CN112325756A

CN112325756A - 自由活塞发动机动子位移传感器、动子识别系统及方法

Info

Publication number: CN112325756A
Application number: CN202010921519.9A
Authority: CN
Inventors: 程勇; 马宗正; 唐娟; 吕宏; 马翠英
Original assignee: Shandong Hewlett Packard Power Technology Co ltd
Current assignee: Shandong Hewlett Packard Power Technology Co ltd
Priority date: 2020-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2021-02-05

Abstract

本公开提供了一种自由活塞发动机动子位移传感器、动子识别系统及方法，所述的位移传感器包括固定在机壳内壁沿电机动子轴线平行对称设置的两块电容极板；还包括设置在电机动子上的预设电容常数的电介质体，根据电介质体进入到两电容极板时引起的电容值变化与动子位移的关系识别动子位置；本公开通过极板和电介质体的配合设置，能够实现动子位移、位置、移动方向、速度和加速度的全方位检测识别，极大的降低了检测成本。

Description

自由活塞发动机动子位移传感器、动子识别系统及方法

技术领域

本公开涉及自由活塞发动机技术领域，特别涉及一种自由活塞发动机动子位移传感器、动子识别系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

目前，常见的自由活塞直线发电机(FPLG，free-piston linear generator)结构主要分为单活塞式、对置双活塞式(简称对置式)和背置双活塞式(简称背置式)三种。单活塞式结构简单，容易控制，但存在不平衡问题，且需要回位装置；对置式平衡性好，但需要同步机构和返回装置；背置式具有较高的能量密度和较高的热效率。

和传统内燃机相比，FPLG减少了曲柄连杆机构，因此结构简单，摩擦力小，热效率提高，具有较好的应用前景，但FPLG存在活塞运动难以控制的难点。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，达到指定位置后，该电机从电动机模式转换为发电机模式，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。由于FPLG运行频率稳定在某一数值附近，因此，摩擦力大小基本为常数，活塞运动主要取决于燃烧压力和发电机电磁力。

本公开发明人发现，现有的动子位置识别方式一般采用光栅尺实现动子的相对位置确定，通过霍尔传感器实现动子的绝对位置确定，但是不管是光栅尺还是霍尔传感器，其成本均较高。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种自由活塞发动机动子位移传感器、动子识别系统及方法，通过极板和电介质体的配合设置，能够实现动子位移、位置、移动方向、速度和加速度的全方位检测识别，极大的降低了检测成本。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种自由活塞发动机动子位移传感器。

一种自由活塞发动机动子位移传感器，包括固定在机壳内壁沿电机动子轴线平行对称设置的两块电容极板；

还包括设置在电机动子上的预设电容常数的电介质体，根据电介质体进入到两电容极板时引起的电容值变化与动子位移的关系识别动子位置。

作为可能的一些实现方式，所述电容极板的长度为动子运动极限范围与预设余量的加和。

作为可能的一些实现方式，所述电解质体的长度与电容极板的长度相同。

作为可能的一些实现方式，当动子处于第一侧的极限位置时，所述电介质体与电容极板的第一侧平齐。

作为可能的一些实现方式，当动子处于第二侧的极限位置时，所述电介质体与电容极板的第二侧平齐。

作为可能的一些实现方式，电介质体介电常数与电介质体进入极板间深度的乘积为第一变量，极板长度同电介质体进入极板间深度的差值与极板间空气介电常数的乘积为第二变量；

第一变量和第二变量的加和、极板宽度、真空介电常数三者的乘积与极板间距的比值为两块电容极板之间的电容。

本公开第二方面提供了一种自由活塞发动机动子识别系统。

一种自由活塞发动机动子识别系统，包括调频电路和与调频电路连接的本公开第一方面所述的动子位移传感器；

位移传感器两块电容极板构成的电容分别与调频电路的第一电容和第二电容并联，调频电路的频率输出等于1与

的比值，其中C₁为第一电容，C_i为第二电容，C为位移传感器两块电容极板构成的电容。

本公开第三方面提供了一种自由活塞发动机动子识别方法。

一种自由活塞发动机动子识别方法，利用本公开第二方面所述的识别系统；

通过外置频率测试装置测试调频电路的输出频率；

根据调频电路的输出频率与位移之间的对应关系到动子位移。

作为可能的一些实现方式，当动子向第二侧运动时，频率是降低的，而当动子向第一侧运动时，频率是升高的，通过频率的升高或降低判断动子的移动方向。

作为可能的一些实现方式，获取电介质体未进入两块电容极板之间时的输出频率；

当电介质体未进入两极板之间时，两块电容极板之间的电容发生变化，得到当前时刻的输出频率；

根据当前时刻的输出频率与电介质体未进入两极板之间时的输出频率的对比，得到动子的位置。

作为可能的一些实现方式，当第一侧极限位置为参考位置时，电介质体在第一侧极限位置时与两个上止点的位置是固定的，根据第一侧极限位置与上止点的距离判断上止点。

作为可能的一些实现方式，当第二侧极限位置为参考位置时，电介质体在第二侧极限位置时与两个上止点的位置是固定的，根据第二侧极限位置与上止点的距离判断上止点。

作为可能的一些实现方式，根据得到的动子位移和需要的时间，得到动子的速度。

作为可能的一些实现方式，根据获取的至少三个动子的位置及对应的时间，得到动子的移动加速度值。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的传感器、系统或方法，通过极板和电介质体的配合设置，能够实现动子位移、位置、移动方向、速度和加速度的全方位检测识别，极大的降低了检测成本。

