CN102400783A - 具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统 - Google Patents

Abstract

一种具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统。其包括具有吸气室及燃烧室的气缸；设置在气缸一端的电机架；固定在电机架内部的外定子；固定在电机架内部且与外定子间具有间隙的内定子；沿着外定子和内定子间形成的间隙进行直线往复运动的动子；安装在动子上的磁铁；设置在电机架的内部，用于支撑动子的往复运动，且引起动子共振运动的多个螺旋压缩弹簧；设置在气缸内部，与动子联动而进行往复运动，且压缩燃烧室内燃料与空气的活塞；设置在气缸上，用于为吸气室内部提供燃料与空气的吸气阀；连通吸气室和燃烧室的吸气流路；设置在气缸上的排气口。采用上述方式使得自由活塞线性发电机容易在共振状态下工作，可提高发电效率和输出功率。

Description

具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统

技术领域

本发明涉及一种具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，特别是涉及一种构成可动部位的磁铁由螺旋压缩弹簧进行弹性支撑，从而易于发生共振的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统。

背景技术

最近随着手机、笔记本电脑、电动工具等便携式电子电器产品的发展，对便携式电源的高性能及轻量化要求也迅速增长。此外，预计将来能够广泛普及的电动汽车、电动自行车，必然需要更大容量的便携式电源，因此便携式电源相关的研究开发工作已成为当前的热点。

在便携式电源方面，目前应用和研究较多的技术为利用锂电池等蓄电池的电源系统。但这种利用蓄电池方式的便携式电源具有单价高、重量重等诸多缺点。

笔记本电脑及手机使用蓄电池方式的便携式电源时，将会有连续使用时间上的限制；电动汽车及电动自行车使用蓄电池方式的便携式电源时，其连续行驶的最大距离将会受到限制。因此，需要对蓄电池进行再充电操作，但是存在再充电所需时间长等缺点。

为了改进上述缺点，正在开发中的系统有在曲轴驱动活塞方式的内燃机发动机上附着发电机的系统，且一部分这种系统在混合型电动车上正处于商品化过程中。这种情况下主要使用的有两冲程或者四冲程活塞发动机。由于采用曲轴方式，发电机的结构复杂，而且发电机效率提高困难，所以难以适应高效率及轻量化的要求。

因此，为了克服这种利用曲轴—活塞方式内燃机发电机的缺点，去掉曲轴，直接在活塞上附着线性发电机的自由活塞方式的线性发电机最近受到较多的关注。由于这样的自由活塞线性发电机结构简单，因此高效率及轻量化的可能性高，最近很多研究开发正在进行。

这样的自由活塞线性发电机系统是活塞与发电机的动子结合而构成进行线性运动的动子，该动子的重量与支撑气缸压缩空气及动子的弹簧连接构成一个质点—弹簧振动系统，当采用与此振动系统的固有频率相同的频率驱动时，易产生共振，因此将会得到最大的发电效率。

此外，动子的重量越轻、弹簧弹性越高，其共振频率越高，从而可实现高速高频的共振，能够实现发电机系统的小型化和轻量化。因此，为了实现小型轻量的线性发电机，大容量高效率且动子重量轻的线性发电机和重量轻且弹性高的弹簧是必须的。

发电机是由通过电流的线圈、具备磁力的磁铁及成为磁场通路的铁芯三个要素构成。在发电机的动子上施加动力时将会发电，而逆向的向发电机输入电流时其将成为电动机，由此产生机械动力。从而大部分发电机也可当成电动机使用。在这一点上线性发电机也相同。

此外，也有在构成发电机要素的线圈、铁芯和磁铁中没有磁铁仅由线圈和铁芯构成的线性发电机方式，但是这样的线性发电机效率低且重量大，因此在实现小型及轻量化上具有局限性。

