CN102418597A - 具备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

本发明公开了一种具备两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，包括两冲程自由活塞发动机和线性发电机，其中两冲程自由活塞发动机又包括吸入燃料和空气的单一气缸及设置在上述单一气缸内且在做直线往复运动的同时对上述燃料和空气进行压缩的活塞，所述线性发电机包括往复运动的动子及安装在上述动子上并产生磁力的磁铁，所述单一气缸中具有与上述线性发电机的动作频率同步开闭的排气阀。本发明的发电机系统，在不设置单独的同步装置的情况下也能实现阀与发动机的动作同步开闭。

Description

具备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

本发明涉及线性发电机，特别是涉及一种具备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

近年来，随着手机、笔记本电脑、电动工具等便携式电器电子产品的发展，对便携式电源的高性能及轻量化要求也急速增长。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，因此与便携式电源相关的研究开发工作成为当前的热点。

在便携式电源方面，目前应用和研究都比较多的技术是利用锂电池等蓄电池的电源系统。但这种蓄电池方式的便携式电源具有单价贵、重量大等诸多缺点。

笔记本电脑及手机在使用蓄电池方式的便携式电源时，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，在最大连续行驶距离上会受到限制。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。

为了改善所述缺点，目前正在开发中的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，且这种系统在混合型电动车上正在部分商品化使用过程中。在这种情况下，主要使用的有两冲程或者四冲程活塞发动机。由于利用曲轴方式，发电机的结构复杂，而且发电机效率难于提高，因此难以适应高效率及轻量化的要求。

为了改善利用曲柄-活塞方式内燃机发电机的这种缺点，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。由于这种自由活塞线性发电机的结构简单，因此高效率及轻量化的可能性高，最近有很多研究开发正在进行。

以往采用曲轴的发动机中，具有由凸轮轴来开闭发动机气缸的吸气阀及和排气阀的结构，其中凸轮轴与曲轴通过齿轮或者皮带连接。但是，在线性发动机中，原理上不存在驱动轴，因此需要考虑独立的吸气阀及排气阀开闭装置，但是采用吸气阀及排气阀开闭装置的结构，对线性发电机的性能、耐久性、振动噪音、成本等都有较大的影响。

以往线性发电机的吸气和排气主要有两种方式。第一种不使用吸气阀和排气阀而仅有吸入口及排出口的两冲程发动机。在这种情况下，由于不需要独立的阀驱动装置，因此具有结构简单的优点，但是与以往在摩托车等上使用较多的两冲程发动机的情况类似，其效率低且磨损严重，因此寿命较短且排出气体污染严重。第二种是为了改善这样的缺点，采用最近作为电动车的发动机用而新开发的高速电磁线圈电子阀技术。但是，这样的高速电磁线圈电子阀，为了在短暂的阀开闭时间内快速驱动阀，需要大电流且由于电磁线圈特有的电流与力之间的非线性特性，存在阀的控制复杂且阀关闭时易产生较大冲击等问题，进而存在电力消耗巨大且耐久性低、成本高等问题。

另外，用曲轴来驱动的以往发动机的电子阀时，需要对应宽范围的发动机转速进行设计，因此需要具有高速响应特性的高磁力电磁线圈。但是为了产生这样的高磁力，需要电力消耗大且高价的驱动电子电路，并且由于动作时冲击大会产生噪音振动大且耐久性低等负作用。

发明内容

本发明提供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，该两冲程自由活塞发动机具有由振动型或者旋转型同步电机驱动的吸气阀或者排气阀。其中振动型或者旋转型同步电机与线性发电机启动时的驱动频率或者发电时的发电频率同步地运动。

本发明提供的发电机系统，其中线性发电机的吸气阀或者排气阀通过与线性发电机的电流同步驱动的同步电机来驱动，因此可以以较小的电流和驱动力来驱动阀门，且具备电力损耗少、成本低、耐久性高的线性发电机用电子阀的两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统。

为解决所述问题，根据本发明一实施例的具备两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统包括两冲程自由活塞发动机和线性发电机；其中两冲程自由活塞发动机又包括吸入燃料和空气的单一气缸及设置在所述气缸内的活塞所述该活塞在做直线往复运动的同时对所述燃料和空气进行压缩；其中线性发电机包括直线往复运动的动子及安装在所述动子上具有磁力的磁铁；并且所述气缸中具有与所述线性发电机的动作频率同步地开闭的排气阀。

上述发动机还包括与上述线性发电机的动作频率同步地开闭、且设置在上述活塞的一端上的吸气阀。

如上所述，由于具备与线性发电机的动作频率同步开闭的吸气阀或者排气阀，所以即使没有设置使阀同步开闭的装置，也能从自由活塞发动机的效率及输出层面上使阀在最佳时刻开闭。

上述排气阀或者上述吸气阀的开闭同步于为了启动上述线性发电机而施加到上述线性发电机上的驱动频率或者由上述发动机的动作而在上述线性发电机中生成的发电频率。

上述吸气阀或者上述排气阀包括与为了驱动上述线性发电机而输入的驱动电流的驱动频率或者上述线性发电机中发生的发电电流的发电频率同步动作的同步电机、由上述同步电机驱动而开闭的开闭部件以及弹性支承上述开闭部件的直线运动的阀支撑部件。

