CN104632375B - 一种双动子永磁直线发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双动子永磁直线发电机，属于混合动力系统技术领域。包括：对外供电接口、外线圈逆变器、储能单元、中间线圈逆变器、喷油器、气缸体、活塞、外部线圈、永磁体、中间线圈、同步活塞、液压缸和点火机构。其中，对外供电接口用于引出该发电机所产生的电流；储能装置用于为线圈供电，逆变器用于直流电与交流电的转换，线圈的作用是通电产生变化的磁场，永磁体用于切割磁力线，产生感应电动势，液压缸的作用是通过油液的相互作用使永磁体与线圈做相向运动。在该发电机中通过液压缸中的油液使线圈与永磁体的相向运动，从而时永磁体切割磁力线的速率较往常直线发电机提高了一倍，能够很大程度的提升发电效率。

Description

一种双动子永磁直线发电机

技术领域

发明涉及一种直线发电机，具体涉及一种永磁直线发电机，属于混合动力系统技术领域。

背景技术

随着科学技术的进步，人们对发电机的结构、效率、功率密度、污染排放有着越来越高的要求。自由活塞直线发电机是自由活塞发动机和直线发电机耦合形成的一种新型直线内燃发动/发电混合动力装置。这种新型动力装置与传统的曲柄连杆式内燃机加旋转发电机组合的混合动力系统有着很大的不同。首先自由活塞直线发电机通过永磁体切割磁力线将活塞的往复直线运动直接转换为电能输出，没有曲柄、飞轮等旋转运动部件；而且活塞运动规律不受机械结构的限制，工作过程中压缩比可以灵活调节，具有功率密度高、发电效率高，燃料类型广、排放污染轻等潜在优势。因此直线发电机可广泛应用于车辆、生物医疗、国防军工、精密仪器以及微型机器人等诸多领域，具有较高的实用价值。

现有的直线发电机结构复杂，永磁体与线圈相对运动速度低，导致发电效率不高，燃料利用率差等。如中国专利CN1607714公开了一种磁通压缩脉冲直线发电机，其公开的技术方案为利用推进剂燃烧产生的燃气推动活塞，进而带动电枢在电感线圈中作直线运动进行磁通压缩，产生脉冲大电流。在该发明中，驱动段与压缩段分离，是一个二冲程内燃机，发电效率较低，燃料利用率差，同时排放污染严重。中国专利CN1625026公开了一种活塞式内燃直线发电机，其公开的技术方案为在活塞内燃机的活塞和连杆间装有运动轴，运动轴圆周上装有直线发电机的永磁体，线圈绕在运动轴外的壳体上，线圈和铁芯组成发电机的定子。在该发明中，由于线圈固定，永磁体与线圈间的相对运动速度低，发电效率不高，能量损失较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种双动子永磁直线发电机，在该发电机中，通过永磁体与线圈之间的相向运动，能够有效提高永磁体切割磁感线的运动速率，提升发电效率，从而解决现有直线发电机发电效率不高，燃料利用率差的问题。

该双动子永磁直线发电机包括：对外供电接口、外线圈逆变器、储能单元、中间线圈逆变器、喷油器、气缸体、活塞、外部线圈、永磁体、中间线圈、同步活塞、液压缸和点火机构。

其连接关系为：所述液压缸一端开口，一端封闭；在其开口端具有两个相互贯通且与其中心孔同轴的环形开口腔，环形开口腔内有液压油；两个环形开口腔之间设置有同轴的环形槽；所述液压缸固定在气缸体内部，在其中心孔内同轴安装缠绕有中间线圈的固定杆；所述活塞为中空的筒形结构，其一端开口，一端封闭；活塞的开口端同轴套装在液压缸的环形槽内，所述活塞的外圆周面上缠绕外部线圈；所述活塞外同轴套装有活塞筒，所述活塞筒的一端与活塞固接，另一端向活塞的开口端延伸并伸入液压缸直径较大的环形开口腔内；所述同步活塞为两端均开口的筒形结构，位于在活塞内部；同步活塞的一端伸入液压缸直径较小的油液环形腔内，另一端的外圆周面上固定环形永磁体；