现有线性发电机中线圈作为动子时称为动圈式发电机，由于线圈部位需要运动，需要设置给运动线圈提供电流的电触点，因此结构复杂且容易发生电触点短路问题，所以可靠性不好。同时为了制造轻便的动子，线圈需要小而轻，但是在线圈小而轻的情况下，通过大电流时线圈容易过热，结果容易烧损。因此动圈式线性发电机具有制造困难且体积大的缺点。

此外，对于与活塞一体制造的动子铁芯的上面附带磁铁方式的线性发电机来说，由于其线圈位于定子上，因此可以解决线圈的过热或者烧损的问题，但是整体结构复杂，并且由于动子是由磁铁和铁芯组合在一起而构成，因此动子的重量大，所以难以制造固有频率高且小型及轻量化的系统。

再有，大部分利用自由活塞发动机的线性发电机系统不使用单独的弹簧，仅利用气缸内部燃烧气体的爆发力产生振动，这种方式的线性发电机系统具有如下缺点。

第一，自由活塞线性发电机从静止状态启动时需要从外部电源引入电流来使动子运动，但是在静止状态下气缸内的燃烧气体压力低，此时系统的共振频率非常低，由此需要施加很大的电流才能使动子以充分的速度运动而启动，以使气缸内的气体产生燃烧。因此，存在启动电流非常大、启动装置体积大、造价昂贵等缺点。

第二，自由活塞线性发电机的使用条件不同时，气缸内燃烧气体的平均压力会持续发生变化，由此系统的固有频率也会随着使用条件的变化而产生很大的变化，因此具有难以稳定使用且控制变得复杂等缺点。

第三，仅使用气缸内燃烧气体产生的爆发力来产生振动时，难以产生较高的固有频率，由此具有小型及轻量化困难的缺点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种其上线性发电机的结构为磁铁可动型，同时利用螺旋压缩弹簧支撑磁铁，从而能够通过提高固有频率的方法来实现高效率启动的两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统。

本发明的另一个目的在于提供一种磁铁使用稀土类材料，因此能够实现小型轻量化且能够以高效率运转的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统。

本发明的再一个目的在于提供一种通过动磁式结构使自由活塞发动机启动时可以使用较小的电流，从而能够实现启动装置的低成本及轻量化的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统。

为了解决上述问题，本发明提供的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统包括一个具有吸入燃料与空气的吸气室及用于吸入的燃料与空气进行燃烧的燃烧室的气缸；设置在气缸一端的电机架；固定设置在电机架内部的外定子；固定设置在电机架内部且与外定子间具有间隙的内定子；沿着外定子和内定子之间形成的间隙进行直线往复运动的动子；安装在动子上，且在内定子与外定子之间形成磁力的磁铁；设置在电机架的内部，用于支撑动子的往复运动，且引起动子共振运动的多个螺旋压缩弹簧；设置在气缸的内部，与动子联动而进行往复运动，并且压缩燃烧室内燃料与空气的活塞；设置在气缸上，用于为吸气室内部提供燃料与空气的吸气阀；用于连通吸气室和燃烧室的吸气流路；及设置在气缸上，用于排出燃烧室内燃烧后的燃料与空气的排气口。