上述同步电机包括阀外壳、安装在上述阀外壳内面的阀定子、设置上述阀定子的内侧并沿着上述阀外壳的长度方向直线往复运动且与上述开闭部件的运动方向同向运动的阀动子、安装在上述阀动子上且在与上述阀定子的相互作用下生成磁力的阀磁铁以及为了弹性支承上述阀动子的两端而固定在上述阀外壳内部的阀弹簧，上述阀动子的一端冲击上述开闭部件的一端，从而使上述开闭部件开闭。

上述同步电机包括阀外壳、安装在上述阀外壳内面的阀定子、设置上述阀定子的内侧并沿着上述外壳的长度方向直线往复运动且与垂直上述开闭部件的运动方向运动的阀动子、安装在上述阀动子上且在与上述阀定子的相互作用下生成磁力的阀磁铁以及为弹性支承上述阀动子而固定在上述外壳内部的阀弹簧。上述开闭部件通过与设置在上述阀动子一端的阀凸轮的突起接触而开闭，且上述开闭部件的一端设置有与上述突起柔和接触的曲面部。

上述凸轮突起向着上述曲面部缓慢地倾斜。

上述同步电机包括阀外壳、设置在上述阀外壳内部的旋转驱动部、在上述旋转驱动部作用下旋转的旋转轴以及设置在上述旋转轴的一端的阀凸轮。上述开闭部件由于与上述阀凸轮的突起接触而开闭。

上述阀凸轮包括圆形本体及从上述圆形本体向外侧突出的突起，且上述突起与上述开闭部件的一端接触时，上述开闭部件开启。

还包括为使上述吸气阀或者上述排气阀与上述线性发电机的驱动频率或者发电频率同步开闭而控制上述同步电机的驱动器的电机驱动控制电路。

上述电机驱动控制电路包括向上述线性发电机供电、在上述线性发电机启动后作为蓄电池使用的大容量充放电电池；保护上述大容量充放电电池的电压稳定用电容；驱动上述线性发电机及上述同步电机的开关；感知输入上述线性发电机两端的电流及电压的感知电路以及驱动上述线性发电机系统的微处理器。

上述感知电路检测上述线性发电机两端的电压及上述线性发电机的电流，上述微处理器通过检测到的上述电压及电流确认上述线性发电机的电流频率及电流的相位基准点。

上述微处理器使上述同步电机在具有与上述电流频率相同频率的电流下而动作。

上述微处理器控制上述线性发电机在启动时以上述线性发电机的固有频率驱动。

上述微处理器在上述线性发电机发电时，对应发电电流的频率及相位基准点而开关。

上述微处理器利用上述线性发电机上发电的电流或者电压来计算上述活塞的行程及电能，从而确定上述线性发电机的最佳动作条件。

上述线性发电机包括在上述气缸一端的框架、固定设置在上述框架内部的外定子、与上述外定子有一定间隔并固定设置在上述框架内部的内定子、设置在上述框架内部的多个压缩螺旋弹簧，所述多个压缩螺旋弹簧支撑沿着上述外定子和上述内定子之间形成的间隙做直线往复运动的上述动子并引起上述动子的共振运动。

上述线性发电机具有设置在上述动子的另一端并预先压缩吸入上述吸气流路内的燃料及空气的增压用活塞，上述活塞、动子和增压用活塞一体形成。

上述框架上设置有插入上述增压用活塞的增压用气缸，上述增压用活塞上设置有第一增压用吸气阀，以及与上述第一增压用吸气阀相对地设置在上述增压用气缸上的第二增压用吸气阀。

上述吸气阀或者上述排气阀包括异步电机及编码器，且上述异步电机是在感知上述编码器的信号而与上述线性发电机同步的状态下，使上述吸气阀或者上述排气阀动作。

如上述说明，根据本发明一实施例的具备两冲程自由活塞发动机的线性发电机系统使电子吸气阀及电子排气阀的开闭动作与活塞的动作同步，从而使阀的控制结构变得简单。

根据本发明一实施例的线性发电机系统能够利用较小的电流或者驱动力来驱动吸气阀或者排气阀，由此可减少消耗的电力，降低驱动电路的成本。

根据本发明一实施例的线性发电机系统由于使吸气阀或者排气阀通过电子方式同步开闭，因此根据发动机的驱动状态，使阀的开启角度或者开启高度等能够以电子方式进行调节。

根据本发明一实施例的线性发电机系统，由于吸气阀或者排气阀以电子方式同步，因此电力消耗少、动作时产生的噪音及振动少，且能够提高可靠性和寿命。

根据本发明一实施例的线性发电机系统，由于向吸气阀或者排气阀的驱动电机输入与线性发电机的动作频率同步的电流，在相同的频率下具备适当的相位差来开闭阀，由此使电流的相位差及电流的大小由电子电路来控制，从而使阀从发动机的效率及输出层面上在最佳时刻开闭。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的线性发电机系统图；

