CN112196669A - 具有多级回复装置的自由活塞发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多级回复装置的自由活塞发电系统，其包括燃烧室（2），所述燃烧室（2）内对称设置有两个燃烧室活塞，每一燃烧室活塞与一直线发电机（3）的动子传动连接，每一直线发电机（3）内部还设置有一气体弹簧（1），所述气体弹簧（1）用于与相应的直线发电机（3）动子配合，气体弹簧（1）配备有多个腔室，并且所述气体弹簧（1）至少局部嵌入相应直线发电机（3）动子的中空结构内。本发明提供的自由活塞发电系统至少具有结构简单紧凑，高效率和高功率密度等优势。

Description

具有多级回复装置的自由活塞发电系统

技术领域

本发明涉及一种自由活塞内燃直线发电机系统，具体涉及一种配备了多级回复气体弹簧的高功率密度直线发电机系统，属于汽车增程器领域。

背景技术

纯电动汽车由于存在续航里程短，配备电池体积大、质量重的不足，发展高效高功率密度的增程器成为现阶段汽车动力系统的研究热点。现有增程器大多为传统内燃机外加旋转发电机组合而成的发电系统，燃料的燃烧推动活塞的往复运动需要通过曲轴连杆转化为旋转运动驱动发电机将动能转化为电能。如此的转化过程，需要复杂的机械结构，并且转化环节具有较大的机械损耗，不利于系统的高效运行。为进一步提高系统的发电效率和性能，开发燃油利用率高、结构紧凑、损耗低的发电系统迫在眉睫。

自由活塞内燃直线发电机系统是一类将内燃机与直线发电机进行线性耦合的发电系统。燃油释放热量在缸内产生的压力垂直作用于直线活塞组件，推动直线发电机动子往复切割磁力线，产生电能。此类装置具有结构紧凑、摩擦力损耗小、高效率的特点。但是现有自由活塞内燃直线发电机系统通常是将内燃机、直线发电机、回复装置进行线性布置，因此占据了较长空间，使得发电系统存在一定的冗余空间。此外，现有自由活塞内燃直线发电机系统中各部件相接处的连接件还会增加电机动子的质量，不利于提高系统的运动频率，这导致现有自由活塞内燃直线发电机系统普遍存在出动子质量重、体积功率密度较低等不足。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有多级回复装置的自由活塞发电系统，从而克服现有技术的不足。

为达成前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种具有多级回复装置的自由活塞发电系统，其包括燃烧室，所述燃烧室内设置有至少一燃烧室活塞，每一燃烧室活塞与一直线发电机的动子传动连接，每一直线发电机内部还设置有一配备有多个腔室的气体弹簧，所述气体弹簧用于与相应的直线发电机动子配合，并且所述气体弹簧至少局部嵌入相应直线发电机动子的中空结构内。

在一些实施方式中，所述燃烧室内对称设置有两个燃烧室活塞，每一燃烧室活塞分别与一直线发电机的动子传动连接，该两个直线发电机相对于燃烧室横向对称轴线镜像对称。

在一些实施方式中，所述直线发电机动子与气体弹簧缸之间还设置有直线导向限位机构。

在一些实施方式中，所述气体弹簧缸外壁与直线发电机动子内壁之间设置有自润滑高分子骨架。

较之现有技术，本发明实施例提供的自由活塞发电系统至少具有结构简单紧凑、高效率和高功率密度等优势。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1为本发明一实施例中一种自由活塞内燃直线发电机系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例中一种自由活塞内燃直线发电机系统的剖视图；

图3为本发明一实施例中一种动子组件及气体弹簧的结构示意图；

图4为本发明一实施例中一种动子组件的结构示意图；

图5为本发明一实施例中一种气体弹簧腔体的结构示意图；

图6为本发明一实施例中一种燃烧室的结构示意图；

图7为本发明另一实施例中一种配备平板型发电机的自由活塞内燃直线发电机系统的结构示意图；

附图标记说明：气体弹簧1、燃烧室2、直线发电机3、气体弹簧活塞4、气体弹簧缸5、活塞杆6、永磁体7、燃烧室进气口8、燃烧室活塞9、燃烧室配件安装座10、燃烧室腔体11、燃烧室排气口12、电枢绕组13、定子硅钢片14、电机机壳15、燃烧室横向对称轴线16、燃烧室纵向对称轴线17、导向孔18、骨架通气口19、气体弹簧端盖20、第一组气体弹簧补气口21、自润滑高分子骨架22、导向块23、第二组气体弹簧补气口24、活塞杆导向孔25、燃烧室腔壁26、火花塞安装孔27、喷油器安装孔28、燃烧室连接法兰29、双边长定子动子平板直线发电机30。