所述的多个螺旋压缩弹簧以动子的一端为基准相对设置。

所述的多个螺旋压缩弹簧以气缸的中心为基准等间距均匀设置。

所述的多个螺旋压缩弹簧以动子的一端为基准相互重叠设置。

所述的电机架的底面内部装有润滑油，上述润滑油在动子或者活塞的往复运动或者振动的作用下飞散，从而向滑动部位提供润滑油。

所述的润滑油通过用于连接活塞和动子的活塞杆表面上设置的润滑油供给装置提供给滑动部位。

所述的活塞的初始运动是向外定子上缠绕的线圈提供交流电流来实现。

所述的交流电流具有与螺旋压缩弹簧的共振频率相近似的频率。

所述的交流电源在由活塞运动而在气缸的燃烧室内部发生燃烧之后就不再提供。

所述的外定子及内定子为一个整体。

所述的磁铁包括沿着动子运动方向依次安装在动子上的第一磁铁及第二磁铁。

所述的第一磁铁和第二磁铁的磁性相反。

所述的第一磁铁及第二磁铁由稀土类磁性材料制成。

在动子的运动方向上，所述的第一磁铁及第二磁铁的长度之和要大于设置在外定一端上磁靴的长度。

所述的吸气阀根据吸气室内外部压力差而开闭。

所述的润滑油由与动子往复运动联动而动作的供油装置向滑动部位提供。

所述的排气口根据活塞的运行位置而开闭。

本发明提供的具有两冲程自由活塞发动机的线性发电机系统由于采用了利用螺旋压缩弹簧而运动的磁铁，因此能够提高共振的固有频率。由于以高共振频率动作，因此能够提高发电效率。由于本系统中仅磁铁在运动，因此容易实现小型化及轻量化。另外，由于本系统能够利用小电流来启动，因此能够大幅度减少电子驱动装置的容量。由于本系统中具有多个支撑动子和活塞运动的螺旋压缩弹簧，因此能够降低发动机工作时产生的振动。此外，由于本系统使用磁性相反的磁铁，因此能够提高发电机的发电量。

附图说明

图1为本发明提供的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统一实施例纵向结构剖视图。

图2至图5为图1所示的线性发电机系统各工作状态示意图。

图中符号说明

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统进行详细说明。

图1为本发明提供的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统一实施例纵向结构剖视图。图2至图5为图1所示的线性发电机系统各工作状态示意图。

在多种形式的线性发电机中，动子的结构对动子的重量和发电机效率具有很大影响。本发明只适用于使用磁铁的线性发电机的情况。此外，本发明只对使用两冲程发动机的小型轻量线性发电机系统进行说明。

如图1所示，本发明提供的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统(以下简称线性发电机系统100)包括位于上部的两冲程自由活塞发动机和位于下部的线性发电机，其是通过自由活塞发动机的动作产生的力来使线性发电机动作，从而产生电。

本发明提供的线性发电机系统100包括一个具有吸入燃料与空气的吸气室121及用于吸入的燃料与空气进行燃烧的燃烧室123的气缸120；设置在气缸120一端的电机架160；固定设置在电机架160内部的外定子171；固定设置在电机架160内部且与外定子171间具有间隙G的内定子173；沿着外定子171和内定子173之间形成的间隙G进行直线往复运动的动子181；安装在动子181上，且在内定子173与外定子171之间形成磁力的磁铁186；设置在电机架160的内部，用于支撑动子181的往复运动，且引起动子181共振运动的多个螺旋压缩弹簧190；设置在气缸120的内部，与动子181联动而进行往复运动，并且压缩燃烧室123内燃料与空气的活塞130；设置在气缸120上，用于为吸气室121内部提供燃料与空气的吸气阀141；用于连通吸气室121和燃烧室123的吸气流路143；及设置在气缸120上，用于排出燃烧室123内燃烧后的燃料与空气的排气口125。

线性发电机系统100中与活塞130联动的运动部件仅为线性发电机中的动子181及磁铁186，且动子181及磁铁186由螺旋压缩弹簧190进行弹性支撑，在共振状态下使发电机动作。即，利用多个螺旋压缩弹簧190来支撑动子181及磁铁186，从而在外定子171与内定子173之间的间隙G中持续引导动子181及磁铁186的共振运动。

如上所述，在将外定子171与内定子173固定在电机架160内部的状态下，仅仅动子181及磁铁186运动，并且具有弹性支撑运动的动子181及磁铁186的螺旋压缩弹簧190，从而易于引起发电机的共振，并且能够提高共振的固有频率，且由于线性发电机是以高共振频率动作，因此发电效率高，同时也可减少整体重量。

设置在线性发电机系统100上部的两冲程自由活塞发动机包括气缸120及在气缸120内往复运动的同时将燃料与空气压缩而使其燃烧的活塞130。气缸120上设有用于吸入燃料与空气的吸气阀141，吸气阀141设置在位于气缸120下部的吸气室121一侧，且设置在气缸120的壁面上。吸气阀141用于开闭图中未示出的设置在气缸120壁面上的吸气口，且吸气口上连接有图中未示出的用于吸入燃料与空气的吸气管。