图2至图6是图1中线性发电机系统的工作状态图；

图7是使用在图1的线性发电机系统中发动机上的阀的第一实施例图；

图8是使用在图1的线性发电机系统中发动机上的阀的第二实施例图；

图9是使用在图1的线性发电机系统中发动机上的阀的第三实施例图；

图10是为用于对图1的线性发电机系统中发动机上的阀的电机进行控制的电机驱动控制电路图。

图中：

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。本发明不限于以下的实施例，各附图中的同一附图标记代表同一部件。

图1是根据本发明一实施例的线性发电机的系统图，图2至图6是图1的线性发电机系统的工作状态图，图7是使用在图1的线性发电机系统的发动机上的阀的第一实施例图，图8是使用在图1的线性发电机系统发动机上的阀的第二实施例图，图9是使用在图1的线性发电机系统发动机上的阀的第三实施例图，图10是为了对用在图1的线性发电机系统发动机上的阀的电机进行控制的电机驱动控制电路图。

线性发电机的多种方式中，构成动子部分的结构对动子的重量和发电机效率影响很大，在本发明的情况下，限定在使用磁铁的线性发电机。此外，根据本发明的线性发电机系统限定在使用两冲程发动机的小型及轻量的线性发电机系统。

参照图1，根据本发明一实施例的具备两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统100包括上部的自由活塞发动机110和其下部的线性发电机150。根据本发明一实施例的线性发电机系统100动作的方式是通过上部自由活塞发动机110的动作产生的力来使线性发电机150动作，从而产生电。

根据本发明一实施例的具备两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统100包括具备吸入燃料及空气的单一气缸120和设置在气缸120内且在其内部做直线往复运动的同时压缩燃料和空气的活塞130的两冲程自由活塞发动机110；及具备与活塞130连动做直线往复运动的动子180和安装在动子180上生成磁力的磁铁186的线性发电机150。

在气缸120中设置有与线性发电机150的动作频率同步地开闭的排气阀146，或者发动机110包括与线性发电机150的动作频率同步地开闭，且设置在活塞130一端的吸气阀141。

如上所述，由于具备同步于线性发电机150的运行频率而开闭的吸气阀141或者排气阀146，所以即使是没有设置同步开闭阀141、146的机构也能使阀141、146在最佳的时刻开闭，以保证自由活塞发动机110的效率及输出。

线性发电机150包括设置在气缸120一端的框架160、固定设置在框架160内部的外定子171、与外定子171具有一定间隔的固定设置在框架160内部的内定子173、设置在框架160内部以支撑沿着外定子171和内定子173之间形成的间隙G做直线往复运动的动子180以及引起动子180的共振运动的多个压缩螺旋弹簧190。

在外定子171及内定子173在框架160内固定的状态下，仅仅动子181及磁铁186运动，由于压缩螺旋弹簧190能够对动子181及磁铁186提供弹性支撑，因此能够容易的发生发电机系统的共振，并且能够提高共振的固有频率，另外，由于线性发电机150以高共振频率动作，因此不仅发电效率好而且也减少了线性发电机系统100的整体重量。

设置在线性发电机系统100上部的两冲程自由活塞发动机110包括气缸120活塞130构成。活塞130设置在气缸120的内部，且在气缸120长度方向做直线往复运动的同时，压缩燃料及空气。气缸120的内部设置有燃烧室123。在活塞130的上端设置有吸气阀141，从而能够向燃烧室123内供给燃料及空气的混合气体。为了使燃烧室123内爆炸的混合气体向燃烧室123外部排出，在燃烧室123的上端(即：气缸120上端)设置有排气阀146。其中，吸气阀141或者排气阀146中至少一个设置为电子式动作的电子式阀。对于电子式动作的吸气阀141或者排气阀146在后面进行说明。

燃料及空气在由活塞130压缩的状态下，由燃烧室123上设置的点火装置127点火，使压缩的燃料及空气爆炸。点火装置127可使用现有的汽油发动机的火花塞方式、柴油发动机的压缩点火方式、还可以使用新开发的均质充量压缩点燃(HomogeneousCharge Compression Ignition，简称HCCI)发动机的压缩自燃方式、航空模型机发动机等上经常使用的预热的电热塞方式。原理上没有单独的点火装置也可以使用如柴油/HCCI的压缩点火方式。但是为了在冬天等周围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。

向燃烧室123内部供给燃料及空气可选择在吸气之前设置化油器或喷油器或者在气缸120上设置喷油器直接向气缸内部供给燃料的方式。

燃烧室123中的燃料及空气爆炸时，燃烧室123内部的温度将会升高，为了防止过热的同时，要对其进行冷却，为此，在燃烧室123的外面设置有散热片129，从而能够通过周围自然的或者强制的空气循环来实现冷却。除散热片外，在发动机输出增大而空气冷却方式的冷却效率不足时，可代替散热片设置水等液体循环的冷却结构来实现冷却。

在气缸120的下部与气缸120一体成形或者通过后加工与气缸120固定结合的框架160构成发电机的外壳，作为支撑定子171、173及压缩螺旋弹簧190的部分，其内部为形成一定空间的圆筒形或者六面体等形状。

