CN102667102A - 受迫振动直动发电系统 - Google Patents

Abstract

一种受迫振动直动发电系统包括受迫振动体系。受迫振动体系包括传动轴组件(23)，传动轴组件(23)包括传动轴(23-1)。振动弹簧分别位于传动轴(23-1)的内外，以减小受迫振动直动发电系统长度。直线电机是单极辐向永磁直线电机或多极辐向永磁直线电机。活塞(3)外侧的第一活塞环(33)采用非对称活塞环，降低摩擦损失。缸盖(7)和活塞(3)彼此近似平行且具有平滑的结构，降低燃烧室(37)传热损失。设置于缸盖(7)的气门驱动机构采用单极辐向永磁直线电机式的电磁气门驱动系统。

Description

受迫振动直动发电系统

技术领域

本发明涉及受迫振直动发电系统，尤其是动力传动轴采用大直径中空式， 振动弹 簧分别位于传动轴内外， 减小系统长度； 直线发电机采用单极辐向永磁电机或多极辐 向永磁电机； 第一活塞环采用大桶度非对称活塞环， 降低摩擦损失； 燃烧室结构采用 缸盖与活塞近平行且平滑结构， 降低燃烧室传热损失； 气门驱动机构采用单极辐向永 磁直线电机式电磁气门驱动系统。

背景技术

目前公知各种直动发电方案中主要有①通过气缸联合工作杠杆驱动， 这类工作方 式少了曲轴， 但又增加了杠杆等机构， 没有明显的优势； ②新增密闭气缸， 靠压缩空 气驱动， 这类工作方法要保证新增气缸的密封， 如果不能完全保证， 还要增加补气系 统， 基本实现不了； ③依靠电流驱动， 应该说这类系统比较简单， 控制也较方便， 但 在每个做功循环中有 8次电能和机械能之间的转换 （四冲程发动机）， 增加了电损耗， 实际很难取得提高效率的效果； ④ 在 US6349683 发明中提出了二冲程用弹簧振动实 现活塞往复运动的小型发电机（2-3英寸），这类发电机在压缩冲程中利用了弹簧驱动， 可实现二冲程发动机直动工作， 但对于四冲程来说， 排气冲程气缸压力低， 而压缩冲 程气缸压力很高， 不能实现排气冲程和压缩冲程协调工作， 因此不能用于常规的四冲 程发动机。 在 CN200710004101. 6 发明中提出的 "受迫振动直动发电、 缓冲储能、 电 动驱动汽车" 中的直动发电方案提出利用机械弹簧 （或磁体） 形成振动体系， 活塞在 非做功冲程期间， 依靠振动体系和线圈的电磁力驱动， 发电机产生的电流通过电容缓 冲后驱动电动机。 该系统通过控制发电机中线圈电流的方法， 实现活塞的冲程和压缩 比优化， 通过控制投入工作气缸数量和进气冲程的距离来调整功率； 气门的驱动利用 受迫振动体系， 电磁力补充能量的方式并实现气门正确开闭，该系统方便调整压缩比， 采用压燃式工作， 保证在宽工况、 多燃料下实现较高压缩比的方式， 从而提高系统效 率。

在 CN200710004101. 6 发明中提出的 "受迫振动直动发电、 缓冲储能、 电动驱动 汽车"中的直动发电方案，通过控制投入工作气缸数量和进气冲程的距离来调整功率， 主要缺点为频率相对固定， 发动机工作动态范围较窄。在主振动体（发电线圈、活塞、 螺旋弹簧及其连接机构） 外附加碟形弹簧， 碟形弹簧与主振动体无固定连接， 当主振 动体压缩碟形弹簧并离开碟形弹簧后， 碟形弹簧会进入高频振动， 这会形成噪声； 另 外在下一次主振动体对弹簧的压缩初期， 碟形弹簧的振动相位难以控制； 增加两个对 称的气缸工作相位差， 也会增加振动和噪声。 PCT/CN2008/071781 及相关国内专利申 请中提出了带加速弹簧和同拍机构的受迫振动直动发电系统， 降低了受迫振动直动发 电系统碟形弹簧的噪声，并实现频率可调。

受迫振动直动发电系统为了减小机体的振动， 采用气缸水平对置、 同步工作的方 式， 使机体中部受力平衡， 减小振动， 但在水平方向有两个发电单元、两个气缸单元， 振动弹簧安装在缸体以外， 为首尾串连， 长度难以减小。

常规活塞式发动机活塞的机械损失占整体机械损失的 50%左右， 降低活塞摩擦损 失的方法主要为提高加工精度、 良好的表面处理、 良好的润滑， 及采用摩擦较小桶形 结构。 活塞环外表面和下表面为密封面， 当气缸中压力升高时， 上表面和内表面承受 气体压力， 内表面的压力使得侧压力升高， 摩擦损失增高。 常规方案可以采用高强度 材料， 减小活塞环高度的方法， 以降低高压气体的侧压力， 但为了保证强度， 在相同 材料下， 厚度减小量是有一定限度的。

传热损失是影响发动机效率的重要方面， 常规发动机为了提高效率， 需优化燃烧 室结构， 增加紊流， 加快燃烧速度， 而降低传热损失需降低紊流， 二者是矛盾的， 因 此在燃烧室结构设计时， 主要考虑提高燃烧速度， 很少考虑降低传热损失。