在此，吸气阀141是根据吸气室121内部及外部之间压力差的大小而开闭。即，吸气阀141的动作不是由独立的阀驱动装置来控制，而是根据吸气室121内部压力和外部压力之差来开闭。例如，当吸气室120内吸入的燃料与空气通过吸气流路143向燃烧室123内流入时，吸气室121内部的压力要比其外部的压力低，此时，吸气阀141打开，从而使燃料与空气流入吸气室121。

另一方面，气缸120的上部设有燃烧室123，燃烧室123是利用活塞130压缩燃料与空气，并使其燃烧及排气的空间。在活塞130压缩燃料与空气的状态下，压缩的燃料与空气由设置在燃烧室123上的点火装置127点燃并产生燃烧。

点火装置127可使用以往的汽油发动机的火花塞方式，柴油发动机的压缩点火方式，此外还有新开发中的HCCI(均质充量压缩点燃)发动机的压缩自燃方式，航空模型机发动机等经常使用的预热电热塞方式。原则上没有单独的点火装置也可以使用如柴油/HCCI发动机的压缩点火方式。但是为了在冬天等环境温度较低时也能容易启动发动机，最好设置电热塞等最简单的点火装置来改善启动特性。

吸气室122吸入的燃料与空气将沿着气缸120一侧设置的吸气流路143流入燃烧室123。吸气流路143可一体形成在气缸120侧壁上，或者与气缸120侧壁分隔形成。

在向吸气室121内部提供燃料与空气时，可选择在吸气之前设置化油器或喷油器或者在气缸120上设置喷油器而直接向气缸内提供燃料的方式。

燃烧室123内燃烧后的燃料与空气将通过由活塞130运动而开启的设置在气缸120上的排气口125向燃烧室123外部排出。排气口125上没有单独设置排气阀，而是由活塞130充当排气阀的作用。即，当活塞130上升并堵住排气口125时排气中断，而当活塞130下降并离开排气口125时进行排气。

如此，排气侧无单独的排气阀，仅仅具有排气口125，因此发动机的结构简单，所以可获得输出电力明显增多的优点。

当燃料与空气在燃烧室123内燃烧时，燃烧室123内部的温度将会升高，为了防止过热需进行冷却，因此在燃烧室123的外面设置有散热片129，同时在气缸120上设置散热片129，通过周围空气的自然对流或强制对流的方式实现冷却。在发动机输出功率增大而使空气冷却力不足时，可将散热片改成水或其它冷却液体的液冷式结构来实现冷却。

在气缸120的下部与气缸120一体形成或者通过后加工与气缸120固定结合的电机架160构成发电机的外壳，作为支撑定子171，173及螺旋压缩弹簧190的部件，电机架160为具有一定内部空间的圆筒形或者六面体等形状。

电机架160内部上侧设有外定子171。外定子171固定在电机架160的上端内侧面及上部内侧壁上，其可通过压入电机架160等方式进行固定。为了便于动子181或者磁铁186的运动，外定子171最好沿着活塞130的运动方向或者电机架160的长度方向进行设置。

外定子171的一端，最好是在下端朝着电机架160的中心部分弯折而形成磁靴175。在此，磁靴175具有一定的宽度，且与磁铁186相互作用产生磁力。在此，磁靴175的宽度是指磁靴175末端的长度。另一方面，磁靴175的长度根据所要产生的电量有所不同，且需根据气缸120的容量或者活塞130的运动长度来设计。

与外定子171及磁靴175的末端内侧间隔设置有内定子173。内定子173在活塞130的运动方向上具有一定长度，且以与外定子171及磁靴175相隔一定间隙G的状态设置在电机架160内部。外定子171及内定子173能够单独设置，或如图1-5所示，也能够一体形成。外定子171及内定子173形成磁铁186中产生的磁场的通路，且外定子171和内定子173之间缠绕有线圈C。线圈C连接到图中未示出的用于存储发电电能的蓄电装置或者安装有线性发电机系统100的小型便携电子产品、电动车、电动自行车等设备上。