框架160的上部内侧设置有外定子171，外定子171固定在框架160的上端内面及侧壁上部内面，为此，外定子171通过压入框架160等方式来固定。为了便于动子180或者磁铁186的运动，外定子171最好沿着活塞130的运动方向或者框架160的长度方向进行设置。

外定子171的一端，最好是下端，向着框架160的中心部分折弯形成磁极175。磁极175具有一定的幅度或者宽度，且与磁铁186相互作用产生磁力。在此，磁极175的幅度或者宽度是指磁极175末端的长度。磁极175的长度根据所要产生的电能有所不同，且由气缸120的容量或者活塞130的运动长度来确定。

内定子173与外定子171的磁极175的末端间隔设置。内定子173在活塞130的运动方向上具有一定长度，且与外定子171的磁极175具有一定间隙G。外定子171和内定子173可以分离设置，也可以如图面所示一体成形。外定子171及内定子173之间形成磁铁186产生的磁场的通路，且外定子171和内定子173之间缠绕线圈C。这个线圈C连接到为了存储发电电流的独立的电流或者电存储装置(未图示)或者连接到搭载线性发电机系统100的小型便携电子机器、电动车、电动自行车等。

活塞130的初始运动或者启动由缠绕在外定子171上的线圈C供给交流电源来完成。这时，为了活塞130的初始运动而供给的交流电源应具有与压缩螺旋弹簧190的共振频率相近似的频率。

线圈C供给的交流电在由于活塞130在气缸120的燃烧室123内运动而发生爆炸之后不再供给。

活塞130(或者气缸120下部)对应的框架160上设置有引导与活塞130的运动联动而做往复运动的动子180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180稳定地做直线往复运动，动子导向部165的长度比活塞130的行程距离稍长。这时，内定子173是接触设置在动子导向部165上并由其支撑或者压入安装在动子导向部165的外面。

与活塞130运动联动而在动子导向部165内做往复运动的同时发电的动子180包括插入两动子导向部165之间的活塞130、设置在活塞130一端且沿着气缸120的径向折弯形成的弹簧支撑部183，设置在活塞130和弹簧支撑部183的末端之间且与活塞130并排设置的磁铁安装部181。在此，磁铁安装部181设置在沿着外定子171和内定子173之间形成的间隙G能够做直线运动的位置上。活塞130和磁铁安装部181之间形成连接部182。连接部182最好比内定子173的宽度稍大。如此，根据本发明一实施例的线性发电机系统100的动子180和活塞130是一体形成的。

磁铁安装部181中安装磁铁186，磁铁安装部181中安装的磁铁186包括带磁方向相反的两个磁铁186a和186b。

框架160、定子171、173、动子180及磁铁186最好均具有圆筒形状。磁铁186由位于上部的第一磁铁186a及位于下部的第二磁铁186b组成。第一磁铁186a和第二磁铁186b的带磁方向最好相反。例如，第一磁铁186a的带磁方向向着内定子173时，第二磁铁186b的带磁方向就向着外定子171。如此，使第一及第二磁铁186a、186b的带磁方向相互不同设置，从而能够增大线性发电机150的发电量且提高输出功率。

磁铁186安装到磁铁安装部181上的方法有：在磁铁安装部181的一端设置磁铁安装槽(未图示)或者在磁铁安装部181上缠绕金属丝来安装磁铁186。磁铁186安装到磁铁安装部183上的方法有多种选择，这是不言而喻的。

在此，沿着动子180的运动方向，第一及第二磁铁186a、186b的整体长度最好比外定子171的磁极175的长度长，而且第一磁铁186a及第二磁铁186b各自的长度与磁极175的长度大致相同。

第一磁铁186a及第二磁铁186b由稀土类磁铁构成。根据本发明一实施例的线性发电机系统100将由稀土类元素制造而成的稀土类磁铁设置在可动部位，从而能够在使用少量的磁铁的情况下也能生成较大的磁力。由此，能够减少线性发电机系统100的整体大小。

根据本发明一实施例的线性发电机系统100可称为具有一个磁极175的外定子171和使用两个磁铁186a、186b的方式。

外定子171的折弯部和弹簧支撑部183之间、弹簧支撑部183和框架160底面之间安装如上所述的多个压缩螺旋弹簧190。如此设置的多个压缩螺旋弹簧190诱发动子180的共振运动，且发电时启动一定时间后，发电机由于压缩螺旋弹簧190的作用而在共振状态下持续动作。

如此，根据本发明一实施例的线性发电机系统100由于使用多个压缩螺旋弹簧190，因此线性发电机可以柔和地启动。另外，燃料及空气在气缸120中爆炸时，由压缩螺旋弹簧190而使动子181的振幅逐渐增大并且达到共振状态，并且接近固有频率并维持共振。因此，使用多个压缩螺旋弹簧190容易产生共振状态。

在此，上述多个压缩螺旋弹簧190以动子180一端为基准相对地设置或者相对地布置。即，如图1所示，压缩螺旋弹簧190以动子180的弹簧支撑部183为基准相对地布置。如此，以弹簧支撑部183为基准使压缩螺旋弹簧190相对地布置，从而容易诱导动子180的共振。

