CN110608094B - 一种带电动机的背置双绕组双活塞式自由活塞直线发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了带电动机的背置双绕组双活塞式自由活塞直线发电机，包括发电机、两套二冲程发动机，所述二冲程发动机包括气缸体、缸盖、安装在缸盖上的火花塞、安装在气缸体上的喷油器及簧片阀、与气缸体配合的活塞、与活塞连接的连杆、与气缸体连接的曲轴箱套件，所述曲轴箱套件包括左曲轴箱套件、右曲轴箱套件，其特征是，两套二冲程发动机对称连接在发电机两侧，还包括辅助电动机，发电机和辅助电动机布置于两发动机中间，所述发电机与辅助电动机同轴设置，所述发电机与辅助电动机采用双绕组电机结构。本发明解决电机工作模式切换响应时间长的问题，保证活塞顺利达到指定位置，使自由活塞直线发电机稳定运行。

Description

一种带电动机的背置双绕组双活塞式自由活塞直线发电机

技术领域

本发明涉及新能源汽车增程器技术领域，具体地说是一种带电动机的背置双绕组双活塞式自由活塞直线发电机。

背景技术

现有技术中，常见的自由活塞直线发电机(FPLG)结构有二冲程背置双活塞式结构(简称背置式)。背置双活塞式结构在发电机芯轴两端均设置二冲程发动机，二冲程发动机对称设置，中间布置电机，电机同时具备电动机和发电机两种功能，背置式具有较高的能量密度和较高的热效率。但存在的缺点是，由于FPLG省去了曲柄连杆机构，但FPLG存在活塞运动难以控制的难点，导致FPLG运行过程中上止点的位置可变，发动机燃烧循环变动工况更差，会出现燃烧状况极差或者失火的现象，甚至出现停机状况，无法保证FPLG的稳定运行，FPLG的优势无法得到发挥。由于发动机的燃烧循环变动以及电动和发电模式转换的响应时间问题，使得目前FPLG稳定运行存在很大难度。具体分析说明如下：

由于PFLG主要包括发动机和电机两个主要部件，一般情况下，FPLG中的电机在启动过程中提供动力，作为电动机拖动活塞运动，活塞达到指定位置后，该电机从电动机模式转换为发电机模型，输出电能。运行过程中，FPLG中活塞的运动取决于发动机缸内燃烧压力、发电机电磁力以及摩擦力。摩擦力基本为常数，因此，活塞运动运动主要取决于燃烧压力和发电机电磁力。而由于燃烧循环变动，发动机每循环的缸内燃烧状况都存在差异，且目前常见的FPLG在运行过程中，电磁力都设置为常数，就导致目前的FPLG运行过程中上止点的位置可变，发动机燃烧循环变动工况更差，会出现燃烧状况极差或者失火的现象。若出现失火，FPLG将发电机重新转换为电动机拖动活塞运行到指定位置，但由于电机工作模式转换需要时间，且转换成功后，电动机重新加载也需要一定的时间，就可能出现停机状况，无法保证FPLG的稳定运行，FPLG的优势无法得到发挥。

现有技术中，还没有能够实现稳定FPLG活塞运动的自由活塞直线发电机。

主要原因是：

1.首先，本发明涉及到的技术领域是采用内燃机和直线电机作为发电机，该技术领域本身相关研究机构深入很少。另外，由于此技术和产品是一个多学科交叉的技术结合，一些研究单位在研究直线发电机的发电过程当中由于没有相应学科系统支持，只能采用一些简单机构替代一些功能部件，例如在研究过程当中采用弹簧替代内燃机来进行研究模拟发电过程，实际掩盖忽略了真实的运行工况，比如像内燃机的循环变动问题。

2.还有一些做内燃机的单位研究，技术人员关注点大多在内燃机本身上面，相应的直线发电机和控制系统采用外购件，然后组合起来做试验，控制部分单纯的控制直线电机，并不能真正符合系统运行控制要求，无法二次开发，整体控制不系统，从而导致现有技术的自由活塞直线发电机不能可靠地启动、以及不能够稳定可靠地运行，目前已知国外的研究也只能运行十几秒，远远没有达到实用性的阶段。要想达到实用性的程度和阶段，需要开发出新的结构和装置。