活塞130的初始运动或者启动由向外定子171上缠绕的线圈C提供交流电流来完成。这时，为了活塞130的初始运动，提供的交流电流应具有与螺旋压缩弹簧190的共振频率相近似的频率。

线圈C中提供的交流电流在由活塞130运动而使气缸120上的燃烧室123内发生气体燃烧后将中断。

活塞130或者气缸120下部对应的电机架160上设有用于引导动子181与活塞130联动而进行往复运动的动子导向部165。动子导向部165最好具有一定的长度，从而使动子181能够稳定地进行直线往复运动，并且动子导向部165的长度最好大于活塞130的行程距离。这样，内定子173是接触支撑在动子导向部165上或者压入动子导向部165的外面。

与活塞130联动而在动子导向部165内进行直线往复运动的动子181包括插入在动子导向部165内的滑动部182；设置在滑动部182的一端且沿着气缸120径向弯折而形成的弹簧支撑部184；以及连接在弹簧支撑部184的中部且与滑动部182并排设置的磁铁安装部183。这样，磁铁安装部183可以沿着外定子171和内定子173之间的间隙G进行直线往复运动。

磁铁安装部183上安装有磁铁186，磁铁186是由两个磁性相反的第一磁铁186a和第二磁铁186b组成。

电机架160、内定子171、外定子173、动子181及磁铁186最好均具有圆筒形状，以保持各向同性。磁铁186包括安装在磁铁安装部183上部的第一磁铁186a及安装在磁铁安装部183下部的第二磁铁186b。第一磁铁186a和第二磁铁186b的磁性最好相反。例如，第一磁铁186a的磁力线方向指向内定子173时，第二磁铁186b的磁力线方向则指向外定子171。如此，使第一及第二磁铁186a，186b的磁性相反设置，可以增大线性发电机的发电量。

将磁铁186安装到磁铁安装部183上的方法有在磁铁安装部183的一端形成图中末示出的磁铁安装槽或者在磁铁安装部183上缠绕金属丝来固定磁铁186。当然，将磁铁186安装到磁铁安装部183上的方法有多种选择，这一点是不言而喻的。

在此，沿着动子181的运动方向，第一及第二磁铁186a，186b的整体长度最好大于外定子171及磁靴175的长度，而且第一磁铁186a及第二磁铁186b各自的长度与磁靴175的长度大致相同。

第一磁铁186a及第二磁铁186b是由稀土类磁性材料制成。本发明中的线性发电机系统100是将由稀土类磁性材料制成的稀土类磁铁设置在可动部位，这样即使使用少量的磁铁也能产生较大的磁力，因此能够减少线性发电机系统100的整体尺寸。

本发明中的线性发电机系统100采用的是具有一个磁靴175的外定子171和使用两个磁铁186a，186b的方式。

另外，本发明中的线性发电机系统100也可称为采用沿着外定子171和内定子173之间形成的间隙G两个磁铁186a，186b运动的方式。但不是必须局限在这样的结构，一个磁铁沿着两个空隙运动的方式也适用于本发明中的线性发电机系统100。

活塞130和动子181之间由活塞杆136进行连接。这样，活塞130和活塞杆136的连接部位，以及动子181和活塞杆136之间的连接部位最好采用不能活动的刚性连接方式。

另外，外定子171上的弯折部和弹簧支撑部184之间、弹簧支撑部184和电机架160底面之间安装有多个螺旋压缩弹簧190。如此设置的多个螺旋压缩弹簧190可诱发动子181的共振运动，且启动一定时间之后，发电机是在由螺旋压缩弹簧190产生的共振状态下持续动作。