在活塞封闭端所对的气缸体的内表面上，沿其轴向向活塞所在端延伸有与活塞匹配的环形凸起，活塞9封闭端伸入该环形凸起内，由此形成封闭的空气腔；在在该空气腔的端面上设置进气门、排气门、喷油器和点火机构；

所述对外供电接口与外线圈逆变器相连；所述储能单元分别与外线圈逆变器和中间线圈逆变器相连；所述外线圈逆变器与外部线圈相连，中间线圈逆变器与中间线圈相连。

该发动机为四冲程发动机，一个工作循环包括吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程；

所述吸气冲程内，进气门处于打开状态，储能单元通过外线圈逆变器向外部线圈通电，使缠绕有外部线圈的活塞从上止点位置向下止点位置移动；进而通过液压缸内的油液推动固定有环形永磁体的同步活塞与所述活塞相向移动；当所述活塞移动至下止点位置时，完成吸气冲程；储能单元停止通电，并关闭进气门；

所述压缩冲程内，储能单元通过中间线圈逆变器向中间线圈通电；所述永磁体在中间线圈所产生的该磁场中受到力的作用，使同步活塞向液压缸的封闭端移动；进而通过液压缸内的油液推动活塞从下止点位置向上止点位置运动；同时，所述喷油器向空气腔内喷油，形成可燃混合气体；在此过程中，空气腔内的可燃混合气被压缩，当所述活塞移动至其上止点位置时，完成压缩冲程，储能单元停止通电；

所述做功冲程内，所述点火机构点燃空气腔内的可燃混合气体，燃气膨胀，推动所述活塞自上止点位置向下止点位置移动做功，进而通过液压缸内的油液推动固定有环形永磁体的同步活塞与所述活塞相向移动；在此过程中，所述永磁体切割磁感线，产生感应电动势，并形成电流通过所述对外供电接口引出，同时为储能单元充电；当所述活塞移动至下止点位置时，完成做功冲程；

所述排气冲程内，打开排气门，所述电容通过中间线圈逆变器向中间线圈通电；所述永磁体在中间线圈所产生的该磁场中受到力的作用，使同步活塞向液压缸的封闭端移动；进而通过液压缸内的油液推动活塞从下止点位置向上止点位置运动，通过活塞的挤压作用将空气腔内燃烧后的废气排出，当所述活塞移动至其上止点位置时，完成排气冲程，储能单元停止通电，并关闭排气门；

所述上止点位置指所述活塞向空气腔所在端移动至其最大行程处时的位置；所述下止点位置指所述活塞向液压缸所在端移动至其最大行程处时的位置。

有益效果：

该发电机通过实现线圈与永磁体的相向运动，使切割磁力线的运动速度提升为原先的两倍，极大的提高了发电效率，并且结构简单，运行速率高，可靠性好。

附图说明

图1为该双动子永磁直线发电机的总体结构示意图；

图2为吸气冲程初始时气缸内元件的位置示意图；

图3为压缩冲程初始时气缸内元件的位置示意图；

图4为做功冲程初始时气缸内元件的位置示意图；

图5为排气冲程初始时气缸内元件的位置示意图。

其中：1-对外供电接口、2-外线圈逆变器、3-电池、4-电容、5-中间线圈逆变器、6-喷油器、7-进气门、8-气缸体、9-活塞、10-外部线圈、11-永磁体、12-中间线圈、13-同步活塞、14-液压缸、15-排气门、16-点火机构、17-控制器

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供一种双动子永磁直线发电机，在该发电机中通过油液的作用实现线圈与永磁体的相向运动，使切割磁力线的运动速度提升为原先的两倍，极大的提高了发电效率，并且结构简单，运行速率高，可靠性好。

