术介绍

[0001]本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。在本专利技术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。
[0002]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。
[0003]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)。
[0004]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)。本专利技术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。
[0005]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。
[0006]因为这种碰撞可能损坏或破坏这些联接机器中的任一者或两者，所以期望避免由自由活塞式联接机器的往复式部件的过度位移振幅引起的碰撞。利用联接至自由活塞式斯特林机的线性电机或交流发电机，相对容易测量发生碰撞的位移振幅。这可通过在两个方向上以低速手动滑动电枢直到感觉到或听到碰撞然后记录位移来完成。知道发生碰撞的最小位移振幅X
c
允许工程师定义最大位移振幅X
max
，其充分小于碰撞位移振幅X
c
，从而可避免碰撞。因此，期望在自由活塞式联接机器中将操作位移振幅X连续检测为与位移振幅成比例的电气数据参数。特别期望能够从电气参数检测位移振幅X，这些电气参数在已经与自由活塞式联接机器一起使用的电气端子处可方便地获得，以便不仅避免需要用于感测位移振幅的单独的附加传感器，而且避免提供特殊的附加电气连接端子。
[0007]如众所周知的，线性电机和交流发电机是通常用于驱动自由活塞式机械或从自由活塞式机械递送动力的装置。主要由驱动其的线性电机的电压确定的斯特林冷却器的活塞的振幅也受到机器消耗或传递的功率的强烈影响。因此，难以知道对于所有操作条件而言什么最大电压是可能的，因为驱动电压本身不是位移振幅的准确函数。在下文中，为了简化叙述，本专利技术将仅针对电力吸收装置进行描述，已知电力产生装置仅仅是相反的情况。
[0008]在斯特林冷却器的启动期间，当前实践经常诉诸于施加缓慢斜坡的驱动电压到线性电机的端子，以便防止线性电机驱动斯特林冷却器活塞与其机械止动件碰撞
‑
通常被称为过度冲程。在由线性电机驱动的斯特林冷却器的现有技术控制器中，稳态操作电压通常存储在查询表中并从查询表检索。该技术受到改变负载条件的影响，该负载条件改变机器的行为，因此在施加全功率之前，斜坡时间可能不足以使机器达到所需的条件。进一步的困难是由于磨损或气体泄漏而改变机器特性将导致不正确的电压参数。当然，在任何方案中，有可能简单地在该设计中包括用于这些活塞运动的足够的缓冲区或缓冲间隙以避免碰撞的可能性。但是这种方法导致死区或未使用的容量，因为功率取决于活塞振幅的平方。在诸如深温冷冻机的应用中，重要的是在开门之后获得最快的初始冷却和恢复，以便限制高价值冷冻机内容物暴露于延长的温度波动。这仅能够通过以其最大容量操作自由活塞式冷却机来实现，该最大容量也是最大可允许的活塞振幅。因此，期望使斯特林冷却器的活塞的位移振幅尽可能快地达到最大可能的振幅，而不引起任何碰撞。
[0009]R.W.Redlich在美国专利5,342,176中描述了一种通过提供通过离散部件或数字的模拟等效物(即本质上为自由活塞式装置的模拟)来获得活塞振幅的方法。Redlich的方法确实在所谓的重构方法中提供了活塞振幅。然而，其需要模拟或数字积分来求解所描述的等式，在这种情况下是往复式活塞的速度。虽然Redlich仅需要两个输入(瞬时电压和电流)，但是积分方法需要大量的计算功率和时间并且受到数字不准确性的影响。
[0010]为了有效地控制由线性电机驱动的自由活塞式机器，重要的是知道在任何负载或机器条件下用于最大活塞振幅的电压，从而使得在活塞不超过其最大振幅X
max
的情况下可以获得最大功率点。因此，可期望的是，本专利技术的目的和特征对于任何变化的负载或变化的机器条件能够连续检测联接机器的往复部件的位移振幅X，诸如驱动自由活塞式斯特林冷却器的线性电机的活塞和电枢。