如此，由于本发明中的线性发电机系统100使用了多个螺旋压缩弹簧190，因此线性发电机可以柔性启动。另外，燃料与空气在气缸120中燃烧时，螺旋压缩弹簧190可使动子181的振幅逐渐增大且达到共振状态，并且以固有频率维持共振。由于使用了多个螺旋压缩弹簧190，因而容易产生共振状态。

在此，多个螺旋压缩弹簧190是以动子181一端作为基准而相对设置。即，如图1所示，螺旋压缩弹簧190是以动子181的弹簧支撑部184作为基准相对设置。如此，以弹簧支撑部184作为基准可使螺旋压缩弹簧190相对设置，从而容易诱导动子181的共振。

参照图1，螺旋压缩弹簧190包括设置在外定子171和弹簧支撑部184之间的称为″内侧弹簧″的弹簧以及设置在弹簧支撑部184和电机架160底面之间的称为″外侧弹簧″的弹簧。在此，外定子171和弹簧支撑部184相对的面上设有图中未示出的用于支撑并固定内侧弹簧两端的弹簧固定部。弹簧固定部具有即使动子181运动其也不会从内侧弹簧的初始位置脱离的多种结构。弹簧支撑部184的另一面和电机架160的底面上也同样形成有图中未示出的用于支撑并固定外侧弹簧两端的弹簧固定部，且其具有与用于固定内侧弹簧的弹簧固定部相同的结构。

动子181运动时内侧弹簧和外侧弹簧最好产生相反的变形。例如，当活塞130朝着气缸120的上死点上升时，与活塞130联动的动子181也将上升，此时内侧弹簧受压变形，而外侧弹簧则拉伸变形。因此，内侧弹簧和外侧弹簧产生相反的变形，从而能够有效地维持动子181的共振运动。

从电机架160的底面观察线性发电机系统100时，多个螺旋压缩弹簧190是以气缸120的中心为基准等间距设置。即，螺旋压缩弹簧190以气缸120的中心为基准呈放射状等间距设置。

另外，多个螺旋压缩弹簧190以动子181的一端，即在以弹簧支撑部184为基准的一端相互重叠设置。图1中显示出的为螺旋压缩弹簧190的一端未相互重叠的例子，但是螺旋压缩弹簧190的一端相互重叠设置也同样能够诱发共振，且在这种情况下能够更加缩短线性发电机系统100的整体长度。

在本发明提供的线性发电机系统100中，用于支撑动子181的多个螺旋压缩弹簧190是以弹簧支撑部184作为基准等间距设置，从而易于发计螺旋压缩弹簧190的弹性常数。另外，具有多个螺旋压缩弹簧190和单一气缸120的结构能够减少线性发电机系统100上产生的振动。

另外，电机架160的底面内部装有润滑油O，润滑油O将在动子181或者活塞130的往复运动或者振动的作用下产生飞散并提供到滑动部位LA。在此，滑动部位LA是产生摩擦的部位，可认为包括在活塞130外表面和气缸120内表面之间、活塞杆136和电机架160之间、动子导向部165和动子滑动部182之间等部位。如此的滑动部位由于发生摩擦，从而将会产生摩擦部件的磨损或者摩擦热，因此有必要向该部位提供润滑油以防止磨损且冷却摩擦部位。

本实施例中的线性发电机系统100是将储存在电机架160底部的润滑油O向各个滑动部位提供，随着动子181的运动外侧弹簧将反复进行压缩及拉伸。此时，外侧弹簧的一端将与润滑油O相接触，由于外侧弹簧的压缩及拉伸，润滑油O将以小粒子形态飞散。如此飞散的润滑油O将粘在滑动部位上而起到润滑及冷却的作用。

