CN113726094A - 具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机 - Google Patents

具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机 Download PDF

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张庆志
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Abstract

本发明公开了一种具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，包括外活动架、内固定容器、直线电机、左燃烧室和右燃烧室，其中直线电机包括外动子、内动子、直线电机定子。本发明公开的具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，采用一个单永磁定子和双动子的空心式线圈绕组结构，外活动架和活塞组件的运动方向总是一个往右、一个往左，两个燃烧室的工作过程也总是互补，一个处于膨胀过程，另一个处于压缩过程，兼具对置活塞和双活塞自由活塞发动机的优点，功率密度高、运行平稳、便于控制。

Description

具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机
技术领域
本发明涉及增程式电动汽车增程器技术领域，具体涉及一种具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机。
背景技术
增程式电动汽车也符合我国汽车领域的全电驱动发展战略，国家发改委在《汽车产业投资管理规定》中大力鼓励发展增程式电动汽车。自由活塞发电机是近年来刚刚发展起来的一种增程器。自由活塞发电机按照结构不同可分为三种：单活塞式、双活塞式和对置活塞式。单活塞式只有一个燃烧室和一个直线电机，结构简单，控制起来较为容易，由于此类结构在往复运动时，需要机械弹簧、空气弹簧等作为回复装置为压缩过程提供回复力，由于其平衡性较差导致精准度差；双活塞式不需要回复装置提供回复力，效率会高于单活塞式，但是平衡性也较差，进而导致精准度也差；对置活塞式由一个燃烧室和两个活塞组件组成，两组活塞组件作反向运动使得整体平衡性最好，减小了震动和噪音，但是需要两个直线电机，系统较为笨重，且为了时刻保持两个活塞组件的同步，协调控制困难，需要额外的机械同步装置，实时控制精准性差。总而言之，目前市面上单活塞式和双活塞式都存在精准性差的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，用以解决目前市面上单活塞式和双活塞式都存在精准性差的问题。
本发明提供一种具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，包括：外活动架；内固定容器，设置于所述外活动架的内部；直线电机，包括外动子、内动子和定子，所述内动子设置于所述内固定容器的内部；所述外动子固定在外活动架上；所述定子固定在所述内固定容器上；且所述内动子悬设于所述外动子的内部，所述定子位于所述内动子和所述外动子之间的环形空间。
优选地，还包括：左燃烧室、右燃烧室，所述左燃烧室和所述右燃烧室分别设置于所述内固定容器的两端，且所述内动子位于所述左燃烧室和所述右燃烧室之间；活塞组件，包括左燃烧室左侧活塞、左燃烧室右侧活塞、右燃烧室左侧活塞、右燃烧室右侧活塞、左连接杆、中间连接杆和右连接杆，所述左燃烧室左侧活塞和所述左燃烧室右侧活塞分别设置于所述左燃烧室内部两侧，所述右燃烧室左侧活塞和所述右燃烧室右侧活塞分别设置于所述右燃烧室内部两侧；所述左连接杆的左端穿过所述内固定容器的左端，所述左燃烧室左侧活塞与所述外活动架左端之间通过所述左连接杆固定连接；所述右连接杆的右端穿过所述内固定容器的右端，所述右燃烧室右侧活塞与所述外活动架右端之间通过所述右连接杆固定连接；所述中间连接杆穿设于所述内固定容器的内部，且所述内动子固定套设于所述中间连接杆上，所述左燃烧室右侧活塞与所述右燃烧室左侧活塞通过所述中间连接杆固定连接；