该直线发电机的具体结构如图1所示，包括：对外供电接口1、外线圈逆变器2、电池3、电容4、中间线圈逆变器5、喷油器6、气缸体8、活塞9、外部线圈10、永磁体11、中间线圈12、同步活塞13、液压缸14、点火机构16和控制器17。其中，对外供电接口1用于引出该发电机所产生的电流；电容4与电池3为储能装置，逆变器(外线圈逆变器2和中间线圈逆变器5)用于直流电与交流电的转换，线圈(外部线圈10和中间线圈12)的作用是通电产生变化的磁场，永磁体11用于切割磁力线，产生感应电动势，液压缸14的作用是通过油液的相互作用使永磁体11与线圈做相向运动，由此能够使永磁体11切割磁力线的速率较往常直线发电机提高了一倍，从而很大程度的提升发电效率。

该发电机的整体连接关系为：

所述液压缸14一端开口，一端封闭；液压缸14具有中心孔和两个从底部贯通的环形开口腔，该两个环形开口腔均与中心孔同轴；所述环形腔内装液压油，两个环形开口腔之间设置有同轴的环形槽。所述液压缸14通过其封闭端同轴固定在气缸体8内部，在其中心孔内同轴安装固定杆，所述固定杆的一端与液压缸14的内底面固接，另一端的外圆周面上缠绕线圈形成中间线圈12。所述活塞9为中空的筒形结构，其一端开口，一端封闭。活塞9通过其开口端同轴套装在液压缸14的环形槽内，在所述活塞9的外圆周面上缠绕线圈形成外部线圈10。所述活塞9还包括同轴套装在其外圆周面的活塞筒，活塞筒的一端与活塞9的外圆周固接(也可与活塞9一体化成形)，另一端向活塞9的开口端延伸并伸入液压缸14直径较大的油液环形腔内。所述同步活塞13为两端均开口的筒形结构，位于在活塞9内部；同步活塞13的一端伸入液压缸14直径较小的油液环形腔内，另一端的外圆周面上固定环形永磁体11。

在活塞9封闭端所对的气缸体8的内底面上，沿其轴向延伸有与活塞9匹配的环形凸起，活塞9封闭端伸入该环形凸起内，由此形成密闭的空气腔，同时该环形凸起的内圆周面能够对活塞9的运动起导向作用。在该空气腔对应的内底面上设置有进气门7、排气门15、喷油器6和点火机构16。

所述对外供电接口1与外线圈逆变器2相连，电池3与外线圈逆变器2相连，外线圈逆变器2将电池3提供的直流电转换为交流电。外线圈逆变器2与外部线圈10相连，从而向外部线圈10通交流电以产生变化的磁场。所述电容4与中间线圈逆变器5相连，中间线圈逆变器5与中间线圈12相连。同时所述电池3也与中间线圈逆变器5相连，通过中间线圈逆变器5向其充电。所述外线圈逆变器2、电池3、电容4、中间线圈逆变器5、喷油器6、点火机构16、进气门7和排气门15分别与控制器17相连，受控于控制器17。

下面结合图2至图5具体说明该双转子永磁直线发电机的工作过程：

所述双转子指该永磁直线发电机的线圈和永磁体均是运动的，通过永磁体11与线圈的相向运动，提高永磁体切割磁力线的速率。该永磁直线发电机为四冲程发电机，其工作过程依次为吸气冲程—压缩冲程—做功冲程—排气冲程。

在其工作过程中，由于液压缸14内油液的作用使得活塞9和同步活塞13相向运动，当同步活塞13向液压缸14底部(封闭端)运动到其最大行程时，同步活塞13的端部位于液压缸14内位置A，活塞9的开口端位于液压缸14内位置B，令该位置为活塞9的上止点位置，如图2所示。当同步活塞13向液压缸14顶部(开口端)运动到其最大行程时，同步活塞13的端部位于液压缸14内位置C，活塞9的开口端位于液压缸14内位置D，令该位置为活塞9的下止点位置，如图3所示。