根据自由活塞发动机的特性，其上活塞130的侧向力非常小，因此在滑动时发生磨损的顾虑不大，但是给上述各个滑动部位稍微提供一些润滑油O还是必须的。

另外，活塞130和气缸120之间的滑动部位是不能靠飞散润滑油的方式提供润滑油，因此需要独立的润滑结构。为此，本实施例中的线性发电机系统100是在活塞杆136的滑动面上，即活塞杆136和电机架160的接触面之间设置小的缝隙或者在活塞杆136的外面设置螺线型沟槽以构成润滑油提供部，从而在向气缸120吸入空气时通过润滑油提供部使在活塞杆136附近飞散的部分润滑油与空气一起流入气缸120内，进而向活塞130和气缸120之间的滑动部位提供润滑油。

由于本实施例的线性发电机系统100中的自由活塞发动机按照两冲程循环动作，因此向活塞130和气缸120之间的滑动部位提供的润滑油O将与燃料和空气一起燃烧。由于润滑油O燃烧时将会产生燃烧垃圾，因此发动机效率将会下降。因此，本实施例中的线性发电机系统100最好使用即使没有完全燃烧也不会留下垃圾的润滑油。

另外，润滑油的反复燃烧将会使润滑油的数量减少，因此为了补充减少的润滑油需要设置润滑油补充装置。

另一种方法是单独使用图中未示出的油泵进行供油的方法使线性发电机下部的润滑油提供到活塞130及气缸120之间的滑动部位。油泵等供油装置设置在电机架160的内部或者外部，最好采用与动子181联动的方式直接进行驱动。

此外，本实施例中的线性发电机系统100在自由活塞发动机启动时给线性发电机施加电流以使线性发电机启动。向线性发电机施加与其共振频率相近频率的交流电使其发生共振，此振动逐渐增大时将使气缸120内部的燃料与空气的混合气体的压缩比逐渐增大，从而达到适合发动机启动的压缩比。这时，用点火装置127点火或者压缩温度已经达到燃烧温度以上时，气缸120内部的气体将产生燃烧，从而完成发动机的启动。进而，需要启动线性发电机时向其施加交流电流的交流电源，可直接使用家庭及工厂中存在的交流电源，也可把另外的电池等直流电源通过变频器等交流发生装置转换成交流后使用。

下面参照附图对本实施例中的线性发电机系统100的工作过程进行说明。其中图2示出压缩过程，图3示出燃烧过程，图4示出膨胀过程，图5示出排气及吸气过程。

在图2所示的压缩过程中，活塞130上升到堵住排气口125的程度为止，从而开始对燃烧室123内的燃料与空气进行压缩。这时内侧弹簧处于压缩状态，外侧弹簧则处于拉伸状态。

在图3所示的燃烧过程中，活塞130上升到上死点附近为止，将燃料与空气的温度压缩到接近燃烧温度的状态，这时通过点火装置127使压缩的混合气体剧烈燃烧。

参照图2及图3，在压缩及燃烧过程中，吸气阀141将开启，从而开始吸气。在此过程中，随着活塞130的上升，吸气室121内的压力将下降，因此吸气阀141开启的同时开始吸气。

另外，燃烧之后是如图4所示的活塞130下降的膨胀过程，由于剧烈燃烧时产生巨大的推动力，使得活塞130下降的同时压缩吸气室121内的混合气体，因此在此过程中，吸气阀141将处于关闭状态。

最后，在图5中所示的排气及吸入过程中，活塞130进一步下降到排气口125开启为止。通过开启的排气口125将排出燃烧后的气体，而活塞130的下降将压缩吸气室121内的燃料与空气，使其沿着吸气流路141流入燃烧室123内并向外推出燃烧后需要排放的气体，从而形成排气。这时，由于吸气室121内的压力高，因此吸气阀141处于关闭状态。

随着如图2至图5所示的自由活塞发动机的运转，将会引起连接在活塞130上动子181的运动，用于支撑动子181的多个螺旋压缩弹簧190拉伸及压缩的同时，动子181逐渐进行共振运动。通过这样的过程能够在线圈C中获得交流电流。

如上所述，由于本实施例中具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统100采用只有磁铁运动的结构，因此易于实现小型轻量化，并且为了支撑运动的磁铁而使用了多个螺旋压缩弹簧，从而能够使动子181容易在共振状态下运转，且在高的共振频率下动作，进而能够提高发电效率和发电功率。