发明内容

本发明就是为了解决现有技术存在的上述不足，提供一种带电动机的背置双绕组双活塞式自由活塞直线发电机，能够稳定发动机运行。本发明在现有结构的基础上，增加一套辅助电动机绕组，结构紧凑，辅助电动机和发电机绕组共槽，共用铁芯，同轴设计，由于辅助电动机绕组的协助，发电机状态不需要再进行模式转换，解决了发电机转化为电动机模式响应时间长的问题，同时由于辅助电动机提供动力的及时性，也就避免了由于失火使得活塞动力不足无法顺利达到指定位置而停机状况的发生，达到使自由活塞直线发电机稳定运行的目的。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种带电动机的背置双绕组双活塞式自由活塞直线发电机，包括发电机、两套二冲程发动机，所述二冲程发动机包括气缸体、缸盖、安装在缸盖上的火花塞、安装在气缸体上的喷油器及簧片阀、与气缸体配合的活塞、与活塞连接的连杆、与气缸体连接的曲轴箱套件，所述曲轴箱套件包括左曲轴箱套件、右曲轴箱套件，两套二冲程发动机对称连接在发电机两侧，还包括辅助电动机，发电机和辅助电动机布置于两发动机中间，所述发电机与辅助电动机同轴设置，所述发电机与辅助电动机采用双绕组电机结构。

所述双绕组电机包括电机壳体、电机动子、电机定子、动子芯轴、两端的电机端盖，所述电机壳体的左端通过左侧的电机端盖与左曲轴箱套件连接，电机壳体的右端通过右侧的电机端盖与右曲轴箱套件端部连接，所述电机定子嵌套在电机壳体内，所述电机定子上设有发电绕组、辅助电动机绕组，电机定子连接在动子芯轴上，左侧的电机端盖、右侧的电机端盖上分别设有直线轴承，动子芯轴两侧分别支撑在相配合的直线轴承上，动子芯轴的两端分别与两侧的连杆端部连接。

所述发电绕组与电动辅助绕组设于共同的定子槽内。

由于所述发电机与辅助电动机采用同一个发电机壳体结构，所述辅助电动机动子与发电机动子采用同一个芯轴和动子结构，使得整机结构更紧凑。提高了发电机的工作效能。

通过所述发电机端盖上设有直线轴承，一体结构的芯轴的两端分别通过直线轴承与两侧的发电机端盖连接。减少了运动副摩擦阻力，提高了发电机的功效。

所述曲轴箱套件上设有监测活塞位置的活塞位置传感器，所述位置传感器为磁栅传感器，其中磁栅传感器的传感器栅尺与机动子芯轴连接。

所述气缸体上设有测量曲轴箱温度和压力的曲轴箱温度传感器和压力传感器，能够测量曲轴箱扫气压力和温度。温度传感器和压力传感器可以采用同时测量曲轴箱温度和压力的复合式温度压力传感器。所述位置传感器、温度传感器、压力传感器分别与控制器连接。

所述电机定子热过盈镶嵌在壳体上。

所述动子芯轴与连杆通过球头连接结构连接。

本发明的有益效果是：

1.本发明由于辅助电动机的协助，发电机不需要再进行模式转换，解决了发电机转化为电动机模式响应时间长的问题，同时由于辅助电动机提供动力的及时性，也就避免了由于失火使得活塞动力不足无法顺利达到指定位置而停机状况的发生，达到使自由活塞直线发电机稳定运行的目的，充分发挥其优势。本发明能够可靠地保证位置固定准确可靠，启动过程中以及运行中出现失火或燃烧极差工况时，辅助提供适当动力，保证辅助活塞达到指定上止点位置，解决电机模式转换时间响应过长问题，解决由于失火等引起的活塞动力不足的问题。

2.本发明结构紧凑，由于所述发电机与辅助电动机采用同一个发电机壳体结构，所述辅助电动机动子与发电机动子采用同一个芯轴和动子结构，电机壳体分别与电机端盖连接，整机结构更紧凑，提高了发电机的工作效能。

3.本发明发电绕组与电动辅助绕组设于共同的定子槽内结构紧凑。

4.本发明通过在发电机端盖上设有直线轴承，一体结构的芯轴的两端分别通过直线轴承与两侧的发电机端盖连接，减少了运动副摩擦阻力，提高了发电机的功效。

5.本发明的辅助电动机和发电机同轴连接，不需要增加其他附加结构，结构简单紧凑，不增加原有结构的复杂性，使用和制作成本低，不需要进行很大结构改变即可实现FPLG的稳定运行，结构通用性好，降低设计和制造成本。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为图1的俯视图。