在 CN201010526680. 2 中提出的辐向永磁直线电机式电磁气门驱动， 将电磁铁与 衔铁有机结合， 可降低电磁气门的工作电流， 将其运用于本系统。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种受迫振动直动发电系统， 以克服上述技术中的缺 陷。

本发明实施例的技术方案是：一种受迫振动直动发电系统，其包括受迫振动体系， 受迫振动体系在活塞做功和直线电机的发电控制下协调工作， 以进行受迫振动直动发 电， 受迫振动体系包括传动轴组件， 传动轴组件将发动机活塞、 直线的发电机单极辐 向磁体和振动弹簧固定在一起， 传动轴组件包括传动轴， 传动轴采用大直径中空式， 振动弹簧分别位于传动轴的内外， 以减小系统长度； 直线电机采用单极辐向永磁直线 电机或多极辐向永磁直线电机； 活塞外侧的第一活塞环采用大桶度非对称活塞环， 降 低摩擦损失； 燃烧室为缸盖、 活塞及缸套所包围的空间， 燃烧室采用缸盖与活塞近平 行且平滑结构， 降低燃烧室传热损失； 设置于缸盖的气门驱动机构采用单极辐向永磁 直线电机式的电磁气门驱动系统。

所述传动轴直筒将振动弹簧间接延伸至气缸内部， 减小系统长度； 所述振动弹簧 包括上碟形弹簧， 上螺旋弹簧， 下螺旋弹簧和下碟形弹簧， 下螺旋弹簧位于传动轴之 内， 下碟形弹簧连接在下螺旋弹簧的下部， 上螺旋弹簧位于传动轴 （23-1 ) 之外， 上 碟形弹簧连接在上螺旋弹簧的上部。

在优选的实施方式中， 所述直线电机包括发电内、 外铁心， 端部导磁压板， 定子 线圈， 环形的发电机单极辐向磁体和所述传动轴组件； 发电内、 外铁心同心安装， 端 部用导磁压板连结， 定子线圈位于发电内、 外铁心之间， 发电机单极辐向磁体位于定 子线圈和发电内铁心之间， 传动轴组件还包括呈放射状的连接架， 连接架与传动轴直 筒为一体式结构， 位于传动轴直筒的下方， 发电机单极辐向磁体亦呈放射状， 发电内 铁心由数个扇区构成， 扇区之间留有间隙， 传动臂通过发电内铁心的放射性间隙与发 电机单极辐向磁体相连， 定子线圈采用导磁片与扁导线交替式结构。

在优选的实施方式中， 所述发电机单极辐向磁体的内侧为一极， 外侧为一极。 在优选的实施方式中， 所述发电内铁心、 发电外铁心及导磁压板分别由梯形硅钢 片放射状叠成。

在优选的实施方式中， 所述远离气缸方向的导磁压板的厚度小于靠近气缸方向的 导磁压板的厚度， 并在远离气缸方向上的导磁压板上留有气隙， 也可直接取消导磁压 板， 以减小气门线圈产生的磁通和电感， 提高直线电机工作磁场。

在优选的实施方式中， 所述定子线圈包括扁导线和硅钢带， 硅钢带与扁导线呈叠 置立绕方式。

在优选的实施方式中， 所述定子线圈包括线圈架内筒， 线圈架内筒由高导磁材料 制成， 材料导电能力较高时， 在线圈架内筒上分布交错的纵向缝。

在优选的实施方式中， 压在定子线圈上的线圈端盖的面为螺旋面， 其螺距等于导 磁材料与扁导线厚度和。

在优选的实施方式中， 所述发电机单极辐向磁体为辐向永磁铁动子； 定子线圈为 立绕结构， 定子铁心槽具有螺旋面， 或者定子线圈为导磁带与扁导线叠置分段立绕并 加外铁心的结构， 端部压板不需导磁材料。

在优选的实施方式中， 齿槽结构的定子线圈为立绕线圈， 齿槽的槽上有与立绕线 圈相配合的螺旋面。

在优选的实施方式中， 导磁带与扁导线叠置立绕加外铁心的定子线圈， 为导磁带 与扁导线分段叠置立绕的线圈， 各段分别引出两个端子， 同相绕组首尾相接，外部套 环状铁心。

在优选的实施方式中， 所述活塞和缸盖分别为球面形状， 降低对流传热损失。 在优选的实施方式中， 所述第一活塞环的靠近缸盖方向的一端的桶度大于远离缸 盖一端的桶度， 且第一活塞环靠近缸盖一端的桶度大于润滑油膜厚度； 活塞环最大外 径位于活塞环的下部； 气缸内的高压气体进入第一活塞环的外壁上面部分， 抵消部分 高压气体的侧压力， 以减少摩擦损失。

在优选的实施方式中， 所述电磁气门驱动系统包括气门杆， 气门弹簧， 上电磁铁 和下电磁铁， 每个电磁铁包括衔铁， 气门电磁铁内、外铁心和气门线圈， 衔铁位于上、 下电磁铁之间； 所述衔铁与单极辐向永磁铁相结合构成气门驱动复合动子； 气门杆、 气门弹簧、 气门电磁铁内铁心、 单极辐向永磁铁、 气门线圈、 气门电磁铁外铁心由内 向外依次套接。