如上在本发明中根据如具体构成要素等的特征事项和限定的实施例及图面进行了说明，但是这仅仅是为了更好地帮助对本发明整体的理解而提供的，本发明不限定在上述的实施例，在本发明所属技术领域，普通技术人员从这样的记载中有其他多种改善及变形是显而易见的。从而，本发明的思想不能定义为局限在所说明的实施例中，不仅是后续的权利要求，与此权利要求等同或者等价变形的所有均属于本发明思想的范围。

Claims (17)

1.一种具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的线性发电机系统(100)包括一个具有吸入燃料与空气的吸气室(121)及用于吸入的燃料与空气进行燃烧的燃烧室(123)的气缸(120)；设置在气缸(120)一端的电机架(160)；固定设置在电机架(160)内部的外定子(171)；固定设置在电机架(160)内部且与外定子(171)间具有间隙(G)的内定子(173)；沿着外定子(171)和内定子(173)之间形成的间隙(G)进行直线往复运动的动子(181)；安装在动子(181)上，且在内定子(173)与外定子(171)之间形成磁力的磁铁(186)；设置在电机架(160)的内部，用于支撑动子(181)的往复运动，且引起动子(181)共振运动的多个螺旋压缩弹簧(190)；设置在气缸(120)的内部，与动子(181)联动而进行往复运动，并且压缩燃烧室(123)内燃料与空气的活塞(130)；设置在气缸(120)上，用于为吸气室(121)内部提供燃料与空气的吸气阀(141)；用于连通吸气室(121)和燃烧室(123)的吸气流路(143)；及设置在气缸(120)上，用于排出燃烧室(123)内燃烧后的燃料与空气的排气口(125)。

2.根据权利要求1所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的多个螺旋压缩弹簧(190)以动子(181)的一端为基准相对设置。

3.根据权利要求1所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的多个螺旋压缩弹簧(190)以气缸(120)的中心为基准等间距均匀设置。

4.根据权利要求1所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的多个螺旋压缩弹簧(190)以动子(181)的一端为基准相互重叠设置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的电机架(160)的底面内部装有润滑油(O)，上述润滑油(O)在动子(181)或者活塞(130)的往复运动或者振动的作用下飞散，从而向滑动部位(LA)提供润滑油。

6.根据权利要求5所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的润滑油(O)通过用于连接活塞(130)和动子(181)的活塞杆(136)表面上设置的润滑油供给装置提供给滑动部位(LA)。

7.根据权利要求5所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的活塞(130)的初始运动是向外定子(171)上缠绕的线圈(C)提供交流电流来实现。

8.根据权利要求7所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的交流电流具有与螺旋压缩弹簧(190)的共振频率相近似的频率。

9.根据权利要求8所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的交流电源在由活塞(130)运动而在气缸(120)的燃烧室内部发生燃烧之后就不再提供。

10.根据权利要求6所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的外定子(171)及内定子(173)为一个整体。

11.根据权利要求1所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的磁铁(186)包括沿着动子(181)运动方向依次安装在动子(181)上的第一磁铁(186a)及第二磁铁(186b)。

12.根据权利要求11所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的第一磁铁(186a)和第二磁铁(186b)的磁性相反。

13.根据权利要求12所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的第一磁铁(186a)及第二磁铁(186b)由稀土类磁性材料制成。

14.根据权利要求13所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：在动子(181)的运动方向上，所述的第一磁铁(186a)及第二磁铁(186b)的长度之和要大于设置在外定子(171)一端上磁靴(175)的长度。

15.根据权利要求5所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的吸气阀(141)根据吸气室(121)内外部压力差而开闭。

16.根据权利要求6所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的润滑油(O)由与动子(181)往复运动联动而动作的供油装置向滑动部位(LA)提供。

17.根据权利要求5所述的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述的排气口(125)根据活塞(130)的运行位置而开闭。

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