2、本公开所述的传感器、系统或方法，拓展了自由活塞发动机位置、速度和加速度的识别方式，使自由活塞发动机能够高效的工作。

3、本公开所述的传感器、系统或方法，降低了自由活塞发动机的成本，由一般的光栅尺变为电容，成本可以大大降低。

4、本公开得到了一种较为精准的上止点位置确定方法，能够实现发动机和电机的精确控制。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1提供的自由活塞发动机动子位移传感器的结构示意图。

图2为本公开实施例1提供的自由活塞发动机动子识别系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1所示，本公开实施例1提供了一种自由活塞发动机动子位移传感器，将电容常数为ε_r2电介质固定在电机动子上，极板固定在FPLG的机壳内壁上，极板位于FPLG的中间位置，长度为FPLG动子运动极限范围加5％；

具体的，电容常数为ε_r2电介质体固定于动子上，长度与极板长度一致；

电介质体在动子上面的位置可以有两种，一种是当动子处于左极限位置时，电容常数为ε_r2电介质体与极板的最左侧平齐；另一种是当动子处于右极限位置时，电容常数为ε_r2电介质体与极板的最右平齐。

分析时以当动子处于左极限位置时，电容常数为ε_r2电介质体与极板的最左侧平齐为例，此时位置定义为参考位置。

当电介质体相对于极板运动时，极板相当于电容，会随着电介质体进入极板间深度的不同引起电容值的变化，如下式：

其中，ε₀为真空介电常数，8.86×10^-12；

b₀为极板宽度，m；

ε_r1为极板间空气相对介电常数；

ε_r2为电介质体相对介电常数；

L₀为极板长度，m；

L为电介质体进入极板间深度，m；

d₀为极板间距，m。

根据电介质体进入到两电容极板时引起的电容值变化与动子位移的关系识别动子位置。

实施例2：

本公开实施例2提供了一种自由活塞发动机动子识别系统，包括调频电路和与调频电路连接的本公开实施例1所述的动子位移传感器；

外部电路如图2，是一调频电路，输出频率与传感器之间的关系如下：

外部通过频率测试电路实现频率与位移之间的一一对应，通过测量频率即可得到位移。

确定电机所处位置：

当电介质体未进入两极板中间时输出频率为：

当电介质体未进入两极板中间时，如果电容变化为ΔC，输出频率为：

根据与初始位置频率的对比可以得到具体的位置。

确定电机运动方向的方法：

由以上公式可知，当动子向右运动时，频率是降低的，而当动子向左运动时，频率是升高的，据此可以判断运动方向。

确定发动机上止点位置的方法：

电介质体在左侧极限位置时(参考位置)与两个上止点的位置是固定的，此时根据参考位置与上止点的距离即可判断上止点；

确定速度方法：

由于能够获得位移信号，并且控制器自身有时钟，速度可利用下述公式计算：

式中，S分别表示两个位置信号对应的距离，t₁、t₂分别表示两个时刻。

所述最大加速度的计算具体为：

获取至少3个位置及对应的时间，计算加速度，所述最大加速度的计算公式为：

式中，S分别表示两个位置对应的距离，t₁、t₂、t₃分别表示测得的三个位置对应的时刻。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种自由活塞发动机动子位移传感器，其特征在于，包括固定在机壳内壁沿电机动子轴线平行对称设置的两块电容极板；

2.如权利要求1所述的自由活塞发动机动子位移传感器，其特征在于，所述电容极板的长度为动子运动极限范围与预设余量的加和；

或者，

所述电解质体的长度与电容极板的长度相同。

3.如权利要求1所述的自由活塞发动机动子位移传感器，其特征在于，当动子处于第一侧的极限位置时，所述电介质体与电容极板的第一侧平齐；

或者，

当动子处于第二侧的极限位置时，所述电介质体与电容极板的第二侧平齐。

4.如权利要求1所述的自由活塞发动机动子位移传感器，其特征在于，电介质体介电常数与电介质体进入极板间深度的乘积为第一变量，极板长度同电介质体进入极板间深度的差值与极板间空气介电常数的乘积为第二变量；

5.一种自由活塞发动机动子识别系统，其特征在于，包括调频电路和与调频电路连接的权利要求1-4任一项所述的动子位移传感器；

6.一种自由活塞发动机动子识别方法，其特征在于，利用权利要求5所述的识别系统；

通过外置频率测试装置测试调频电路的输出频率；

7.如权利要求6所述的自由活塞发动机动子识别方法，其特征在于，当动子向第二侧运动时，频率是降低的，而当动子向第一侧运动时，频率是升高的，通过频率的升高或降低判断动子的移动方向。

8.如权利要求6所述的自由活塞发动机动子识别方法，其特征在于，获取电介质体未进入两块电容极板之间时的输出频率；

9.如权利要求6所述的自由活塞发动机动子识别方法，其特征在于，当第一侧极限位置为参考位置时，电介质体在第一侧极限位置时与两个上止点的位置是固定的，根据第一侧极限位置与上止点的距离判断上止点；

或者，

当第二侧极限位置为参考位置时，电介质体在第二侧极限位置时与两个上止点的位置是固定的，根据第二侧极限位置与上止点的距离判断上止点。

10.如权利要求6所述的自由活塞发动机动子识别方法，其特征在于，根据得到的动子位移和需要的时间，得到动子的速度；

或者，

根据获取的至少三个动子的位置及对应的时间，得到动子的移动加速度值。