当外活动架向右运动至最右边时，所述右燃烧室右侧活塞趋近内固定容器的右端，同时所述外活动架左端抵近所述内固定容器左端，右燃烧室活塞到达最远下止点而左燃烧室活塞到达最远上止点；当外活动架向左运动至最左边时，所述左燃烧室左侧活塞趋近内固定容器的左端，同时所述外活动架右端抵近所述内固定容器右端，左燃烧室的活塞到达最远下止点而右燃烧室活塞到达最远上止点。
优选地，所述外动子和所述内动子均为圆筒形，且其上均设置有三相线圈绕组，所述定子为圆筒形且由永磁体材料及导磁的支撑结构构成，所述外动子、所述定子和所述内动子由外向内形成一个单永磁定子和双动子的空心式线圈绕组结构。
优选地，所述外活动架包括左固定架、右固定架、至少两根左刚性连杆和至少两根右刚性连杆，所述左固定架和所述右固定架设置于所述内固定容器两端的外侧，且所述外动子的左端与所述左固定架之间通过至少两根所述左刚性连杆固定连接，所述外动子的右端与所述右固定架通过至少两根所述右刚性连杆固定连接，由此连成一个整体形成所述外活动架；所述左燃烧室左侧活塞与所述左固定架之间通过左连接杆固定连接，所述右燃烧室右侧活塞与所述右固定架之间通过右连接杆固定连接。
优选地，所述左燃烧室和所述右燃烧室分别与定子的两端固定连接，其中，所述左燃烧室位于所述定子与所述左固定架之间，所述右燃烧室位于所述定子与所述右固定架之间。
优选地，所述定子设置于所述内固定容器的中部，且所述定子所处内固定容器区域的两端分别与所述左燃烧室和所述右燃烧室固定连接。
优选地，所述内固定容器底端至少配置有左支座和右支座，位于下方的所述左刚性连杆和所述右刚性连杆应避开所述左支座和所述右支座；或者在所述左支座和所述右支座内分别开有左刚性连杆运动空间和右刚性连杆运动空间，位于下方的所述左刚性连杆和所述右刚性连杆分别在左刚性连杆运动空间和右刚性连杆运动空间内穿过。
优选地，所述内动子和所述外动子的三相线圈绕组分别通过电连接至功率变换器，所述功率变换器配置有电池组。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，该发电机具有两个燃烧室，能够同时实现双缸燃烧工作，同时整体体积和质量相对于双活塞式自由活塞发电机无明显增加，具有功率密度高的特点；左燃烧室左侧活塞与左燃烧室右侧活塞以及右燃烧室左侧活塞与右燃烧室右侧活塞分别对置分布，因此整个系统的平衡性极好，能够很好的减小震动和噪声，作为增程器应用于电动汽车时可以显著降低整车噪声；直线电机部分采用圆筒型结构能够很好地解决扁平式直线电机的漏磁磁路多的问题；内动子和外动子分别以内、外线圈绕组作为直线电机的动子、永磁体的定子作为直线电机的定子，这种采用空心式线圈绕组结构，不仅可以减小活塞组件质量，而且减少了永磁体的材料质量降低了制造成本；增加系统的运行范围。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机的结构示意图；
图2至图7为本发明实施例1提供的具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机的工作状态示意图，其中，箭头方向表示气体或活塞组件的运动方向；
在图2中，左燃烧室进气膨胀，同时右燃烧室压缩过程；
在图3中，左燃烧室的活塞到达下止点、体积达到最大而右燃烧室活塞到达上止点、体积最小；
在图4中，右燃烧室喷油点火燃烧膨胀推动活塞组件运动，促使外动子、内动子的三相线圈绕组在定子永磁体形成的磁场中切割磁力线产生电能，同时压缩左燃烧室内工质；
在图5中，左燃烧室活塞到达上止点、右燃烧室活塞到达下止点；