在优选的实施方式中， 所述气门驱动衔铁与两个电磁铁内、 外铁心和衔铁分别采 用放射性硅钢片为主的导磁材料； 气门线圈采用导磁体与导线交替的结构。

本发明的特点和优点是：

1.大直径中空式传动轴， 减少系统长度和重量

公知技术中， 两组振动弹簧安装在气缸体底部以外的基座上， 为了保证行程和强 度， 弹簧的总长较长， 本发明实施例将传动轴改为大直径中空式， 振动弹簧分别位于 传动轴内外， 振动弹簧的安装空间延伸到气缸内， 增加了振动弹簧的安装空间， 相应 可减少系统长度， 使设计方法更为灵活。

2.单极辐向永磁直线电机

公知技术中， 直动电机铁心为一端开口式， 传动轴通过类似筒状的机构与动子相 连， 其最小长度为行程 2倍， 同时由于磁通回路仅通过铁心一端， 所需铁心体积接近 两端磁路的体积两倍， 增加了系统重量， 同时现有单极式直线电机定子线圈内部无导 磁体， 多极式直线电机一般是每极线圈之间为导磁体。 本发明实施例主要结构为发电 内铁心， 发电外铁心、 端部导磁体、 定子线圈、 发电机单极辐向磁体、 传动轴。 发电 内铁心做成放射状， 放射状的传动轴组件的连接架通过内铁心的放射性缝隙与发电机 单极辐向磁体相连， 定子线圈采用导磁带和导电扁线立绕的方式构成， 这样电机长度 为行程加上动子长度， 约为行程的 1. 5倍， 减小了工作磁场的气隙， 降低磁体重量， 为了减小线圈产生的磁通， 提高直线电机工作磁场， 在远离气缸方向的导磁端盖的厚 度小于靠近气缸方向的导磁端盖的厚度， 并在远离气缸方向上的导磁端盖上留有气 隙， 也可直接取消导磁端盖。

3. 多极辐向永磁直线电机

本发明实施例的直动电机采用与常规直线电机相似的结构， 直线电机动子由三部 分构成： 传动轴、 多极磁铁动子套、 多个方向相反的辐向永磁磁铁； 直线电机定子可 为两种结构， 一种与常规多极直线电机一样， 为齿槽结构， 但本发明实施例的线圈为 立绕结构， 定子铁心槽具有螺旋面； 另一种为导磁带与扁导线叠置分段立绕并加外铁 心的结构。

4.第一活塞环采用非对称大桶度形状

在发动机机械损失中， 活塞环的损失占总损失的 50%左右， 而主要损失来自活塞 的侧压力， 侧压力由三部份构成； ①活塞环的弹性力； ②曲轴转动造成的侧压力； ③ 高气压造成的侧压力。 直动发电方案没有曲轴转动的侧压力， 主要摩擦损失为高气压 造成的侧压力； 对于直动系统而言， 侧压力是均衡的， 缸壁的厚度的磨损是均匀的， 所以活塞的弹性力密封相对可靠， 可降低气压密封。 本实施例充分运用此特点提出了 不对称大桶度活塞环， 在活塞的上部（以最大直径为界）采用超过机油膜厚度的桶度， 在下部采用正常的桶度， 同时下部高度小于上部高度， 当存在高压气体时， 活塞环不 仅上表面、 内表面要承受气体压力， 部份外表面也要承受气体压力， 侧压力等于内表 面气体压力减去外表面气体压力， 这样就降低了摩擦损失。 该方案与常规方案一样， 要尽可能降低活塞环高度， 根据实际密封面高度， 降低活塞环宽度， 降低侧压力， 活 塞环外承压面的压强与常规设计基本一致。

5.活塞和缸盖为近平行且光滑的形状， 降低对流传热损失

燃烧室的传热损失是影响发动机效率的重要方面， 影响传热速度有时间、 流动状 态、 温度、 面积等， 传热时间、 温度、 面积等与转速、 功率有关， 不容易调整。 由于 主要的传热方式为对流传热， 流动状态对传热影响很大， 但常规发动机提高燃烧速度 需要增加紊流， 而增加紊流要增加传热损失， 二者难以兼顾。 本方案利用直动发电的 特点， 采用均质压燃方式来提高燃烧速度， 采用简化燃烧室结构， 尽可能降低紊流的 方法降低传热损失，推荐活塞和缸盖采用同一曲率的球面，使混合气尽可能平行运动， 减小紊流。 6.单极辐向永磁直线电机式电磁气门驱动系统

单极辐向永磁直线电机式电磁气门系统采用了衔铁与直线电机相结合的动子结 构；采用放射性硅钢片为主体的导磁材料；采用并联式永磁回路实现永磁吸合式保持， 导磁体与线圈交替结构等主体技术。 同时采用液压调整吸合间隙； 采用直线电机式速 度传感器、 电感式位移式计算等辅助技术。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图 1是本发明实施例的受迫振动直动发电系统的总装配剖面图；