具体实施方式

本发明实施例提供的一种具有多级回复装置的自由活塞发电系统包括燃烧室，所述燃烧室内设置有至少一燃烧室活塞，每一燃烧室活塞与一直线发电机的动子传动连接，每一直线发电机内部还设置有一配备有多个腔室的气体弹簧，所述气体弹簧用于与相应的直线发电机动子配合，并且所述气体弹簧至少局部嵌入相应直线发电机动子的中空结构内。采用这样的设置方式，可以使自由活塞发电系统占用空间的长度大幅缩短，结构更为简单紧凑，并可以大幅减少连接件的数量，进而使自由活塞发电系统的功率密度、效率等得以有效提升。

在一些实施方式中，所述燃烧室内对称设置有两个燃烧室活塞，每一燃烧室活塞分别与一直线发电机的动子传动连接，该两个直线发电机相对于燃烧室横向对称轴线镜像对称。进一步的，两套直线发电机及气体弹簧沿燃烧室的中轴线分布。

在一些实施方式中，所述气体弹簧包括气体弹簧缸和设置于气体弹簧缸内的气体弹簧活塞，所述气体弹簧活塞及相应直线发电机的动子通过活塞杆与相应燃烧室活塞传动连接。

在一些实施方式中，所述气体弹簧缸内还设有与活塞杆配合的活塞杆导向孔，以使活塞杆能沿轴向做直线往复运动，从而防止其在偏离所述轴向上的运动。

在一些实施方式中，所述气体弹簧缸外壁与直线发电机动子内壁之间设置有自润滑高分子骨架。利用所述自润滑高分子骨架，可以使直线发电机动子在气体弹簧外壁上以较小摩擦力往复滑动。

在一些实施方式中，所述直线发电机动子与气体弹簧缸之间还设置有直线导向限位机构。所述直线导向限位机构用于保证直线发电机动子沿轴向做直线往复运动，而防止其在偏离所述轴向上的运动，例如防止其绕所述轴线自转。所述直线导向限位机构可以采用已知类型的直线导向限位机构。

作为较为优选的实施方案之一，所述直线导向限位机构包括彼此滑动配合的导向槽或导轨和导向块，所述导向槽或导轨和导向块中的任一者设置于所述直线发电机动子或自润滑高分子骨架内壁上，另一者设置于气体弹簧缸外壁上。进一步的，所述导向槽或导轨沿所述直线发电机动子的运动方向延伸。