在图6中，左燃烧室喷油点火膨胀推动活塞组件运动，促使外动子、内动子的三相线圈绕组在定子永磁体形成的磁场中切割磁力线产生电能，同时排出右燃烧室内废气；
在图7中，右燃烧室进气膨胀，同时压缩左燃烧室排出废气。
附图标记说明：1-外活动架；2-内固定容器；21-左燃烧室；22-右燃烧室；3-直线电机；31-外动子；32-内动子；33-定子；11-左固定架；12-右固定架；13-左刚性连杆；14-右刚性连杆；51-左连接杆；52-中间连接杆；53-右连接杆；41-左燃烧室左侧活塞；42-左燃烧室右侧活塞；43-右燃烧室左侧活塞；44-右燃烧室右侧活塞；210-左支座；220-右支座。
具体实施方式
实施例1
实施例1提供一种具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，其中，直线电机为具有双动圈圆筒直线电机，发电机为双对置活塞式自由活塞发电机，下面对其结构进行详细描述。
参考图1，该具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机包括外活动架1、内固定容器2、直线电机3、左燃烧室21、右燃烧室22和活塞组件，
内固定容器2设置于外活动架1的内部；
直线电机3包括外动子31、内动子32和定子33，其中，内动子32为圆筒形，其上设有三相线圈绕组，内动子32设置于内固定容器2的内部；外动子31为圆筒形，其上设置有三相线圈绕组，外动子31固定在外活动架1的中部；定子33为圆筒形且由永磁体材料及导磁的支撑结构构成，定子33固定在内固定容器2的中部；且内动子32悬设于外动子31的内部，定子33位于内动子32和外动子31之间的环形空间，外动子31、定子33和内动子32由外向内形成一个单永磁定子和双动子的空心式线圈绕组结构。
左燃烧室21和右燃烧室22分别设置于内固定容器2的两端，其中，左燃烧室21位于所述定子33与左固定架11之间，右燃烧室22位于定子33与右固定架12之间，内动子32位于左燃烧室21和右燃烧室22之间。
活塞组件有两组，一组包括左燃烧室左侧活塞41、左连接杆51、外活动架1、直线电机的外动子31、右连接杆53和右燃烧室右侧活塞44，另一组活塞组件包括左燃烧室右侧活塞42、右燃烧室左侧活塞43、中间连接杆52和直线电机的内动子32。
左燃烧室21内部两侧分别设置有左燃烧室左侧活塞41和左燃烧室右侧活塞42，右燃烧室22内部两侧分别设置有右燃烧室左侧活塞43和右燃烧室右侧活塞44，
左连接杆51的左端穿过内固定容器2的左端，左燃烧室左侧活塞41与外活动架1左端之间通过左连接杆51固定连接，
右连接杆53的右端穿过内固定容器2的右端，右燃烧室右侧活塞44与外活动架1右端之间通过右连接杆53固定连接，
中间连接杆52穿设于内固定容器2的内部，且内动子32固定套设于中间连接杆52上，左燃烧室右侧活塞42与右燃烧室左侧活塞43通过中间连接杆52固定连接。
作为自由活塞发电机，在工作循环中，针对不同的燃烧工质，为充分优化工质的燃烧过程提高做功效率，本装置具有不同的活塞行程和上止点、下止点；
当外活动架1向右运动，所述右燃烧室右侧活塞44趋近内固定容器2的右端，同时所述外活动架1左端抵近所述内固定容器2左端，当右燃烧室22活塞到达最远下止点而左燃烧室21活塞到达最远上止点，此时，外活动架1处于最右边位置，左燃烧室21体积被压缩到最小，右燃烧室22体积膨胀到最大，如图1所示；当外活动架1向左运动，所述左燃烧室左侧活塞41趋近内固定容器2的左端，同时外活动架1右端抵近所述内固定容器2右端，当左燃烧室21的活塞到达最远下止点而右燃烧室22活塞到达最远上止点，此时，外活动架1处于最左边位置，右燃烧室22体积被压缩到最小，左燃烧室21体积膨胀到最大，如图3所示。
