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I motori ad aria calda, a bassi rendimenti, furono costruiti prima dell'invenzione di Stirling, e quindi a rigore non possono essere definiti "motori Stirling"; il criterio innovatore di invenzione di Stirling del 1816, che ha reso possibile un utilizzo ragionevole del motore ad aria calda, è il rigeneratore.

Nel flusso alternato tra punto caldo e punto freddo è interposto un accumulatore di calore, così da limitare la cortocircuitazione diretta di calore nel punto freddo, dove il calore è sottratto dalla refrigerazione. L'accumulatore di calore è il rigeneratore e ad ogni ciclo sottrae e rende calore al fluido di lavoro rispettivamente nelle fasi di compressione ed espansione.

Il rigeneratore è costituito da una piccola massa di materiale, buona conduttrice di calore e buona capacità termica, con un'elevata superficie di scambio, così che possa, al flusso del gas caldo verso il refrigeratore, catturare parte significativa del calore, ed in virtù della piccola massa aumentare rapidamente di temperatura. Quando il gas refrigerato di ritorno riattraversa il rigeneratore, questo cede il calore accumulato al gas, ed abbassa in ugual modo la sua temperatura; il gas ritorna così al punto caldo già preriscaldato: il motore, riducendo il calore sottratto dalla refrigerazione, ha un rendimento drasticamente superiore.

In motori di maggiore tecnologia i rigeneratori sono costituiti da lamine sottili, lane metalliche o "garze" metalliche impilate costituite da fili molto sottili, i materiali usati sono di norma metalli (oltre che con alta densità e conducenti termicamente) inossidabili e resistenti al calore: acciaio inossidabile, nickel o sue leghe.