图 2是发电铁心立体图；

图 3是直动发电传动轴立体图；

图 4是非对称大桶度活塞环示意图；

图 5是直线电机定子线圈立体图；

图 6是直线电机定子线圈局部剖面图；

图 7是单极辐向永磁直线电机式电磁气门驱动系统组装剖面图；

图 8是气门驱动复合动子剖面图；

图 9是多极辐向永磁直线电机的发电机单极辐向磁体动子组装图；

图 10是本发明另一实施例的齿槽式铁心多极辐向永磁直线电机定子线圈组装图。 图中 1.缸体， 2.缸套， 3.活塞， 4.气门， 5.水套， 6.水口， 7.缸盖， 8. 进气道， 9.排气道， 10.缸盖水道， 11.气门驱动复合动子， 11-1.气门衔铁， 11-2.定位台阶， 11-3.定位环， 11-4.法兰盘， 11-5.连结套， 11-6.导磁衬环， 11_7.单极辐向永磁铁， 11-8.衔铁架， 12.气门电磁铁内铁心， 12-1.气门电磁铁外铁心， 12-2.气隙， 13.气 门弹簧， 14.气门线圈， 15.气门速度传感器， 16.机油喷口， 17.机油回收口， 18.传 动轴承， 19.上碟形弹簧， 20.轴承油封， 21.直线电机端部导磁压板， 22.发电机单极 辐向磁体 （亦称发电机动子）， 22-1 发电机多极辐向磁铁， 23. 传动轴组件， 23-1. 传动轴直筒， 23-2.放射性连接架， 24.发电内铁心， 24-1.多极磁铁动子套， 25.定子 线圈， 25-1.扁导线， 25-2.硅钢带， 25-3. 线圈端盖， 25_4线圈端盖螺旋面， 25-5. 线圈架内筒， 26.发电外铁心， 26-1.带齿外铁心， 26-2.外铁心槽螺旋面， 27.发电外 水套， 28.上螺旋弹簧， 29.下螺旋弹簧， 30.下加粗螺旋弹簧， 31.下碟形弹簧， 32. 下碟形弹簧座， 33.非对称大桶度活塞环， 35.气门间隙调整液压缸， 36.气门升程调 整液压缸， 37.燃烧室。

具体实施方式

图 1是本发明实施例的受迫振动直动发电系统的总装配剖面图， 图 2是发电铁心 立体图， 图 3是直动发电传动轴立体图， 图中主要结构可分为缸体组件、 缸盖组件、 配气机构、 受迫振动体系及单极辐向永磁直线电机等部分。 缸体组件由缸体 1、 缸套 2、 水套 5、 水口 6等构成， 缸盖组件由缸盖 7、 进气道 8、 排气道 9、 缸盖水道 10构 成； 缸体组件、 缸盖组件与常规发动机一致。

配气机构由气门座、 气门 4及单极辐向永磁直线电机式电磁气门驱动系统构成。 受迫振动体系包括传动轴组件 23，传动轴组件 23的一端通过螺纹与活塞 3相连， 另一端为十字架状 （可为其它放射状）， 通过螺纹与发电机单极辐向磁体 22相连。 传 动轴组件 23包括形状为圆筒状的传动轴直筒 23-1，传动轴 23-1的下方连接放射状的 连接架 23-2， 连接架 23-2 (此处呈十字臂状） 的臂部可在带缝隙的发电内铁心 24内 上下移动。 上螺旋弹簧 28的一端与传动轴组件 23相连， 另一端与上碟形弹簧 19相 连。 下螺旋弹簧 29—端位于传动轴直筒 23-1内部， 顶在支撑板上， 另一端依次与下 加粗螺旋弹簧 30和下碟形弹簧 31串连， 顶在下止点碟形弹簧座 32上。 其中， 传动 轴组件 23由于其传动轴直筒 23-1为大直径中空式的传动轴， 连接架 23-2为放射状 结构， 如此可减少系统长度和重量， 下螺旋弹簧 29 最好采用圆线螺旋弹簧， 增加单 位重量的能量， 同时下螺旋弹簧 29与下加粗螺旋弹簧 30可做成一体化的变径螺旋弹 簧。

单极辐向永磁直线电机由发电内铁心 24、 发电外铁心 26、 端部导磁压板 21、 定 子线圈 25、 发电机单极辐向磁体 22、 传动轴组件 23等几部分构成。 发电外水套 27、 发电外铁心 26、 定子线圈 25、 发电内铁心 24、 传动轴 23-1从外向内依次套接。 发电 内铁心 24由数个扇区构成， 传动轴组件 23的放射性连接架 23-2穿过发电内铁心的 扇区之间的间隙， 并与发电机单极辐向磁体 22固定。 传动轴直筒 23-1的上部与活塞 3固定。 直线电机端部导磁压板 21分别位于发电内 （外）铁心的两端。 发电内、 外铁 心 24、 26采用硅钢片放射性叠置， 直线电机端部导磁压板 21可为整体式、 放射状硅 钢片或水平硅钢片。 为了减小安装难度， 发电内、 外铁心 24、 26及端部导磁压板 21 可增加放射性骨架， 放射性骨架之间叠置放射状硅钢片， 放射性骨架采用高电阻材料 或非导磁材料。 参见图 1， 气缸底部通过传动轴承 18和油封 20使气缸下部形成密封空间， 油封 20在传动轴承 18的下方， 在活塞 3向下止点运动时， 底部空间压力增高， 在活塞向 上止点运动时， 下部空间形成一定的真空度， 该空间工作在气弹簧状态， 同时通过在 机油喷口 16和机油回收口 17接上单向阀， 再与密封的油箱、 过滤器相连， 就形成了 自动泵油系统， 其余低压回油孔通过单流阀接入气缸底部的机油回收口 17 的单流阀 以前， 可利用缸体下部的压力变化实现泵油效果， 在气缸底部的靠上的方向接一个可 调节的向内流的单流阀 （开启压力调整为略低于大气压，例如低于大气压 10%〜20%)， 可在气缸下部压力较低时补充一定的空气， 维持稳定适当的气弹簧和泵油效果。