吸气冲程初始时，如图2所示，活塞9处于上止点位置(位置B)，同步活塞13处于位置A。控制器17打开进气门7，并控制电池3通过外线圈逆变器2向外部线圈10通交流电，外部线圈10通电后在永磁体11产生的磁场中受到力的作用，从上止点位置向下止点位置运动。在此过程中，由于液压缸14内油液的作用，推动同步活塞13从液压缸14的底部向顶部运动。同时由于进气门7处于常开状态，新鲜气体从进气门7进入气缸体8的空气腔内，当活塞9运动至下止点位置(位置D)时，完成吸气冲程，此时同步活塞13的端部处于液压缸14内位置C，如图3所示。控制器17控制电池3停止通电，并关闭进气门7。

然后进入压缩冲程：由于压缩冲程需要瞬时大电流，因此压缩冲程中采用电容4供电。控制器17控制电容4通过中间线圈逆变器5向中间线圈1提供交流电。中间线圈12通电产生变化的磁场，永磁体11在该磁场中受到力的作用，使同步活塞13向液压缸14底部运动。在此过程中，由于液压缸14内油液的作用，推动活塞9从下止点位置向上止点位置运动，压缩空气腔内的气体。同时，控制器17控制喷油器6向空气腔内喷油，形成可燃混合气体。由于此时进排气门全部关闭，空气腔内的可燃混合气被压缩，空气腔内压力上升，当活塞9运动至上止点位置时，完成压缩冲程。此时同步活塞13处于液压缸14内位置A，如图4所示。控制器17控制电容4停止通电。

做功冲程时：控制器启动点火机构16，点燃气缸体8空气腔内的可燃混合气体，燃气膨胀，推动活塞9自上止点位置向下止点位置移动做功，同样由于液压缸14内液压油的作用，使同步活塞13向液压缸14顶部移动。在此过程中，永磁体11与外部线圈10做相向运动，使永磁体11高速切割磁感线，产生感应电动势，并形成电流通过对外供电接口1引出；同时外部线圈10可通过外线圈逆变器2将产生的直流电转化为交流电对电池3充电，而中间线圈12可通过中间线圈逆变器5将产生的直流电转化为交流电给电容4充电。当活塞9运动至下止点位置时，完成膨胀做功冲程以及对储能装置的充电过程，此时活塞9和同步活塞13的位置如图5所示。

排气冲程：控制器17打开排气门15，并控制电容4通过中间线圈逆变器5向中间线圈12通交流电。中间线圈12通电产生变化的磁场，永磁体11在该磁场中受到力的作用，使同步活塞13向液压缸14底部运动。由于液压缸14内油液的作用，使活塞9从下止点位置向上止点位置运动，此时排气门15处于常开状态，通过活塞9的挤压作用将燃烧后的废气排出，完成排气冲程，此时活塞9和同步活塞13回到图1所示位置。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种双动子永磁直线发电机，其特征在于，包括：对外供电接口(1)、外线圈逆变器(2)、储能单元、中间线圈逆变器(5)、喷油器(6)、气缸体(8)、活塞(9)、外部线圈(10)、永磁体(11)、中间线圈(12)、同步活塞(13)、液压缸(14)和点火机构(16)；

其连接关系为：所述液压缸(14)一端开口，一端封闭；在其开口端具有两个相互贯通且与其中心孔同轴的环形开口腔，环形开口腔内有液压油；两个环形开口腔之间设置有同轴的环形槽；所述液压缸(14)固定在气缸体(8)内部，在其中心孔内同轴安装缠绕有中间线圈(12)的固定杆；所述活塞(9)为中空的筒形结构，其一端开口，一端封闭；活塞(9)的开口端同轴套装在液压缸(14)的环形槽内，所述活塞(9)的外圆周面上缠绕外部线圈(10)；所述活塞(9)外同轴套装有活塞筒，所述活塞筒的一端与活塞(9)固接，另一端向活塞(9)的开口端延伸并伸入液压缸(14)直径较大的环形开口腔内；所述同步活塞(13)为两端均开口的筒形结构，位于在活塞(9)内部；同步活塞(13)的一端伸入液压缸(14)直径较小的油液环形腔内，另一端的外圆周面上固定环形永磁体(11)；

