CN110645086A - 一种单缸单活塞式自由活塞直线发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单缸单活塞式自由活塞直线发电机，包括发电机、二冲程发动机、辅助电动机，二冲程发动机包括活塞缸、曲轴箱套件、活塞、连杆、缸盖，活塞与活塞缸配合，曲轴箱套件与活塞缸连接，活塞与连杆连接，辅助电动机设于发电机、二冲程发动机之间，辅助电动机分别与发电机、二冲程发动机连接，电机左端盖与辅助电动机连接，电机右端盖与发电机壳体连接；辅助电动机、发电机、连杆与二冲程发动机的活塞缸轴向同轴设置，发电机定子与辅助电动机定子轴向最接近的两个绕组之间分别设有预定的轴向距离。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

一种单缸单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，具体地说是一种单缸单活塞式自由活塞直线发电机。

背景技术

现有技术中，自由活塞直线发电机(FPLG)结构常用的有单活塞式结构，单活塞式结构简单，容易控制，但是由于FPLG省去了曲柄连杆机构，存在着不平衡问题，且需要回位装置，FPLG存在活塞运动难以控制的难点。由于电机同时具备电动机和发电机两种功能，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。具体地说：

现有技术中由于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。因此，一种稳定FPLG活塞运动的装置，对解决目前FPLG的难点具有重要价值。

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，提供一种单缸单活塞式自由活塞直线发电机；本发明在现有结构的基础上，在发电机与发动机之间增加辅助电动机，辅助电动机和发电机同设置，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能够及时提供动力，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问题，保证了使自由活塞直线发电机稳定运行。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种单缸单活塞式自由活塞直线发电机，包括发电机、二冲程发动机，还包括辅助电动机，辅助电动机设于发电机、二冲程发动机之间，辅助电动机分别与发电机、二冲程发动机连接，所述二冲程发动机包括活塞缸、曲轴箱套件、活塞、连杆、缸盖，活塞缸上设有喷油器，缸盖上设有火花塞、簧片阀，活塞与活塞缸配合，曲轴箱套件与活塞缸连接，活塞与连杆连接，电机左端与辅助电动机连接，电机右端与发电机壳体连接；所述辅助电动机、发电机、连杆与二冲程发动机的活塞缸轴向同轴设置，所述发电机定子与辅助电动机定子轴向最接近的两个绕组之间分别设有预定的轴向距离L。

所述发电机包括发电机壳体、发电机定子、发电机动子、发电机动子芯轴，发电机定子镶嵌在发电机壳体中，发电机动子与发电机动子芯轴连接，发电机定子与发电机动子位置对应；

所述辅助电动机包括辅助电动机壳体、辅助电动机定子、辅助电动机动子、辅助电动机动子芯轴，辅助电动机定子镶嵌在辅助电动机壳体中，辅助电动机动子与辅助电动机动子芯轴连接，辅助电动机定子与辅助电动机动子位置对应，辅助电动机动子芯轴一端与相应侧的连杆连接、另一端与发电机动子芯轴连接，电动机壳体一端与发电机壳体连接、另一端与电机左端盖连接，电机左端盖与曲轴箱套件端部连接。

所述发电机壳体与辅助电动机壳体为一体结构，所述辅助电动机动子芯轴与发电机动子芯轴为一体结构，所述电机左端盖、电机右端盖设有直线轴承，一体结构的芯轴的两端分别通过直线轴承与电机左端盖、电机右端盖连接。

所述发电机定子分别与辅助电动机定子最接近的两个绕组的内侧的轴向距离大于活塞的最大行程。

所述发电机定子、辅助电动机定子热过盈镶嵌在壳体上。

所述辅助电动机动子芯轴与连杆通过球头连接结构连接。

所述曲轴箱套件上设有监测活塞位置的位置传感器；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辅助电动机动子芯轴连接或者与发电机动子芯轴连接。

所述气缸体上设有测量曲轴箱温度和压力的温度传感器和压力传感器，所述位置传感器、温度压力传感器分别与控制器连接。

所述发电机外侧设有弹簧，弹簧套装在发电机动子芯轴外侧的轴部，弹簧的右侧与电机右端盖连接、左端与发电机动子芯轴连接。

本发明的有益效果是：

1.本发明由于设有辅助电动机，辅助电动机一端与发动机连接、另一端连接发电机，结构紧凑，能够可靠地保证位置固定准确可靠，通过辅助电动机的协助，辅助提供适当动力，在启动过程中以及运行中出现失火或燃烧极差工况时、能够保证辅助活塞达到指定上止点位置，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，解决由于失火等引起的活塞动力不足的问题，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。