具体地，外活动架1由左固定架11、右固定架12、至少两根左刚性连杆13、至少两根右刚性连杆14组成，其中，左固定架11和右固定架12设置于内固定容器2两端的外侧，且外动子31的左端与左固定架11之间通过左刚性连杆13固定连接，外动子31的右端与右固定架12通过右刚性连杆14固定连接，由此连成一个整体形成外活动架1。
进一步地，左燃烧室左侧活塞41与左固定架11之间通过左连接杆51固定连接，右燃烧室右侧活塞44与右固定架12之间通过右连接杆53固定连接。
具体地，定子33设置于内固定容器2的中部，且定子33所处内固定容器2区域的两端分别与左燃烧室21和右燃烧室22固定连接。
为了支撑整个机壳，左燃烧室21和右燃烧室22底端至少配置有左支座210和右支座220，左刚性连杆13和右刚性连杆14应穿过或避开左支座210和右支座220以便能够活动。
具体地，位于下方的所述左刚性连杆13和所述右刚性连杆14应避开所述左支座210和所述右支座220；或者在所述左支座210和所述右支座220内分别开有左刚性连杆运动空间和右刚性连杆运动空间，位于下方的所述左刚性连杆13和所述右刚性连杆14分别在左刚性连杆运动空间和右刚性连杆运动空间内穿过。
更具体的，左刚性连杆运动空间或右刚性连杆运动空间可以是供左刚性连杆或右刚性连杆运动的通行孔，也可以是格栅上的格栅孔。
为了储存和供应电能，该直线电机发电机一体机配置有功率变换器6和电池组7，内动子32和外动子31的三相线圈绕组分别通过有线连接至功率变换器6，功率变换器6将直线电机发出的交流电通过PWM整流储存在电池组7中。
实施例2
实施例2提供一种具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机的工作方法，采用实施例1提供的具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，具体包括以下步骤：
当左燃烧室21的活塞到达上止点附近时，左燃烧室21点火，高温高压气体膨胀，膨胀力分别推动左燃烧室左侧活塞41向左和左燃烧室右侧活塞42向右运动，左燃烧室21工质体积增加，如图2所示；关闭左燃烧室21的进气口；
左燃烧室右侧活塞42向右运动过程中，推动中间连接杆52向右运动，中间连接杆52带动内动子32向右运动；同时左燃烧室左侧活塞41在向左运动过程中，通过左连接杆51推动外活动架1向左运动，整个外活动架1在向左运动的过程中，外活动架1带着外动子31向左运动，此时，内动子32、外动子31中的三相线圈绕组在定子33的永磁体形成的磁场中切割磁力线，产生感应电势和电流，发出的电能经功率变换器6储存到电池组7中；
与此同时，中间连接杆52推动右燃烧室左侧活塞43向右运动，使得右燃烧室左侧活塞43向右压缩右燃烧室22内的气体，同时右固定架12随着整个外活动架1在向左运动的过程中推着右连接杆53向左运动，进而推动右燃烧室右侧活塞44向左运动压缩右燃烧室22内的气体，右燃烧室22内的气体左右两侧受压，整个右燃烧室22处于压缩过程。
左燃烧室21的气体继续膨胀至活塞达到下止点，燃烧室体积达到最大，同时右燃烧室22的活塞到达上止点，气体被压缩到体积最小，如图3所示，完成第一个冲程；左燃烧室21的排气口、扫气口依次打开，开始排气、扫气；
之后，右燃烧室22喷油点火燃烧膨胀，膨胀力分别推动右燃烧室左侧活塞43向左和右燃烧室右侧活塞44向右运动，右燃烧室22工质体积增加；
右燃烧室左侧活塞43向左运动过程中，推动中间连接杆52向左运动，中间连接杆52带动内动子32向左运动；同时右燃烧室右侧活塞44在向右运动过程中，通过右连接杆53推动外活动架1向右运动，整个外活动架1在向右运动的过程中，外活动架1带着外动子31向右运动，此时，内动子32、外动子31中的三相线圈绕组在定子33的永磁体形成的磁场中切割磁力线，产生感应电势和电流，发出的电能经功率变换器6处理后储存到电池组7中；