图 4为非对称大桶度活塞环示意图， 活塞 3的外侧沿轴向方向设有多个用于容纳 活塞环的凹槽， 最上方的活塞环（即最靠近气门的活塞环）为第一活塞环 33， 第一活 塞环 33 的外壁为弧面， 最大直径位于活塞环中下部， 上部直径较小 （即桶度较大， 大于润滑油膜厚度）， 下部直径较大 （桶度相对较小）， 高压气体可进入上部环隙中， 产生向内的力， 部分抵消内壁气体压力， 降低活塞环的侧压力， 降低摩擦损失。

图 1中， 活塞 3与缸盖 7的形状为相同曲率的球面， 活塞 3上下运动时燃烧室 37 气体以上下运动为主， 没有明显不规则运动，可以大大减小紊流， 减少对流传热损失。

图 5是直线电机定子线圈立体图， 图 6是直线电机定子线圈局部剖面图。 定子线 圈 25包括扁导线 25-1和硅钢带 25-2，扁导线 25_1与硅钢带 25_2叠置立绕在线圈架 内筒 25-5上， 线圈端盖 25-3压在线圈两端； 线圈端盖 25-3的内表面为螺旋形表面， 其螺旋距离与扁导线 25-1与硅钢带 25-2总厚度一致， 使扁导线 25-1和硅钢带与线 圈端盖 25-3配合良好； 线圈架内筒 25-5采用高导磁材料制成， 并交错分布纵向缝， 减小涡流损失； 将线圈与硅钢带并联， 可降低电阻损失， 同时消除了硅钢带与扁导线 之间的电位。

图 7是单极辐向永磁直线电机式电磁气门驱动系统组装剖面图， 图 8是气门驱动 复合动子剖面图。 单极辐向永磁直线电机式电磁气门驱动系统由气门驱动复合动子、 内外铁心、 驱动线圈、 振动弹簧， 气门升程调整液压缸、 气门间隙调整液压缸， 速度 传感器等构成， 由内向外依次为气门杆、 气门弹簧 13、 气门电磁铁内铁心 12、 气门 驱动复合动子 11的单极辐向永磁铁 11-7、 气门线圈 14、 气门电磁铁外铁心 12-1。 内 铁心 12、 外铁心 12-1和气门线圈 14通过外套固定在一起，组成电磁铁绕组， 并与外 壳滑动配合。 衔铁 11-1， 内、 外铁心 12， 12-1和气门线圈 14构成了电磁铁。 内、 外 铁心由扇状硅钢片叠置， 内外铁心端部连结处有一小气隙 12-2，复合动子的衔铁 11-1 由扇状硅钢片叠成， 安装在衔铁架 11-8中。 连结套 11-5将导磁衬环 11-6和单极辐 向永磁铁 11-7组成一整体。 定位环 11-3上下各有一个定位台阶， 分别与衔铁上的衔 铁定位台阶 11-2、 导磁衬环 11-6配合， 衔铁 11-1与单极辐向永磁铁 11-7通过法兰 盘 11-4、 定位环 11-3用螺丝固定， 构成复合动子。 直线电机动子中的衔铁 11-1位于 上下电磁铁绕组之间， 辐向磁铁连结套 11-5与导磁衬环 11-6及辐向永磁铁 11-7的 组合环位于线圈 14与内铁心 12之间， 复合动子的衔铁位于两个电磁铁绕组之间， 气 门驱动复合动子的衔铁架 11-8 与气门杆固定， 衔铁架的上、 下端面分别压在上、 下 气门弹簧 13上，整个气门驱动复合动子 11随气门杆上下运动，衔铁平衡位置位于上、 下电磁铁组中间， 并且气门 4处于行程中间位置； 上电磁铁弹簧内孔上安装直线电机 式速度传感器 15， 上电磁铁的上表面安装气门间隙调整液压缸 35， 下电磁铁组的下 表面安装气门升程调整液压缸 36。 衔铁架和定位环用非导磁材料或高电阻材料制成； 导磁衬环 11-6和辐向磁铁连结套 11-5用高导磁材料制成， 通过适当设计可取消定位 环 11-3。 衔铁扇状硅钢片组可用高导磁、 高电阻材料制造， 此时可取消衔铁架。 以上 组成了电磁铁、 直线电机复合的机构， 气门弹簧与复合动子 11 为一振动体系， 利用 电磁铁及直线电机补充体系能量。 当衔铁与电磁铁的吸合面吸合时， 通过衔铁的永磁 铁磁通量增加， 可使衔铁吸合在电磁铁的吸合面上。 系统初始状态为气门关闭状态， 衔铁 11-1 吸合在上电磁铁上， 当气门需打开时向上电磁铁通以反向电流， 抵消永磁 体的磁通， 衔铁释放， 衔铁 11-1在气门弹簧的驱动下打开气门 4， 当衔铁与下电磁铁 的吸合面靠近时， 永磁铁的磁通使衔铁保持打开， 当气门要关闭时， 向下电磁铁中通 以反向电流， 衔铁释放， 衔铁 11-1在气门弹簧的驱动下关闭气门 4， 在气门 4运动过 程中实时测量衔铁运动速度， 并调整电磁铁中的电流大小， 使衔铁在接近电磁铁吸合 面时运动速度刚好为零。