参照图1，压缩螺旋弹簧190包括布置在外定子171和弹簧支撑部183之间的弹簧，即″内侧共振弹簧″和设置在弹簧支撑部183和框架160底面之间的弹簧，即″外侧共振弹簧″。在此，外定子171和弹簧支撑部183的一面设置有支撑并固定上述内侧共振弹簧两端的弹簧固定部(未图示)。弹簧固定部设置成即使是动子180运动也不会从内侧共振弹簧的初始位置脱离的形式，可以有多种形式。弹簧支撑部183的另一面和框架160的底面也同样设置有支撑并固定上述外侧共振弹簧两端的弹簧固定部(未图示)，且其形状具有与为了固定内侧共振弹簧的弹簧固定部相同的形状。

动子180运动时，内侧共振弹簧和外侧共振弹簧的变形相反。例如，活塞130向着气缸120的上死点上升时，与活塞130联动的动子180也上升，此时内侧共振弹簧是压缩变形，相反的，外侧共振弹簧是拉伸变形。这样，内侧共振弹簧和外侧共振弹簧产生相反的变形，从而能够有效地维持动子180的共振运动。

从框架160的底面看发电机系统100时，多个压缩螺旋弹簧190以气缸120的中心为基准以等间距设置。即，多个压缩螺旋弹簧190以气缸120为中心在圆周方向等间距布置。

另外，上述多个压缩螺旋弹簧190以动子180的一端，即，以弹簧支撑部183为基准一端相互重叠布置。图1中显示的是压缩螺旋弹簧190的一端相互未重叠的例子，但是压缩螺旋弹簧190的一端相互重叠布置也同样能够诱发共振，且这个情况下能够更加缩小线性发电机系统100的整体长度。

根据本发明一实施例的线性发电机系统100，其中支撑动子180的多个压缩螺旋弹簧190以弹簧支撑部183为基准并列布置，从而能够容易设计压缩螺旋弹簧190的弹簧常数。另外，由于具备多个压缩螺旋弹簧190和单一的气缸120，从而能够减少线性发电机系统100上产生的振动。

此外，框架160的内部底面配置润滑油O，润滑油O由动子180或者活塞130的往复运动或者振动而飞散并供给到滑槽部位LA。在此，滑槽部位LA是发生摩擦的部分，例如，位于活塞130外面和气缸120内面之间的部分、位于动子导向部165和活塞130之间的部分。滑槽部位由于发生摩擦而磨损或者摩擦生热，因此有必要向滑槽部位供应润滑油来防止磨损并降低摩擦产生的热量。

根据本发明一实施例的线性发电机系统100是把储存在框架160底面的润滑油O供给至各个滑槽部位，随着动子180的运动，外侧共振弹簧将反复进行压缩和膨胀。此时，外侧共振弹簧的一端与润滑油O接触，由于润滑油O与润滑油接触部分的压缩及膨胀，润滑油O将以小粒子形态飞散。如此飞散的润滑油O将粘在滑槽部位上实现润滑及冷却功能。

自由活塞发动机的特性是活塞130侧压力非常小，因此在滑动时产生磨损很小，但是如上所述，向各个滑槽部位稍微供给润滑油O是必须的。

根据本发明一实施例的线性发电机系统100的自由活塞发动机，由于根据两冲程循环动作，因此向活塞130和气缸120的滑槽部位供给的润滑油O与燃料及空气一起燃烧。润滑油O燃烧时由于产生燃烧废物而使发动机效率下降。因此，根据本发明一实施例的线性发电机系统100最好使用即使没有完全燃烧也不会产生废物的润滑油。

另外，润滑油的反复燃烧使润滑油减少，为了补充减少的润滑油，需要设置润滑油补充装置。

另一种方法是使用如独立给油泵(未图示)的油抽吸装置使线性发电机下部的润滑油供给到活塞130及气缸120的滑槽部位。将给油泵等油抽吸装置设置在框架160的内部或者外部，最好采用与动子181的运动联动的方式。

此外，根据本发明一实施例的线性发电机系统100在自由活塞发动机启动时给线性发电机自己施加电流来启动线性电机。向线性电机输入具有与其共振频率接近的频率的交流电使其发生共振，此振动逐渐增大时使气缸120内部的燃料及空气混合气体的压缩比逐渐增大，从而达到启动发动机的适当的压缩比。这时，用点火装置127点火或者当压缩温度在燃烧温度以上时，气缸120内部将发生爆炸，从而完成发动机的启动。进而，需要用于启动线性电机的交流电源，这种交流电源可直接使用家庭或工厂电网的交流电源，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电后输入。

线性发电机150具有设置在动子180的另一端、预先对从活塞130的内部设置的吸气流路132流入的燃料及空气进行压缩的增压用活塞187。此时，活塞130、动子180和增压用活塞187是一体成形。