与此同时，中间连接杆52推动左燃烧室右侧活塞42向左运动，使得左燃烧室右侧活塞42向左压缩左燃烧室21内的气体，同时左固定架11随着整个外活动架1在向右运动的过程中推着左连接杆51向右运动，进而推动左燃烧室左侧活塞41向右运动压缩左燃烧室21内的气体，左燃烧室21内的气体左右两侧受压，整个左燃烧室21处于压缩过程，在此期间排气结束、开始进气，如图4所示；
直至左燃烧室21活塞被压缩到上止点，右燃烧室22活塞到达下止点，如图5所示，完成第二个冲程；
左燃烧室21进气结束。
先后打开右燃烧室22的排气口、扫气口，排气、扫气；
左燃烧室21喷油点火燃烧膨胀，膨胀力分别推动左燃烧室左侧活塞41向左和左燃烧室右侧活塞42向右运动；
左燃烧室右侧活塞42向右运动过程中，推动中间连接杆52向右运动，中间连接杆52带动内动子32向右运动；同时左燃烧室左侧活塞41在向左运动过程中，通过左连接杆51推动外活动架1向左运动，整个外活动架1在向左运动的过程中，外活动架1带着外动子31向左运动，此时，内动子32、外动子31中的三相线圈绕组在定子33的永磁体形成的磁场中切割磁力线，产生感应电势和电流，发出的电能经功率变换器6变换后储存到电池组7中；
与此同时，中间连接杆52推动右燃烧室左侧活塞43向右运动，使得右燃烧室左侧活塞43向右压缩右燃烧室22内的气体，同时右固定架12随着整个外活动架1在向左运动的过程中推着右连接杆53向左运动，进而推动右燃烧室右侧活塞44向左运动压缩右燃烧室22内的气体，右燃烧室22内的气体左右两侧受压，整个右燃烧室22处于压缩过程，右燃烧室22内废气随着排气口排出，如图6所示；
打开右燃烧室22的进气口进气，打开左燃烧室21的排气口排气；
右燃烧室22点火膨胀，重复第一个冲程中左燃烧室21的步骤，同时压缩左燃烧室21排出废气，如图7所示；
图2～图7的过程结束后，完成一个循环过程结束，从头进入下一循环。
无论是第一个冲程，还是第二个冲程，左燃烧室21和右燃烧室22的工作总是互补，一个膨胀、另一个压缩。
该工作方法可以是两冲程工作模式，还可以是四冲程工作模式，其中，上述步骤为两冲程工作模式，还可以使用四冲程工作模式，利用弹簧、空气弹簧或其它回复装置，或利用电池中的电能通过功率变换器6控制内动子32、外动子31中的线圈绕组，产生回复力。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，其特征在于，包括：
外活动架(1)；
内固定容器(2)，设置于所述外活动架(1)的内部；
直线电机(3)，包括外动子(31)、内动子(32)和定子(33)，所述内动子(32)设置于所述内固定容器(2)的内部；所述外动子(31)固定在外活动架(1)上；所述定子(33)固定在所述内固定容器(2)上；且所述内动子(32)悬设于所述外动子(31)的内部，所述定子(33)位于所述内动子(32)和所述外动子(31)之间的环形空间。
2.如权利要求1所述的具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，其特征在于，还包括：
左燃烧室(21)、右燃烧室(22)，所述左燃烧室(21)和所述右燃烧室(22)分别设置于所述内固定容器(2)的两端，且所述内动子(32)位于所述左燃烧室(21)和所述右燃烧室(22)之间；
活塞组件，包括左燃烧室左侧活塞(41)、左燃烧室右侧活塞(42)、右燃烧室左侧活塞(43)、右燃烧室右侧活塞(44)、左连接杆(51)、中间连接杆(52)和右连接杆(53)，
所述左燃烧室左侧活塞(41)和所述左燃烧室右侧活塞(42)分别设置于所述左燃烧室(21)内部两侧，所述右燃烧室左侧活塞(43)和所述右燃烧室右侧活塞(44)分别设置于所述右燃烧室(22)内部两侧；
所述左连接杆(51)的左端穿过所述内固定容器(2)的左端，所述左燃烧室左侧活塞(41)与所述外活动架(1)左端之间通过所述左连接杆(51)固定连接；
所述右连接杆(53)的右端穿过所述内固定容器(2)的右端，所述右燃烧室右侧活塞(44)与所述外活动架(1)右端之间通过所述右连接杆(53)固定连接；