在活塞(9)封闭端所对的气缸体(8)的内表面上，沿其轴向向活塞(9)所在端延伸有与活塞(9)匹配的环形凸起，活塞9封闭端伸入该环形凸起内，由此形成封闭的空气腔；在该空气腔的端面上设置进气门(7)、排气门(15)、喷油器(6)和点火机构(16)；

所述对外供电接口(1)与外线圈逆变器(2)相连；所述储能单元分别与外线圈逆变器(2)和中间线圈逆变器(5)相连；所述外线圈逆变器(2)与外部线圈(10)相连，中间线圈逆变器(5)与中间线圈(12)相连。

2.如权利要求1所述的双动子永磁直线发电机，其特征在于，所述储能单元包括电池(3)和电容(4)，所述电池(3)分别与中间线圈逆变器(5)和外线圈逆变器(2)相连，电容(4)与中间线圈逆变器(5)相连。

3.如权利要求2所述的双动子永磁直线发电机，其特征在于，该发电机为四冲程发电机，一个工作循环包括吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程；

所述吸气冲程内，进气门(7)处于打开状态，储能单元通过外线圈逆变器(2)向外部线圈(10)通电，使缠绕有外部线圈(10)的活塞(9)从上止点位置向下止点位置移动；进而通过液压缸(14)内的油液推动固定有环形永磁体(11)的同步活塞(13)与所述活塞(9)相向移动；当所述活塞(9)移动至下止点位置时，完成吸气冲程；储能单元停止通电，并关闭进气门(7)；

所述压缩冲程内，储能单元通过中间线圈逆变器(5)向中间线圈(12)通电；所述永磁体(11)在中间线圈(12)所产生的磁场中受到力的作用，使同步活塞(13)向液压缸(14)的封闭端移动；进而通过液压缸(14)内的油液推动活塞(9)从下止点位置向上止点位置运 动；同时，所述喷油器(6)向空气腔内喷油，形成可燃混合气体；在此过程中，空气腔内的可燃混合气被压缩，当所述活塞(9)移动至其上止点位置时，完成压缩冲程，储能单元停止通电；

所述做功冲程内，所述点火机构(16)点燃空气腔内的可燃混合气体，燃气膨胀，推动所述活塞(9)自上止点位置向下止点位置移动做功，进而通过液压缸(14)内的油液推动固定有环形永磁体(11)的同步活塞(13)与所述活塞(9)相向移动；在此过程中，所述永磁体(11)切割磁感线，产生感应电动势，并形成电流通过所述对外供电接口(1)引出，同时为储能单元充电；当所述活塞(9)移动至下止点位置时，完成做功冲程；

所述排气冲程内，打开排气门(15)，所述电容(4)通过中间线圈逆变器(5)向中间线圈(12)通电；所述永磁体(11)在中间线圈(12)所产生的磁场中受到力的作用，使同步活塞(13)向液压缸(14)的封闭端移动；进而通过液压缸(14)内的油液推动活塞(9)从下止点位置向上止点位置运动，通过活塞(9)的挤压作用将空气腔内燃烧后的废气排出，当所述活塞(9)移动至其上止点位置时，完成排气冲程，储能单元停止通电，并关闭排气门(15)；

所述上止点位置指所述活塞(9)向空气腔所在端移动至其最大行程处时的位置；所述下止点位置指所述活塞(9)向液压缸(14)所在端移动至其最大行程处时的位置。