由于气门头与高温气体接触， 当发动机运行时其温度比电磁驱动其它部份温度 高， 会造成衔铁与吸合面距离降低， 同时气门磨损也会降低衔铁与吸合面距离， 为了 保证正常工作， 就要提高衔铁与吸合面距离， 这样会增加电流， 增加能耗。 本实施例 将上电磁铁绕组（内、外铁心， 线圈及附件） 固定在一起， 与电磁气门外壳滑动配合， 气门弹簧产生对上电磁铁组的向上的力。 在外壳外部固定一个气门间隙调整液压缸 35， 气门间隙调整液压缸 35的入口设置单向阀， 并与发动机润滑油相连， 液压缸 35 的活动活塞与外壁之间采用间隙配合， 允许内部液体在外部压力下泄漏 （泄漏速度参 考常规气门液压顶柱确定）。 液压缸 35的作用面积用气门弹簧最小压力和滑润油压力 确定， 使液压缸 35 中的液体压力与滑润油的最高压力相等时， 液体产生的压力小于 气门弹簧产生的压力。 上电磁铁组被液压缸 35和气门弹簧定位， 当气门 4关闭且衔 铁 11-1 吸合时， 衔铁上部并在上电磁铁绕组内部的气门弹簧力为内力， 不对液压缸 35产生作用力；液压缸 35的作用力为衔铁 11-1下部并在下电磁铁绕组内部的气门弹 簧 （简称下气门弹簧） 的压力， 液压缸 35 在气门弹簧的压力下会泄漏其中的液体， 由于气门座与气门头接触， 限制了下气门弹簧压力的发挥， 液压缸 35 中的压力在吸 合时降低， 此时单向阀打开， 液压缸 35 的液体会得到补充， 补充量取决于泄漏量和 气门杆长度变化量， 在此过程中不需人为控制。

为了动态调整气门行程， 在下电磁铁组的底部安装了气门升程调整液压缸 36 (或 称电控环形液压缸）， 气门升程调整液压缸 36中设置一个带单向阀的入口， 一个带定 压阀的出口， 分别与带电控阀的入油管和回油管相连， 只有当入口电控阀打开并且液 压缸 36中压力低于入口油压时， 润滑油才可进入液压缸 36 (气门在完全关闭和完全 打开时液压缸 36中压力最低）， 只有当出口电控阀打开并且液压缸 36中压力高于定 压阀标定的压力时， 润滑油才可流出液压缸 36 (气门在完全打开前或开始关闭后的一 段时间内， 液压缸 36压力最大）。 由于气门运动过程中气门弹簧对液压缸 36的压力 会周期性变化， 同一台发动机的不同缸的相同类型气门， 其液压缸的压力具有固定相 位关系， 其中各缸相同类型气门在压力最高的时间不重叠， 可利用此特点顺序精确控 制各缸的回油量。 因此将所有不同缸的相同类型气门的行程调整液压缸的入口和出口 分别并联后， 再接电控阀接入油路， 可根据相位初步控制入油量， 出油口根据相位在 速度和位移传感器的监测下精确控制行程， 减小电控阀的数量， 采用顺序控制时各缸 的行程最好一致， 气门弹簧性能尽可能一致， 当然各气门行程也可采用独立的液压控 制。

图 9说明了多极辐向永磁直线电机的发电机单极辐向磁体动子结构， 传动轴组件 23与多极磁铁动子套 24-1通过丝扣连结，多极辐向磁铁 22-1交替叠置（一个外 N极， —个外 S极）， 并拼装在多极磁铁动子套 24-1 的端盖板之间， 多极磁铁动子套 24-1 用高导磁材料制成。

图 10 说明了另一实施例的齿槽式铁心多极辐向永磁直线电机定子线圈，扁导线

25- 1立绕在带齿外铁心 26-1的槽中， 带齿外铁心槽具有与立绕扁线相配合的螺旋面

26- 2， 提高线圈的装填容量。

导磁带与扁导线立绕加外铁心的定子形状与单极辐向永磁直线电机的动子总体 结构类似， 将图 5的扁导线与导磁带叠置立绕线圈分段， 各段分别引出两个端子， 同 相绕组首尾相接， 将以上线圈安装在筒形的外铁心中， 就组成了扁导线与导磁带叠置 立绕的直线电机定子。