所述中间连接杆(52)穿设于所述内固定容器(2)的内部，且所述内动子(32)固定套设于所述中间连接杆(52)上，所述左燃烧室右侧活塞(42)与所述右燃烧室左侧活塞(43)通过所述中间连接杆(52)固定连接；
当外活动架(1)向右运动至最右边时，所述右燃烧室右侧活塞(44)趋近内固定容器(2)的右端，同时所述外活动架(1)左端抵近所述内固定容器(2)左端，右燃烧室(22)活塞到达最远下止点而左燃烧室(21)活塞到达最远上止点；当外活动架(1)向左运动至最左边时，所述左燃烧室左侧活塞(41)趋近内固定容器(2)的左端，同时所述外活动架(1)右端抵近所述内固定容器(2)右端，左燃烧室(21)的活塞到达最远下止点而右燃烧室(22)活塞到达最远上止点。
3.如权利要求1所述的具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，其特征在于，
所述外动子(31)和所述内动子(32)均为圆筒形，且其上均设置有三相线圈绕组，所述定子(33)为圆筒形且由永磁体材料及导磁的支撑结构构成，
所述外动子(31)、所述定子(33)和所述内动子(32)由外向内形成一个单永磁定子和双动子的空心式线圈绕组结构。
4.如权利要求2所述的具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，其特征在于，
所述外活动架(1)包括左固定架(11)、右固定架(12)、至少两根左刚性连杆(13)和至少两根右刚性连杆(14)，
所述左固定架(11)和所述右固定架(12)设置于所述内固定容器(2)两端的外侧，且所述外动子(31)的左端与所述左固定架(11)之间通过至少两根所述左刚性连杆(13)固定连接，所述外动子(31)的右端与所述右固定架(12)通过至少两根所述右刚性连杆(14)固定连接，由此连成一个整体形成所述外活动架(1)；
所述左燃烧室左侧活塞(41)与所述左固定架(11)之间通过左连接杆(51)固定连接，所述右燃烧室右侧活塞(44)与所述右固定架(12)之间通过右连接杆(53)固定连接。
5.如权利要求4所述的具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，其特征在于，
所述左燃烧室(21)和所述右燃烧室(22)分别与定子(33)的两端固定连接，其中，所述左燃烧室(21)位于所述定子(33)与所述左固定架(11)之间，所述右燃烧室(22)位于所述定子(33)与所述右固定架(12)之间。
6.如权利要求5所述的具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，其特征在于，所述定子(33)设置于所述内固定容器(2)的中部，且所述定子(33)所处内固定容器(2)区域的两端分别与所述左燃烧室(21)和所述右燃烧室(22)固定连接。
7.如权利要求6所述的具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，其特征在于，
所述内固定容器(2)底端至少配置有左支座(210)和右支座(220)，位于下方的所述左刚性连杆(13)和所述右刚性连杆(14)应避开所述左支座(210)和所述右支座(220)；
或者在所述左支座(210)和所述右支座(220)内分别开有左刚性连杆运动空间和右刚性连杆运动空间，位于下方的所述左刚性连杆(13)和所述右刚性连杆(14)分别在左刚性连杆运动空间和右刚性连杆运动空间内穿过。
8.如权利要求1所述的具有双动圈直线电机的双对置活塞式自由活塞发电机，其特征在于，所述内动子(32)和所述外动子(31)的三相线圈绕组分别通过电连接至功率变换器(6)，所述功率变换器(6)配置有电池组(7)。
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