图中：1-火花塞，2-缸盖，4-喷油器，5-簧片阀，6-左曲轴箱套件，7-电机端盖，8-右曲轴箱套件，10-连杆，11-直线轴承，13-双绕组电机，131-电机壳体，132-电机动子，133-电机定子，134-动子芯轴，14-辅助电动机，19-活塞，20-气缸体，21-曲轴箱温度传感器，22-活塞位置传感器，23-发电绕组，24-电动辅助绕组，25-活塞位置传感器磁栅尺。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，一种带电动机的背置双绕组双活塞式自由活塞直线发电机，包括发电机、两套二冲程发动机，所述二冲程发动机包括气缸体20、缸盖2、安装在缸盖2上的火花塞1、安装在气缸体20上的喷油器4及簧片阀5、与气缸体21配合的活塞20、与活塞20连接的连杆10、与气缸体21连接的曲轴箱套件，所述曲轴箱套件包括左曲轴箱套件6、右曲轴箱套件8，两套二冲程发动机对称连接在发电机两侧，还包括辅助电动机，发电机和辅助电动机布置于两发动机中间，所述发电机与辅助电动机同轴设置，所述发电机与辅助电动机采用双绕组电机结构。

所述双绕组电机包括电机壳体131、电机动子132、电机定子133、动子芯轴134、两端的电机端盖7，所述电机壳体131的左端通过左侧的电机端盖7与左曲轴箱套件6连接，电机壳体131的右端通过右侧的电机端盖7与右曲轴箱套件8端部连接，所述电机定子133嵌套在电机壳体131内，所述电机定子133上设有发电绕组23、辅助电动机绕组24，电机定子133连接在动子芯轴134上，左侧的电机端盖7、右侧的电机端盖7上分别设有直线轴承12，动子芯轴134两侧分别支撑在相配合的直线轴承12上，动子芯轴134的两端分别与两侧的连杆10端部连接。

所述发电绕组23与电动辅助绕组24设于共同的定子槽内。

由于所述发电机与辅助电动机采用同一个发电机壳体131结构，所述辅助电动机动子与发电机动子采用同一个芯轴和动子结构，使得整机结构更紧凑。提高了发电机的工作效能。

通过所述发电机端盖7上设有直线轴承11，一体结构的芯轴的两端分别通过直线轴承与两侧的发电机端盖7连接。减少了运动副摩擦阻力，提高了发电机的功效。

所述曲轴箱套件上设有监测活塞位置的活塞位置传感器22，所述位置传感器22为磁栅传感器，其中磁栅传感器的传感器栅尺25与机动子芯轴134连接。

所述气缸体20上设有测量曲轴箱温度和压力的曲轴箱温度传感器21和压力传感器，能够测量曲轴箱扫气压力和温度。温度传感器和压力传感器可以采用同时测量曲轴箱温度和压力的复合式温度压力传感器。所述位置传感器23、温度传感器21、压力传感器分别与控制器连接。

如图所示，本发明的辅助电动机14和发电机13同轴连接，不需要增加其他附加结构，结构简单紧凑，不增加原有结构的复杂性，使用和制作成本低。

所述发电机定子132、辅助电动机定子142热过盈镶嵌在壳体上。

所述动子芯轴32与连杆10通过球头连接结构连接。

由于辅助电动机14一端通过辅助电动机端盖24与套曲轴箱套件6端部连接，保证位置固定准确可靠，同时另一端和发电机13同轴连接，简化结构，结构通用性好，降低设计和制造成本。

本发明的工作过程和原理：

本发明在现有技术结构的基础上，增加一个辅助电动机绕组(以下红色为新增加“绕组”俩字)，定子通过热过盈和电机壳体连接，辅助电动机和发电机同轴通壳体安装，动子芯轴连接发电机和辅助电动机的动子，动子芯轴连接球头连杆。启动过程中，辅助电动机绕组工作拖动活塞运行到指定位置，发动机点火燃烧，发动机起动运转正常后，辅助电动机绕组停止工作，发电机绕组开始工作并输出根据燃烧状况可变的电能，出现失火或燃烧状况极差工况时，控制辅助电动机绕组重新工作并提供适当动力，辅助活塞重新达到指定上止点位置，发电机绕组在此期间可逐渐减小输出电能直至停止工作，当缸内燃烧状况正常时，再重新输出电能，同时辅助电动机停止工作。由于辅助电动机绕组的协助，发电机不需要再进行模式转换，解决了发电机转化为电动机模式响应时间长的问题，同时由于辅助电动机提供动力的及时性，也就避免了由于失火使得活塞动力不足无法顺利达到指定位置而停机状况的发生，达到使自由活塞直线发电机稳定运行的目的，充分发挥其优势。具体控制过程为：