框架160的下部设置有增压用气缸163，增压用活塞187插入增压用气缸163中。如此，增压用气缸163和增压用活塞187形成增压用压缩部。增压用活塞187上设置有第一增压用吸气阀189，在增压用气缸163上设置有与第一增压用吸气阀189相对的第二增压用吸气阀167。

通过第一及第二增压用吸气阀189、167吸入的空气通过设置在活塞130内部的吸气流路132流入气缸120。

下面参照附图对根据本发明一实施例的线性发电机系统100的动作进行说明。图2是压缩过程，图3是爆炸过程，图4是膨胀过程，图5是排气行程，此外图6是排气及吸气过程。

在图2所示的压缩过程中，活塞130向上运动，对燃烧室123内的燃料及空气进行压缩。这时内侧共振弹簧是压缩状态，外侧共振弹簧是膨胀状态。

参见图2至图6，在压缩、爆炸及膨胀过程中，吸气阀141及排气阀146关闭，且在压缩及爆炸过程中是维持第一增压用吸气阀189关闭，第二增压用吸气阀167开启的状态。膨胀过程中是维持第一增压用吸气阀189开启，第二增压用吸气阀167关闭的状态。排气过程中是维持排气阀146关闭，第一增压用吸气阀189开启，第二增压用吸气阀167关闭的状态。最后排气及吸入过程中是维持吸气阀141及排气阀146开启，第一及第二增压用吸气阀189和吸气阀167关闭的状态。这样的阀开闭状态下，活塞130进行上升及下降运动，从而形成发动机110的动作循环。

如图2至图6所示，随着自由活塞发动机的运转，连接在活塞130上的动子181运动，在支撑动子181的多个压缩螺旋弹簧190膨胀及压缩的同时，动子181渐进地进行共振运动。通过这样的过程能够在线圈C中获得交流电流。

下面参照附图对吸气阀141或者排气阀146进行详细的说明。如上所述，根据本发明一实施例的线性发电机系统100的吸气阀141或者排气阀146是电子式的动作，且同步于为了线性发电机150的启动而施加到线性发电机150上的驱动频率或者由发动机110的动作而在线性发电机150中生成的发电频率而开闭。

如图7至图9所示，吸气阀141或者排气阀146包括同步于为驱动线性发电机150而输入的驱动电流的驱动频率或者线性发电机150中产生的发电电流的发电频率而动作的同步电机M，由同步电机M的驱动而开闭的开闭部件142及弹性支承开闭部件142的直线运动的阀支撑部件143。

使驱动阀的同步电机M上输入的电流的频率与为启动线性发电机150而输入的驱动频率或者在线性发电机150中产生的发电电流的频率相同，从而使阀的开闭动作同步于线性发电机150。即，利用与线性发电机150的启动时的驱动频率或者发电时的发电频率同步而运动的振动型或者旋转型同步电机M来驱动阀。

图7中显示出使用在线性发电机系统的发动机上的阀的第一实施例。如图所示，根据第二实施例的阀141、146的同步电机M包括阀外壳147、安装在阀外壳14的7内表面上的定子148、设置在定子148内侧且沿着阀外壳147的长度方向做直线运动的同时，与开闭部件142的同向运动的阀动子149，安装在阀动子149上，且由与定子148间的相互作用而产生磁力的阀磁铁144及固定在外壳147内部而弹性支承阀动子149的两端的阀弹簧145。在此，阀弹簧145支承阀动子149的两端。定子148上缠绕有线圈(未图示)，且上述线圈上输入与线性发电机150的驱动频率或者发电频率相同频率的电流。阀弹簧145如图7所示，为板簧，也可以是螺旋弹簧。

阀的第一实施例中阀动子149的一端冲击开闭部件142的一端，从而使开闭部件142开闭。在阀的第一实施例的情况下，开闭部件142的开闭方向和阀动子149的运动方向相同。如此，利用与线性发电机150同步动作的同步电机M，从而使开闭部件142的开闭动作与自由活塞发动机110的动作同步。

图8中显示出使用在线性发电机系统的发动机上的阀的第二实施例。参照图8，根据第二实施例的阀141、146的同步电机M’包括阀外壳147’、安装在阀外壳147’内面的定子148’、设置在定子148’的内侧且沿着阀外壳147长度方向做直线运动的同时垂直于开闭部件142’的运动方向运动的阀动子149’，安装在阀动子149’上且由与定子148’间的相互作用而产生磁力的阀磁铁144’及固定在外壳147’内部而弹性支承阀动子149’的两端的阀弹簧145’。阀弹簧145’如图8所示为板簧，也可以是螺旋弹簧。

根据第二实施例的阀的同步电机M’，其特征在于阀动子149’的运动方向和开闭部件142’的运动方向垂直。为此，开闭部件142’是由与设置在阀动子149’的一端的阀凸轮149a’的突起149b’的接触而开闭，且在开闭部件142’的一端设置有为了与突起149b’柔和接触而设置的曲面部142a’。

由于定子148’上缠绕的线圈(未图示)上输入与线性发电机150的驱动频率或者发电频率具有同一频率的电流，从而阀动子149’做直线运动，此时开闭部件142’的曲面部142a’与阀动子149’上设置的阀凸轮149a’的突起149b’接触，从而开闭部件142’将会运动。这时，为了使突起149b’与曲面部142a’的柔和接触，突起149b’朝向曲面部142a’的方向具有缓慢倾斜的倾斜部149c’。