2.辅助电动机设于发电机、二冲程发动机之间，能够避免发电机长时间工作时发动机散热对发电机的影响，降低发电机的温升，提高发电机组的使用可靠性和寿命，降低故障率。

3.由于辅助电动机和发电机同轴连接，发电机壳体与辅助电动机壳体为一体结构，定子通过热过盈和外壳固定连接，动子配合定子，动子芯轴连接动子，不需要增加其他附加结构，保持了结构简单，不增加原有结构的复杂性，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，而且产品结构简单、而且可靠性高，通用性高，降低设计和制造成本。

4.由于电动机壳体一端与发电机壳体连接、另一端以后电机端盖与曲轴箱套件端部连接，连接及固定可靠、稳定性高，从而保证发电机及整机工作的可靠性和稳定性。

5.由于发电机壳体与辅助电动机壳体为一体结构，辅助电动机动子芯轴一与发电机动子芯轴为一体结构，电机端盖设有直线轴承，一体结构的芯轴的两端分别通过直线轴承与电机端盖连接，保证各个部件的同轴度，减少运动副的摩擦阻力，提高工作效能；同时本发明产品结构简单、而且可靠性高，通用性高，不需要增加其他附加结构，保持了结构简单，不增加原有结构的复杂性，能够降低设计和制造成本。

6.本发明由于发电机外侧设有弹簧，弹簧套装在发电机动子芯轴外侧的轴部，通过使用弹簧蓄能，能够给发电机、辅助电动机提供额外的辅助动力，能够可靠地保证活塞能够达到所需要的压缩和点火位置，实现发电机运行的稳定性和可靠性。

7.由于发电机定子与辅助电动机定子最接近的两个绕组的内侧的轴向距离大于活塞的最大行程，能够保证发电机动子、辅助电动机动子在轴向移动时分别独立地切割磁力线，保证发电机与辅助电动机独立地、不干扰地工作，保证发电机易于控制和工作稳定性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为土1的剖视图；

图3为图1的俯视图。

如图1至图3所示，图中：1-火花塞，2-缸盖，4-喷油器，5-簧片阀，6-曲轴箱套件，7-电机左端盖，8-电机右端盖，9-活塞，13-连杆，14-活塞缸，18-直线轴承，20-辅助电动机，21-发电机，22-弹簧，23-活塞位置传感器磁栅尺，24-曲轴箱温度传感器，25-活塞位置传感器。

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。

一种单缸单活塞式自由活塞直线发电机，包括发电机21、二冲程发动机，还包括辅助电动机20，辅助电动机20设于发电机21、二冲程发动机之间，辅助电动机20分别与发电机21、二冲程发动机连接，所述二冲程发动机包括活塞缸14、曲轴箱套件6、活塞9、连杆13、缸盖2，活塞缸2上设有喷油器4，缸盖2上设有火花塞1、簧片阀5，活塞9与活塞缸14配合，曲轴箱套件6与活塞缸14连接，活塞9与连杆13连接，电机左端盖7与辅助电动机连接，电机右端盖8与发电机壳体201连接；所述辅助电动机20、发电机21、连杆13与二冲程发动机的活塞缸14轴向同轴设置，所述发电机定子212与辅助电动机定子202轴向最接近的两个绕组之间分别设有预定的轴向距离。

所述发电机外侧设有弹簧21，弹簧21套装在发电机动子芯轴外侧的轴部，弹簧21的右侧与电机右端盖8连接、左端与发电机动子芯轴连接，通过使用弹簧能够给发电机21、辅助电动机20提供额外的辅助动力，保证活塞能够达到所需要的压缩和点火位置。

所述发电机21包括发电机壳体211、发电机定子212、发电机动子213、发电机动子芯轴214，发电机定子212镶嵌在发电机壳体中，发电机动子213与发电机动子芯轴214连接，发电机定子212与发电机动子213位置对应；

所述辅助电动机20包括辅助电动机壳体201、辅助电动机定子202、辅助电动机动子203、辅助电动机动子芯轴204，辅助电动机定子202镶嵌在辅助电动机壳体201环形槽中，辅助电动机动子203与辅助电动机动子芯轴204连接，辅助电动机定子202与辅助电动机动子203位置对应，辅助电动机动子芯轴204一端与相应侧的连杆13连接、另一端与发电机动子芯轴214连接，电动机壳体201一端与发电机壳体211连接、另一端与电机左端盖7连接，电机左端盖7与曲轴箱套件6端部连接。

由于电动机壳体201一端与发电机壳体211连接、另一端与相应侧的曲轴箱套件6端部连接，连接及固定可靠、稳定性高，从而保证发电机工作的可靠性和稳定性。

所述发电机壳体211与辅助电动机壳体201为一体结构，所述辅助电动机动子芯轴204与发电机动子芯轴214为一体结构，所述电机左端盖7、电机右端盖8设有直线轴承18，一体结构的芯轴的两端分别通过直线轴承与电机左端盖7、电机右端盖8连接。由于本发明的辅助电动机20和发电机21同轴连接，而且发电机壳体211与辅助电动机壳体201为一体结构，产品结构简单、而且可靠性高，通用性高，不需要增加其他附加结构，保持了结构简单，不增加原有结构的复杂性，能够降低设计和制造成本。