启动过程中辅助电动机14由发电机提供动力，动子芯轴134拖动活塞19运动，并由活塞位置传感器22监测活塞是否达到指定发动机点火位置，一旦活塞达到发动机点火位置，位置传感器产生触发信号，并将信号传送至控制器，控制器根据该信号控制发动机的火花塞1点火燃烧，同时由于发电机、辅助电动机与控制器连接，控制器控制辅助电动机停止工作，发电机开始工作，输出电能。

由于缸内燃烧循环变动，发电机输出的电能要根据缸内燃烧状况进行调整，缸内燃烧状况可根据活塞最大运行加速度进行判断，活塞最大运行加速度可通过磁栅传感器信号进行计算得到，将磁栅传感器测得的信号传输到控制器，并由控制器计算得到的活塞运动的最大加速度，基于最大加速度判断活塞是否具有足够的能量运动到下一个指定位置，若能运动到指定位置，根据能量守恒原理计算出发电机应输出的电能(功率)，控制系统控制发电机的电压值，实现输出电能的调整和稳定输出。

当活塞运动最大加速度较小时，表明缸内燃烧状况较差或出现失火，此时，控制系统根据最大加速度值进行计算，获得活塞顺利运行到下一个上止点所需要的补充能量，并控制发电机停止工作，辅助电动机再次工作，提供相应能量，保证活塞运行到指定位置。之后发动机再次燃烧，并对燃烧状况进行判断，若正常，则停止辅助电动机，启动发电机工作。本发明的二冲程背置双活塞式自由活塞直线发电机在辅助电动机的协助下，能够解决目前自由活塞直线发电机装置中电机模式转换响应时间长的问题，同时也能保证活塞可以顺利达到指定位置，实现自由活塞直线发电机的稳定运行。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种带电动机的背置双绕组双活塞式自由活塞直线发电机，包括发电机、两套二冲程发动机，所述二冲程发动机包括气缸体、缸盖、安装在缸盖上的火花塞、安装在气缸体上的喷油器及簧片阀、与气缸体配合的活塞、与活塞连接的连杆、与气缸体连接的曲轴箱套件，所述曲轴箱套件包括左曲轴箱套件、右曲轴箱套件，其特征是，两套二冲程发动机对称连接在发电机两侧，还包括辅助电动机，发电机和辅助电动机布置于两发动机中间，所述发电机与辅助电动机同轴设置，所述发电机与辅助电动机采用双绕组电机结构；

所述双绕组电机包括电机壳体、电机动子、电机定子、动子芯轴、两端的电机端盖，所述电机壳体的左端通过左侧的电机端盖与左曲轴箱套件连接，电机壳体的右端通过右侧的电机端盖与右曲轴箱套件端部连接，所述电机定子嵌套在电机壳体内，所述电机定子上设有发电绕组、辅助电动机绕组，电机动子连接在动子芯轴上，左侧的电机端盖、右侧的电机端盖上分别设有直线轴承，动子芯轴两侧分别支撑在相配合的直线轴承上，动子芯轴的两端分别与两侧的连杆端部连接。

2.如权利要求1所述的 一种带电动机的背置双绕组双活塞式自由活塞直线发电机，其特征是，所述发电绕组与辅助电动机绕组设于共同的定子槽内。

3.如权利要求1所述的 一种带电动机的背置双绕组双活塞式自由活塞直线发电机，其特征是，所述曲轴箱套件上设有监测活塞位置的活塞位置传感器，所述位置传感器为磁栅传感器，其中磁栅传感器的传感器栅尺与动子芯轴连接。

4.如权利要求3所述的 一种带电动机的背置双绕组双活塞式自由活塞直线发电机，其特征是，所述气缸体上设有测量曲轴箱温度和压力的曲轴箱温度传感器和压力传感器，能够测量曲轴箱扫气压力和温度，所述位置传感器、温度传感器、压力传感器分别与控制器连接。

5.如权利要求1所述的 一种带电动机的背置双绕组双活塞式自由活塞直线发电机，其特征是，所述电机定子热过盈镶嵌在电机壳体上。

6.如权利要求1所述的一种带电动机的背置双绕组双活塞式自由活塞直线发电机，其特征是，所述动子芯轴与连杆通过球头连接结构连接。

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