将多极辐向永磁直线电机动子与多极辐向永磁直线电机定子线圈同心安装， 两端 用压板压住 （不需要导磁）， 就组成了多极辐向永磁直线电机。

受迫振动直动发电系统是受迫振动体系在弹簧、 电磁力、 燃烧室的压力共同作用 下实现受控的振动， 在做功冲程中输出电力。 工作过程如下： 在系统初始状态下， 电 磁气门 4处于关闭状态， 启动过程中直线电机通周期性电流， 驱动振动体系周期性振 动， 同时进气门随着活塞 3上下运动而同步打开、 关闭， 到系统能量和行程满足启动 要求时， 进入工作循环。 吸气冲程初期， 振动体系处于上止点处， 上螺旋弹簧 28 被 压并， 上碟形弹簧 19被压缩， 压缩量取决于体系能量， 振动体系在上碟形弹簧 19和 上螺旋弹簧 28的压力下， 向下止点运动， 进气门打开， 排气门关闭， 空气吸入气缸， 同时将燃料喷入， 振动体系向下止点运动过程中， 下螺旋弹簧 29 压缩， 在后期下螺 旋弹簧 29压缩压并， 下碟形弹簧 31压缩， 振动体系运动速度为零时， 吸气冲程结束， 进入压缩冲程；振动体系在下碟形弹簧 31和下螺旋弹簧 29的压力下， 向上止点运动， 进、 排气门关闭， 振动体系向上止点运动过程中， 上螺旋弹簧压缩并压并， 上碟形弹 簧压缩， 混合气在压缩的过程中温度升高， 当温度达到着火点时， 混合气被压燃， 振 动体系在上螺旋弹簧、 上碟形弹簧及高压气体的作用下速度降低， 当速度为零时， 进 入做功冲程； 此时振动体系在上螺旋弹簧 28、 上碟形弹簧 19及高压气体的作用下加 速向下止点运动， 在此过程中， 通过控制电路向外输出电流， 振动体系在下螺旋弹簧、 下碟形弹簧及电磁力的作用下速度降为零， 进入排气冲程； 排气门打开， 振动体系在 下螺旋弹簧 29、 下碟形弹簧 31的作用下加速向上止点运动， 向外排气， 当振动体系 在上螺旋弹簧、上碟形弹簧的作用下速度为零时， 排气冲程结束， 完成一个工作循环。 体系中碟形弹簧由于劲度系数很高， 主要在螺旋弹簧压并时起作用， 随着体系能量增 力口， 碟形弹簧的作用变大， 其体系的固有振动频率提高， 可通过调整体系能量来调整 工作频率， 通过调整输出电流的不同， 控制体系能量， 来调整工作频率， 并使体系能 量满足压缩功的需求。 体系的平衡位置处于上止点附近， 压缩冲程时， 体系能量在上 止点处转化为气体压缩功。 在排气冲程时， 由于无高压气体的作用， 体系在平衡位置 处速度最高， 此时上螺旋弹簧压并， 上碟形弹簧压缩， 体系在高劲度系数的碟形弹簧 的作用下， 快速停止， 进入吸气冲程。 在以上过程中进行速度和位置检测， 或利用速 度、 电流及反电动势关系进行位置和速度计算， 动态调整发电电流， 必要时可在做功 冲程外的其它三个冲程中让电机工作在发电或电机状态， 协调系统工况。

Claims (16)