所述发电机定子212分别与辅助电动机定子202最接近的两个绕组的内侧的轴向距离大于活塞9的最大行程。

所述发电机定子212、辅助电动机定子202热过盈镶嵌在壳体上。

所述辅助电动机动子芯轴一204与连杆13通过球头连接结构连接。

所述曲轴箱套件6上设有监测活塞位置的位置传感器25。所述位置传感器25为磁栅传感器，其中磁栅传感器的传感器栅尺23与辅助电动机动子芯轴204连接或者与发电机动子芯轴214连接。辅助电动机与发电机动的位置可以互换。

所述气缸体21上设有测量曲轴箱温度和压力的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22。所述位置传感器23、温度压力传感器22分别与控制器连接。

本发明的工作过程和原理：

本发明通过设有发电机21、辅助电动机20，定子通过热过盈和外壳连接，辅助电动机20和发电机21同轴，辅助电动机动子芯轴204与发电机动子芯轴214为一体结构的芯轴，辅助电动机动子芯轴204的外端分别连接球头结构的连杆。启动过程中，辅助电动机拖动活塞运行到指定位置，发动机点火燃烧，然后辅助电动机停止工作，电动机开始工作并输出根据燃烧状况可变的电能，当出现失火或燃烧状况极差工况时，控制辅助电动机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：

启动过程中给辅助电动机20供电提供动力，辅助电动机动子芯轴204拖动两个活塞9运动，并由位置传感器25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20停止工作，发电机21开始工作，输出电能。

由于缸内燃烧循环变动，发电机21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21应输出的电能(功率)，控制系统控制发电机21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。本发明的对称结构的背置单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 (9)

1.一种单缸单活塞式自由活塞直线发电机，包括发电机、二冲程发动机，所述二冲程发动机包括活塞缸、曲轴箱套件、活塞、连杆、缸盖，活塞缸上设有喷油器，缸盖上设有火花塞、簧片阀，活塞与活塞缸配合，曲轴箱套件与活塞缸连接，活塞与连杆连接，其特征是，还包括辅助电动机，辅助电动机设于发电机、二冲程发动机之间，辅助电动机分别与发电机、二冲程发动机连接，电机左端盖与辅助电动机连接，电机右端盖与发电机壳体连接；所述辅助电动机、发电机、连杆与二冲程发动机的活塞缸轴向同轴设置，所述发电机定子与辅助电动机定子轴向最接近的两个绕组之间分别设有预定的轴向距离。

2.如权利要求1所述的一种单缸单活塞式自由活塞直线发电机，其特征是，所述发电机包括发电机壳体、发电机定子、发电机动子、发电机动子芯轴，发电机定子镶嵌在发电机壳体中，发电机动子与发电机动子芯轴连接，发电机定子与发电机动子位置对应；

所述辅助电动机包括辅助电动机壳体、辅助电动机定子、辅助电动机动子、辅助电动机动子芯轴，辅助电动机定子镶嵌在辅助电动机壳体中，辅助电动机动子与辅助电动机动子芯轴连接，辅助电动机定子与辅助电动机动子位置对应，辅助电动机动子芯轴一端与相应侧的连杆连接、另一端与发电机动子芯轴连接，电动机壳体一端与发电机壳体连接、另一端与电机左端盖连接，电机左端盖与曲轴箱套件端部连接。

3.如权利要求2所述的一种单缸单活塞式自由活塞直线发电机，其特征是，所述发电机壳体与辅助电动机壳体为一体结构，所述辅助电动机动子芯轴与发电机动子芯轴为一体结构，所述电机左端盖、电机右端盖设有直线轴承，一体结构的芯轴的两端分别通过直线轴承与电机左端盖、电机右端盖连接。

4.如权利要求2所述的一种单缸单活塞式自由活塞直线发电机，其特征是，所述发电机定子分别与辅助电动机定子最接近的两个绕组的内侧的轴向距离大于活塞的最大行程。

5.如权利要求2所述的一种单缸单活塞式自由活塞直线发电机，其特征是，所述发电机定子、辅助电动机定子热过盈镶嵌在壳体上。

6.如权利要求2所述的一种单缸单活塞式自由活塞直线发电机，其特征是，所述辅助电动机动子芯轴与连杆通过球头连接结构连接。

7.如权利要求2所述的一种单缸单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辅助电动机动子芯轴连接或者与发电机动子芯轴连接。

8.如权利要求1所述的一种单缸单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温度传感器和压力传感器，所述位置传感器、温度压力传感器分别与控制器连接。

9.如权利要求1所述的一种单缸单活塞式自由活塞直线发电机，其特征是，所述发电机外侧设有弹簧，弹簧套装在发电机动子芯轴外侧的轴部，弹簧的右侧与电机右端盖连接、左端与发电机动子芯轴连接。

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