技术实现思路

[0011]本专利技术包括一种用于在任何运行条件下检测与负载或原动机驱动地联接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。该方法和装置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)在线性电机端子两端测量的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于检测交流电流、线性电机或线性交流发电机的往复式电枢的位移振幅X的方法，所述交流电流、线性电机或线性交流发电机用于控制所述电枢的往复运动，所述电机或交流发电机具有定子，所述定子包括线圈，所述线圈具有一对线圈端子并且绕具有气隙的铁磁芯缠绕，所述电机或交流发电机还具有磁体，所述磁体固定至所述电枢并且被定位成用于往复式穿过所述气隙，所述电机或交流发电机还具有电机常数α，表示所述线圈中的电阻性损耗的等效电阻R
dc
，表示所述电机或交流发电机的周围结构中感应损耗的等效电阻ΔR
external
，以及表示由于涡电流和迟滞引起的损耗的等效电阻R
s
，所述涡电流和迟滞由在线圈开路情况下的所述磁体运动引起，其中，所述方法包括：(a)感测所述线圈端子处的交流电压V
appl
的振幅；(b)感测通过所述线圈端子的交流电流I的振幅；(c)感测所述电压与所述电流之间的相位角Φ
pf
；(d)根据以下等式计算I
m
(e)根据以下等式计算(V
ind
)
I
(V
ind
)
I
＝V
appl
cosΦ
pf
‑
(R
dc
+ΔR
external
)I
m
(f)根据以下等式计算(V
ind
)
L
(V
ind
)
L
＝V
appl
sinΦ
pf
‑
LωI
m
(g)根据以下等式计算位移振幅X其中，ω是V
appl
的弧频。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：(a)确定电机或交流发电机电枢位移振幅X
c
，在该位移振幅下，所述电枢或固定到所述电枢上的结构与静止结构碰撞；(b)选择并存储小于X
c
的电机或交流发电机电枢位移振幅X
max
；(b)重复执行位移振幅X的所述计算；以及(c)限制所述电机或交流发电机的位移振幅以维持位移振幅X≤X
max
。3.一种用于检测交流电流、线性电机或线性交流发电机的往复式电枢的位移振幅X的方法，所述交流电流、线性电机或线性交流发电机用于控制所述电枢的往复运动，所述电机或交流发电机具有定子，所述定子包括线圈，所述线圈具有一对线圈端子并且绕具有气隙的铁磁芯缠绕，该电机或交流发电机还具有多个磁体，所述磁体被固定至所述电枢并且被定位成用于往复式穿过所述气隙，所述电机或交流发电机还具有电机常数α、表示所述线圈中的电阻性振动以及由于涡电流和迟滞引起的损耗的等效电阻R
ac
以及表示所述电机或交流发电机的周围结构中引起的损耗的等效电阻ΔR
external
，所述涡电流和迟滞由在线圈开路情况下的所述磁体运动引起，其中，所述方法包括：(a)感测所述线圈端子处的交流电压的振幅V
appl
；(b)感测通过所述线圈端子的交流电I的振幅；
(c)感测所述电压与所述电流之间的相位角Φ
pf
；(d)根据以下等式计算(V
ind
)
I
(V
ind
)
I
＝V
appl
cosΦ
pf
‑
(R
ac
+ΔR
external
)I(e)根据以下等式计算(V
ind
)
L
(V
ind
)
L
＝V
appl
sinΦ
pf
‑
LωI(f)根据以下等式计算位移振幅X其中，ω是V
appl
的弧频。4.根据权利要求3所述的方法，还包括：(a)确定电机或交流发电机电枢位移振幅X
c
，在该位移振幅下，所述电枢或固定到所述电枢上的结构与静止结构碰撞；(b)选择并存储小于X
c
的电机或交流发电机电枢位移振幅X
max
；(b)重复执行位移振...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维，
申请(专利权)人：全球制冷有限公司，
类型：发明
国别省市：