图7及图8中显示的同步电机M、M’使用的是振动型或者直线型同步电机，也可以使用如图9所示的旋转型同步电机M″。图9中显示的是使用在线性发电机系统的发动机上的阀的第三实施例。参照图9，根据第三实施例的阀141、146的同步电机M″包括阀外壳147″、设置在阀外壳147″内部的旋转驱动部148″、由旋转驱动部148″带动而旋转的旋转轴149″及设置在旋转轴149″一端上的阀凸轮149a″。

在此，开闭部件142″是与阀凸轮149a″的突起149b″的接触而开闭。为此，阀凸轮149a″包括圆形本体149c″及从圆形本体149c″向外侧突出的突起149b″，且突起149b″与开闭部件142″的一端接触时，开闭部件142″将会开启。即，开闭部件142″的上端与突起149b″接触时，开闭部件142″被向下侧推动，从而开启阀门。

还包括为了使上述阀141、146的同步电机和线性发电机150的电机驱动控制电路200。即，通过电机驱动控制电路200使吸气阀141或者排气阀146同步于线性发电机150的驱动频率或者发电频率而开闭。图10显示出电机驱动控制电路200。

参照图10，电机驱动控制电路200包括向线性发电机150供电并在线性发电机150启动后作为蓄电池使用的大容量充放电电池210、保护大容量充放电电池210的电压稳定用电容220、驱动线性发电机150及同步电机的开关230和235、感知输入线性发电机150两端的电流及电压的感知电路240以及驱动线性发电机系统100的微处理器250。

感知电路240用于检测线性发电机150两端的电压及线性发电机150的电流，并向微处理器250发送。微处理器250中从检测到的电压及电流确定线性发电机150的电流频率及电流的相位基准点。

微处理器250在吸气阀141或者排气阀146的同步电机具有与上述线性发电机150电流频率相同的驱动频率时而动作。即，微处理器250是利用电流频率及相位基准点使同步电机的驱动频率与线性发电机150的电流频率相同，从而使相位角根据发动机110的运转状态而最佳化，使同步电机的驱动电压根据运转状况而使阀的开启量最佳化。

微处理器250在线性发电机150启动时控制以线性发电机150的固有频率驱动，且微处理器250在线性发电机150的发电时是对应发电电流的频率及相位基准点而开关动作。另外，微处理器250是利用线性发电机150中发电的电流或者电压计算活塞130的行程及电能，从而决定线性发电机150的最佳动作条件。如此，微处理器250利用感知电路240的感知结果，控制线性发电机150的驱动或者发电状态。

线性发电机150启动时是以与线性发电机150的固有频率相似的频率驱动发电机驱动用开关230而使交流电流通过。在线性发电机150的振动振幅达到达到足够大之前是不开启阀141、146的，在达到一定程度的稳定且充分的振幅及/或者电流状态时，是以设计时已确定的相位角和驱动电压驱动阀141、146。

线性发电机150发电时，其驱动用开关230是使无关于驱动或者发电的交变电流持续地以平滑的状态驱动。在启动而产生电流时，由于产生的电力比输入的电力大，由此而确认为已驱动，进而执行最佳化的阀141、146的驱动。阀141、146的相位角及驱动电压是根据线性发电机150发生的频率及电量，参照在线性发电机150的设计时预先已经输入的最佳数据表格来确定。

使用线性发电机150的吸气阀141或者排气阀146的驱动与线性发电机的电流同步的驱动电机，因此以小的电流和驱动力能够驱动阀，且能够实现电力消耗少，成本低，耐久性高的线性发电机系统。

图10中所示的电机驱动控制电路200是相当于阀驱动用电机的线圈为一个、开关为四个的情况，这个可认为是相当于单相振动型线性电机。若如图9所示使用旋转型同步电机的情况下，由于使用三相，因此使用具有三个线圈及六个开关的电机驱动控制电路。

另外，在上面的叙述是基于阀驱动电机为同步电机的情况，但并不一定必须限定于此。还可以用异步电机替代同步电机，在异步电机上安装编码器等传感器，并通过检测传感器的信号而实现同步，实现阀乃至异步电机的动作或者控制。

以上根据具体构成要素等特征和限定的实施例和附图对本发明进行了说明，但是这仅仅是为了更好地理解本发明，本发明不限于上述实施例，在本发明所属技术领域的普通技术人员可以根据这样的记载而进行多种改进及变形。因此，本发明的思想不能定义为局限在所列举的实施例中，不仅是后续的权利要求，与亮点权利要求等同或者等价变形的所有结构均在本发明思想的范围内。

Claims (20)

1.一种具备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：包括两冲程自由活塞发动机和线性发电机，所述两冲程自由活塞发动机包括吸入燃料和空气的单一气缸及设置在所述气缸内、在做直线往复运动的同时对所述燃料和空气进行压缩的活塞，所述线性发电机包括作直线往复运动的动子及安装在所述动子上具有磁力的磁铁，在所述气缸中设置有与所述线性发电机的动作频率同步开闭的排气阀。