在一些实施方式中，所述直线发电机的动子及自润滑高分子骨架与相应活塞杆固定连接。

在一些实施方式中，每一气体弹簧活塞及相应燃烧室活塞分别固定于一活塞杆的两端。

在一些实施方式中，所述直线发电机动子在相应气体弹簧缸上的运动行程与相应自润滑高分子骨架的长度之和等于所述直线发电机定子中定子硅钢片的长度。

在一些实施方式中，所述直线发电机的动子、气体弹簧的气体弹簧缸与所述燃烧室同轴设置。

在一些实施方式中，所述气体弹簧的气体弹簧缸与所述燃烧室具有相同或相近缸径。

进一步的，所述气体弹簧的缸径也可根据直线发电机内腔的大小进行调整，例如可以拓展为大于2级的压缩方式。

在一些实施方式中，所述气体弹簧的气体弹簧缸尾端还与气体弹簧端盖密封连接，所述气体弹簧端盖与相应直线发电机的电机机壳按照轴孔配合方式定位连接。

在一些实施方式中，所述气体弹簧的气体弹簧缸的缸壁上还设有气体弹簧补气口和骨架通气口，所述气体弹簧缸内腔通过所述骨架通气口与外界大气连通。

在一些实施方式中，所述燃烧室通过燃烧室连接法兰与直线发电机固定连接。

在一些实施方式中，所述直线发电机的构型包括圆筒长动子与短定子构型、平板长或短动子与短或长定子构型中的任意一种，但不限于此。

例如，所述直线发电机可以采用圆筒型长定子或短动子结构，其中动子的永磁体排列方式可以为Halbach类型。

进一步的，所述直线发电机若为平板构型，则可以按照布置的空间分为圆周方向布置或水平方向布置。

在一些实施方式中，所述直线发电机包括定子和动子，所述定子包含线圈绕组和导磁的硅钢叠片，所述动子包括永磁体和背铁。

在一些实施方式中，所述永磁体的排列方式可采用径向或横向充磁方式。

在一些实施方式中，所述直线发电机的定子包含电枢绕组，所述电枢绕组为空心线圈并嵌入所述定子硅钢片。

在一些实施方式中，所述直线发电机的构型可为圆形或方形，动子的配置形式可为动磁或动圈。

以下通过具体实施例及附图，对本发明的原理与运行进行详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

参阅图1-图2示出了本发明一实施例中的一种自由活塞内燃直线发电机系统，其主要包括一燃烧室2、两组直线发电机3和两组气体弹簧1，各气体弹簧1分别被设置于一个直线发电机3内部，呈对称分布。

进一步的，燃烧室2是配备两个对置燃烧室活塞9的中央燃烧室。其中，在燃烧室横向对称轴线16的两侧等距配置有燃烧室进气口8、燃烧室排气口12等。燃烧室活塞9呈对称的往复运动规律，图1中燃烧室活塞9位于活塞上止点位置。

优选的，两套燃烧室活塞9、直线发电机3、气体弹簧1可以沿燃烧室2的中轴线镜像对称分布。

进一步的，直线发电机3的运动组件即动子包括永磁体7和背铁。气体弹簧1包括气体弹簧缸5、活塞杆6、气体弹簧活塞4等。

优选的，两套燃烧室活塞9、直线发电机3、气体弹簧1与燃烧室2均为同轴设置。

进一步的，直线发电机3的永磁体7通过自润滑高分子骨架22与相应活塞杆6连接，活塞杆6与相应燃烧室活塞9连接。并且，直线发电机3的永磁体7及自润滑高分子骨架22可以在相应气体弹簧缸5上沿直线往复滑动，其运动行程加上自润滑高分子骨架22的长度等于直线发电机3定子硅钢片14的长度。

进一步的，直线发电机3的永磁体7的级数与定子硅钢片14的槽数的基本单元配合为5极6槽。其中，直线发电机3的固定组件中电枢绕组13为空心线圈，可嵌入定子硅钢片14中。

进一步的，气体弹簧1、燃烧室2、直线发电机3可以通过燃烧室连接法兰29、气体弹簧端盖20和电机机壳15按照轴孔配合的方式定位连接。

请参阅图3-图5所示，该实施例中，可以在气体弹簧缸5外壁上配置一个或多个导向块23，该一个或多个导向块23可以与自润滑高分子骨架22上的导向孔18滑动配合，其可以更好地进行直线运动的导向，并限制直线往复运动时运动组件的旋转。所述导向孔18优选为沿活塞杆轴向延伸的条形孔，并也可以采用条形槽的形式。

进一步的，气体弹簧缸5上还可配置有第一组气体弹簧补气口21、第二组气体弹簧补气口24等，其内腔可以通过骨架通气口19与外界大气连通。燃烧室活塞9与活塞杆6、气体弹簧活塞4之间固定连接。同时，气体弹簧缸5尾端连接有气体弹簧端盖20，其用于密封和定位气体弹簧缸5，从而形成气体弹簧室。其中，所述气体弹簧缸内腔被分隔机构分隔为多个腔室，分隔机构上形成有可供活塞杆6自由通过的活塞杆导向孔25。该分隔机构可以与气体弹簧室室壁一体设置。

进一步的，请参阅图6所示，该实施例的燃烧室2还可配备有燃烧室进气口8、燃烧室排气口12、火花塞安装孔27、喷油器安装孔28等，这些机构的设置形式和位置都可以是本领域已知的。

该实施例的气体弹簧也可以被认为是为双腔双活塞两级压缩构型，该构型可以被理解为由中间隔开的两个等径空腔构成，每个空腔中配备活塞与活塞环（图中未示出），在气体弹簧的初始位置配置有两个用于连通大气的补气口。