1. 权利要求书

   1. 一种受迫振动直动发电系统， 其特征是， 所述发电系统包括受迫振动体系， 受迫振动体系在活塞 （3) 做功和直线电机的发电控制下协调工作， 以进行受迫振动 直动发电， 受迫振动体系包括传动轴组件（23)， 传动轴组件（23)将发动机活塞（3)、 直线的发电机单极辐向磁体 （22) 和振动弹簧固定在一起， 传动轴组件 （23) 包括传 动轴直筒 （23-1)， 传动轴直筒 （23-1) 采用大直径中空式， 振动弹簧分别位于传动 轴 （23-1) 的内外， 以减小系统长度； 直线电机采用单极辐向永磁直线电机或多极辐 向永磁直线电机； 活塞 （3) 外侧的第一活塞环 （33) 采用大桶度非对称活塞环， 降 低摩擦损失； 燃烧室 （37) 为缸盖、 活塞及缸套所包围的空间， 燃烧室采用缸盖 （7) 与活塞 （3) 近平行且平滑结构， 降低燃烧室传热损失； 设置于缸盖 （7) 的气门驱动 机构采用单极辐向永磁直线电机式的电磁气门驱动系统。
2. 2. 根据权利要求 1 所述的受迫振动直动发电系统， 其特征是： 所述传动轴直筒 (23-1) 将振动弹簧间接延伸至气缸内部， 减小系统长度； 所述振动弹簧包括上碟形 弹簧 （19)， 上螺旋弹簧 （28)， 下螺旋弹簧 （29) 和下碟形弹簧 （31)， 下螺旋弹簧 (29)位于传动轴 （23-1)之内， 下碟形弹簧（31)连接在下螺旋弹簧 （29) 的下部， 上螺旋弹簧 （28) 位于传动轴 （23-1) 之外， 上碟形弹簧 （19) 连接在上螺旋弹簧的 上部。
3. 3. 根据权利要求 1 所述的受迫振动直动发电系统， 其特征是： 所述直线电机包 括发电内、 外铁心 （24、 26)， 端部导磁压板 （21)， 定子线圈 （25)， 环形的发电机 单极辐向磁体 （22) 和所述传动轴组件 （23); 发电内、 外铁心 （24、 26) 同心安装， 端部用导磁压板 （21) 连结， 定子线圈 （25) 位于发电内、 外铁心 （24、 26) 之间， 发电机单极辐向磁体 （22) 位于定子线圈 （25) 和发电内铁心 （24) 之间， 传动轴组 件 （23) 还包括呈放射状的连接架 （23-2)， 连接架 （23-2) 与传动轴直筒 （23-1) 为一体式结构， 位于传动轴直筒 （23-1) 的下方， 发电机单极辐向磁体 （22) 亦呈放 射状， 发电内铁心 （24) 由数个扇区构成， 扇区之间留有间隙， 传动臂 （23-2) 通过 发电内铁心 （24) 的放射性间隙与发电机单极辐向磁体 （22) 相连， 定子线圈 （25) 采用导磁片与扁导线交替式结构。
4. 4. 根据权利要求 3 受迫振动直动发电系统， 其特征是： 所述发电机单极辐向磁 体 （22) 的内侧为一极， 外侧为一极。
5. 5. 根据权利要求 3 所述的受迫振动直动发电系统， 其特征是： 所述发电内铁心 ( 24)、 发电外铁心 （26 ) 及导磁压板 （21 ) 分别由梯形硅钢片放射状叠成。
6. 6. 根据权利要求 3 所述的受迫振动直动发电系统， 其特征是： 所述远离气缸方 向的导磁压板 （21 ) 的厚度小于靠近气缸方向的导磁压板 （21 ) 的厚度， 并在远离气 缸方向上的导磁压板上留有气隙， 也可直接取消导磁压板， 以减小气门线圈产生的磁 通和电感， 提高直线电机工作磁场。
7. 7. 根据权利要求 3所述受迫振动直动发电系统， 其特征是： 所述定子线圈 （25 ) 包括扁导线 （25-1 ) 和硅钢带 （25-2)， 硅钢带与扁导线呈叠置立绕方式。
8. 8. 根据权利要求 7所述受迫振动直动发电系统， 其特征是： 所述定子线圈 （25 ) 包括线圈架内筒 （25-5)， 线圈架内筒由高导磁材料制成， 材料导电能力较高时， 在 线圈架内筒上分布交错的纵向缝。
9. 9. 根据权利要求 8所述受迫振动直动发电系统， 其特征是： 压在定子线圈 （25 ) 上的线圈端盖 （25-3 ) 的面为螺旋面， 其螺距等于导磁材料与扁导线厚度和。
10. 10. 根据权利要求 1所述受迫振动直动发电系统， 其特征是： 所述发电机单极辐 向磁体 （22 ) 为辐向永磁铁动子； 定子线圈 （25 ) 为立绕结构， 定子铁心槽具有螺旋 面， 或者定子线圈为导磁带与扁导线叠置分段立绕并加外铁心的结构， 端部压板不需 导磁材料。
11. 11. 根据权利要求 10 所述受迫振动直动发电系统， 其特征是： 齿槽结构的定子 线圈为立绕线圈， 齿槽的槽上有与立绕线圈相配合的螺旋面。
12. 12. 根据权利要求 10 所述受迫振动直动发电系统， 其特征是： 导磁带与扁导线 叠置立绕加外铁心的定子线圈， 为导磁带与扁导线分段叠置立绕的线圈， 各段分别引 出两个端子， 同相绕组首尾相接，外部套环状铁心。
13. 13. 根据权利要求 1 所述的受迫振动直动发电系统， 其特征是： 所述活塞 （3 ) 和缸盖 （7 ) 分别为球面形状， 降低对流传热损失。
14. 14. 根据权利要求 1所述的受迫振动直动发电系统， 其特征是： 所述第一活塞环 ( 33 ) 的靠近缸盖 （7 ) 方向的一端的桶度大于远离缸盖一端的桶度， 且第一活塞环 靠近缸盖一端的桶度大于润滑油膜厚度； 活塞环最大外径位于活塞环的下部； 气缸内 的高压气体进入第一活塞环 （33 ) 的外壁上面部分， 抵消部分高压气体的侧压力， 以 减少摩擦损失。
15. 15. 根据权利要求 1所述的受迫振动直动发电系统， 其特征是： 所述电磁气门驱 动系统包括气门杆， 气门弹簧 （13 )， 上电磁铁和下电磁铁， 每个电磁铁包括衔铁 (11-1)， 气门电磁铁内、 外铁心 （12， 12-1) 和气门线圈 （14)， 衔铁 （11-1) 位于 上、 下电磁铁之间； 所述衔铁 （11-1) 与单极辐向永磁铁 （11-7) 相结合构成气门驱 动复合动子 （11); 气门杆、 气门弹簧 （13)、 气门电磁铁内铁心 （12)、 单极辐向永 磁铁 （11-7)、 气门线圈 （14)、 气门电磁铁外铁心 （12-1) 由内向外依次套接。
16. 16. 根据权利要求 15 所述的受迫振动直动发电系统， 其特征是： 所述气门驱动 衔铁与两个电磁铁内、 外铁心和衔铁分别采用放射性硅钢片为主的导磁材料； 气门线 圈采用导磁体与导线交替的结构。