2.根据权利要求1所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述发动机还包括与所述线性发电机的动作频率同步开闭、且设置在所述活塞的一端上的吸气阀。

3.根据权利要求2所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述排气阀或者所述吸气阀的开闭同步于为了启动所述线性发电机而施加到所述线性发电机上的驱动频率或者由所述发动机的动作而在所述线性发电机中生成的发电频率。

4.根据权利要求3所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述吸气阀或者所述排气阀包括与为了驱动所述线性发电机而输入的驱动电流的驱动频率或者与所述线性发电机中产生发电电流的发电频率同步动作的同步电机、由所述同步电机驱动而开闭的开闭部件以及弹性支承所述开闭部件的直线运动的阀支撑部件。

5.根据权利要求4所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述同步电机包括阀外壳、安装在所述阀外壳内面的阀定子、设置所述阀定子的内侧并沿着所述阀外壳的长度方向作直线往复运动且与所述开闭部件的运动方向同向运动的阀动子、安装在所述阀动子上且由与所述阀定子的相互作用而生成磁力的阀磁铁以及为了弹性支承所述阀动子的两端而固定在所述阀外壳内部的阀弹簧，所述阀动子的一端冲击所述开闭部件的一端，从而使所述开闭部件开闭。

6.根据权利要求4所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述同步电机包括阀外壳；安装在所述阀外壳内面的阀定子、设置所述阀定子的内侧、沿着所述外壳的长度方向直线往复运动且垂直于所述开闭部件的运动方向运动的阀动子；安装在所述阀动子上并在与所述阀定子的相互作用下生成磁力的阀磁铁，以及为弹性支承所述阀动子而固定在所述外壳内的阀弹簧，所述开闭部件通过与设置在所述阀动子一端的阀凸轮的突起接触而开闭，且所述开闭部件的一端设置有与所述突起柔和接触的曲面部。

7.根据权利要求6所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述凸轮突起向着所述曲面部缓慢地倾斜而设置。

8.根据权利要求4所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述同步电机包括阀外壳、设置在所述阀外壳内部的旋转驱动部、由所述旋转驱动部而旋转的旋转轴以及设置在所述旋转轴的一端的阀凸轮，所述开闭部件由于与所述阀凸轮的突起的接触而开闭。

9.根据权利要求8所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述阀凸轮包括圆形本体及从所述圆形本体向外侧吐出的突起，且所述突起与所述开闭部件的一端接触时，所述开闭部件开启。

10.根据权利要求4至9中任意一项所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：还包括用于控制所述同步电机的驱动器使所述吸气阀或者所述排气阀与所述线性发电机的驱动频率或者发电频率同步开闭的电机驱动控制电路。

11.根据权利要求10所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述电机驱动控制电路包括向所述线性发电机供电并在所述线性发电机启动后蓄能的大容量充放电电池、保护所述大容量充放电电池的电压稳定用电容、驱动所述线性发电机及所述同步电机的开关、感知输入所述线性发电机两端的电压及电流的感知电路以及驱动所述线性发电机系统的微处理器。

12.根据权利要求11所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述感知电路检测所述线性发电机两端的电压及所述线性发电机的电流，所述微处理器通过检测到的所述电压及电流确认所述线性发电机的电流频率及电流的相位基准点。

13.根据权利要求12所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述微处理器使所述同步电机在具有与所述电流频率相同频率的电流时而动作。

14.根据权利要求13所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述微处理器使所述线性发电机在启动时以所述线性发电机的固有频率驱动。

15.根据权利要求14所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述微处理器在所述线性发电机发电时对应发电电流的频率及相位基准点而开关。

16.根据权利要求15所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述微处理器利用所述线性发电机上发电的电流或者电压来计算所述活塞的行程及电能，从而确定所述线性发电机的最佳动作条件。

17.根据权利要求16所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述线性发电机包括设置在所述气缸一端的框架、固定设置在所述框架内部的外定子、与所述外定子有一定间隔并固定设置在所述框架内部的定子以及设置在所述框架内部的多个压缩螺旋弹簧，所述多个压缩螺旋弹簧支撑沿着所述外定子和所述内定子之间形成的间隙做直线往复运动的所述动子并引起所述动子的共振运动。

18.根据权利要求17所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述线性发电机具有设置在所述动子的另一端、预先压缩吸入所述吸气流路内的燃料及空气的增压用活塞，所述活塞、动子和、增压用活塞一体形成。

19.根据权利要求18所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述框架上设置有插入所述增压用活塞的增压用气缸，所述增压用活塞上设置有第一增压用吸气阀以及与所述第一增压用吸气阀相对地设置在所述增压用气缸上的第二增压用吸气阀。

20.根据权利要求3所述的小型轻量线性发电机系统，其特征在于：所述吸气阀或者所述排气阀包括异步电机及编码器，且所述异步电机是在感知所述编码器的信号而与所述线性发电机同步的状态下，使所述吸气阀或者所述排气阀动作。

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