该实施例的燃烧室可以被认为是单腔活塞的中央燃烧室构型。在燃烧室喷油点火时，可以同时推动两侧的活塞9，从而可消除系统的不平衡。

该实施例的直线发电机的构型可为圆形或方形，动子的配置形式可为动磁或动圈形式。

该实施例的自由活塞内燃直线发电机系统具有结构简单紧凑高效率和高功率密度等优势。

在另外的一些实施例中，依据功率需求的不同，燃烧室可配置为单缸单腔形式。

在另外的一些实施例中，可以将所述自由活塞内燃直线发电机系统作为单模组，依据供电需求的不同进行多模组的拓展和叠加。

在另外的一些实施例中，直线发电机还可以为圆筒长动子与短定子构型或者平板长或短动子与短或长定子构型。若采用平板构型，则可按照布置的空间分为圆周方向布置或水平方向布置。例如，参阅图7所示，在另一典型实施例中，一种自由活塞内燃直线发电机系统配备平板型电机，其中双边长定子动子平板直线发电机30水平布置于气体弹簧两侧，其动子与运动组件连接。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有多级回复装置的自由活塞发电系统，其特征在于包括燃烧室（2），所述燃烧室（2）内设置有至少一燃烧室活塞，每一燃烧室活塞与一直线发电机（3）的动子传动连接，每一直线发电机（3）内部还设置有一配备有多个腔室的气体弹簧（1），所述气体弹簧（1）用于与相应的直线发电机（3）动子配合，并且所述气体弹簧（1）至少局部嵌入相应直线发电机（3）动子的中空结构内。

2.根据权利要求1所述的具有多级回复装置的自由活塞发电系统，其特征在于：所述燃烧室（2）内对称设置有两个燃烧室活塞，每一燃烧室活塞分别与一直线发电机（3）的动子传动连接，该两个直线发电机（3）相对于燃烧室横向对称轴线（16）镜像对称。

3.根据权利要求1或2所述的具有多级回复装置的自由活塞发电系统，其特征在于：所述气体弹簧（1）包括气体弹簧缸（5）和设置于气体弹簧缸（5）内的气体弹簧活塞（4），所述气体弹簧活塞（4）及相应直线发电机（3）的动子通过活塞杆（6）与相应燃烧室活塞传动连接。

4.根据权利要求3所述的具有多级回复装置的自由活塞发电系统，其特征在于：所述直线发电机（3）动子与气体弹簧缸（5）之间还设置有直线导向限位机构；和/或，所述气体弹簧缸（5）外壁与直线发电机（3）动子内壁之间设置有自润滑高分子骨架（22）；和/或，每一气体弹簧活塞（4）及相应燃烧室活塞分别固定于一活塞杆（6）的两端。

5.根据权利要求4所述的具有多级回复装置的自由活塞发电系统，其特征在于：所述直线导向限位机构包括彼此滑动配合的导向孔（18）或导轨和导向块（23），所述导向孔（18）或导轨和导向块（23）中的任一者设置于所述直线发电机（3）动子或自润滑高分子骨架（22）内壁上，另一者设置于气体弹簧缸（5）外壁上，所述导向孔（18）或导轨沿所述直线发电机（3）动子的运动方向延伸；和/或，所述直线发电机（3）的动子及自润滑高分子骨架（22）与相应活塞杆（6）固定连接。

6.根据权利要求5所述的具有多级回复装置的自由活塞发电系统，其特征在于：所述直线发电机（3）动子在相应气体弹簧缸（5）上的运动行程与相应自润滑高分子骨架（22）的长度之和等于所述直线发电机（3）定子中定子硅钢片（14）的长度。

7.根据权利要求6所述的具有多级回复装置的自由活塞发电系统，其特征在于：所述直线发电机（3）的定子包含电枢绕组（13），所述电枢绕组（13）为空心线圈并嵌入所述定子硅钢片（14）。

8.根据权利要求1-2、4-7中任一项所述的具有多级回复装置的自由活塞发电系统，其特征在于：所述直线发电机（3）的动子、气体弹簧（1）的气体弹簧缸（5）与所述燃烧室（2）同轴设置；和/或，所述气体弹簧（1）的气体弹簧缸（5）与所述燃烧室（2）具有相同缸径。

9.根据权利要求1-2、4-7中任一项所述的具有多级回复装置的自由活塞发电系统，其特征在于：所述气体弹簧（1）的气体弹簧缸（5）尾端还与气体弹簧端盖（20）密封连接，所述气体弹簧端盖（20）与相应直线发电机（3）的电机机壳（15）按照轴孔配合方式定位连接；和/或，所述气体弹簧（1）的气体弹簧缸（5）缸壁上还设有气体弹簧补气口和骨架通气口，所述气体弹簧缸（5）内腔通过所述骨架通气口与外界大气连通；和/或，所述燃烧室（2）通过燃烧室连接法兰（29）与直线发电机（3）固定连接。

10.根据权利要求1-2、4-7中任一项所述的具有多级回复装置的自由活塞发电系统，其特征在于：所述直线发电机（3）的构型包括圆筒长动子与短定子构型、平板长或短动子与短或长定子构型中的任意一种。

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