DE102016120354B4 - free piston device - Google Patents

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Abstract

Freikolbenvorrichtung, umfassend einen Freikolbenmotor (15) mit einer eine Achse (24) definierenden Kolbeneinrichtung (16), die unter der Wirkung der Expansion eines Mediums in einem Expansionsraum (28), der von einem Kolben (20) der Kolbeneinrichtung (16) begrenzt ist, sowie einer Rückfedereinrichtung (38) axial hin- und herbeweglich ist, sowie mindestens eine Energiekopplungseinrichtung (40, 42), die eine Statoranordnung (48) und eine mit der Kolbeneinrichtung (16) über ein Halteelement (58) verbundene Läuferanordnung (46) aufweist, wobei die Läuferanordnung (46) plattenförmig ausgestaltet ist und eine Ebene (50) definiert, gekennzeichnet durch eine Positionierung der Achse (24) im Querabstand zur Ebene (50) der Läuferanordnung (46), wobei eine die Achse (24) enthaltende Bezugsebene (54) quer zur Ebene (50) der Läuferanordnung (46) ausgerichtet ist, wobei die Statoranordnung (48) mindestens einen Statorabschnitt (56) umfasst, der plattenförmig ausgestaltet und parallel zur Läuferanordnung (46) angeordnet ist, und wobei die Läuferanordnung (46) in der von ihr definierten Ebene (50) und quer zur Bezugsebene (54) mit zumindest einem Endabschnitt (68, 70) über den mindestens einen Statorabschnitt (56) hinausragt, wobei das Halteelement (58) mit dem Endabschnitt (68, 70) verbunden ist.Free-piston device, comprising a free-piston engine (15) with a piston device (16) defining an axis (24) which under the action of the expansion of a medium in an expansion space (28) delimited by a piston (20) of the piston device (16). , and a return spring device (38) can be moved back and forth axially, and at least one energy coupling device (40, 42) which has a stator arrangement (48) and a rotor arrangement (46) connected to the piston device (16) via a holding element (58). , wherein the runner assembly (46) is plate-shaped and defines a plane (50), characterized by a positioning of the axis (24) at a transverse distance from the plane (50) of the runner assembly (46), wherein a reference plane (24) containing the axis (24) 54) is aligned transversely to the plane (50) of the rotor arrangement (46), the stator arrangement (48) comprising at least one stator section (56) which is plate-shaped and parallel to the rotor anor Dnung (46) is arranged, and wherein the rotor arrangement (46) in the plane (50) defined by it and transverse to the reference plane (54) protrudes with at least one end section (68, 70) beyond the at least one stator section (56), wherein the holding element (58) is connected to the end section (68, 70).

Description

Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung, umfassend einen Freikolbenmotor mit einer eine Achse definierenden Kolbeneinrichtung, die unter der Wirkung der Expansion eines Mediums in einem Expansionsraum, der von einem Kolben der Kolbeneinrichtung begrenzt ist, sowie eine Rückfedereinrichtung axial hin- und herbeweglich ist, sowie mindestens eine Energiekopplungseinrichtung, die eine Statoranordnung und eine mit der Kolbeneinrichtung über ein Halteelement verbundene Läuferanordnung aufweist, wobei die Läuferanordnung plattenförmig oder im Wesentlichen plattenförmig ausgestaltet ist und eine Ebene definiert.The invention relates to a free-piston device, comprising a free-piston engine with a piston device that defines an axis and that can be moved back and forth axially under the effect of the expansion of a medium in an expansion space that is delimited by a piston of the piston device, and a return spring device, and at least one Energy coupling device which has a stator arrangement and a rotor arrangement connected to the piston device via a holding element, the rotor arrangement being designed in the shape of a plate or essentially in the shape of a plate and defining a plane.

Bei der Freikolbenvorrichtung erfolgt die Bewegung der Kolbeneinrichtung unter der Wirkung der Expansion des Mediums im Expansionsraum einerseits und der entgegengesetzten Wirkung der Rückfedereinrichtung andererseits. Die Rückfedereinrichtung kann beispielsweise mechanisch ausgestaltet sein und/oder eine Gasfeder aufweisen, die bei der Bewegung des Verbrennungskolbens vom oberen zum unteren Totpunkt komprimiert wird und bei deren Expansion der Verbrennungskolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt wird. Eine derartige Freikolbenvorrichtung ist beispielsweise in der DE 10 2006 029 532 A1 beschrieben. Diese Freikolbenvorrichtung umfasst eine Energiekopplungseinrichtung, ausgestaltet als Lineargenerator, mit einer Läuferanordnung, die als den Verbrennungskolben mit dem Gasfederkolben verbindende Magnetanordnung ausgestaltet ist. Die Statoranordnung, ausgebildet als Spulenanordnung, umgibt die Kolbeneinrichtung.In the free-piston device, the movement of the piston device takes place under the effect of the expansion of the medium in the expansion space on the one hand and the opposite effect of the resilience device on the other. The resilience device can, for example, be designed mechanically and/or have a gas spring which is compressed when the combustion piston moves from top dead center to bottom dead center and when it expands the combustion piston moves from bottom dead center to top dead center. Such a free-piston device is for example in DE 10 2006 029 532 A1 described. This free-piston device includes an energy coupling device, designed as a linear generator, with a rotor arrangement, which is designed as a magnet arrangement connecting the combustion piston to the gas spring piston. The stator arrangement, designed as a coil arrangement, surrounds the piston device.

In der DE 102 42 141 A1 ist eine Freikolbenvorrichtung mit ebenfalls elektromagnetisch ausgestalteter Energiekopplungseinrichtung offenbart. Die Magnet-(Läufer-)Anordnung ist an einem im Querabstand zur Achse angeordneten rohrförmigen Halteelement festgelegt. Die Spulen-(Stator-) Anordnung umgibt die Magnetanordnung. Auf diese Weise kann eine kurze Bauform der Freikolbenvorrichtung erzielt werden.In the DE 102 42 141 A1 discloses a free-piston device with an energy coupling device that is also configured electromagnetically. The magnet (runner) assembly is fixed to a spaced transversely to the axis tubular support member. The coil (stator) assembly surrounds the magnet assembly. In this way, a short design of the free-piston device can be achieved.

Die nicht-vorveröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2016 109 038 A1 derselben Anmelderin beschreibt eine gattungsgemäße Freikolbenvorrichtung, bei der seitlich neben der Kolbeneinrichtung angeordnete Energiekopplungseinrichtungen in Form von Lineargeneratoren zum Einsatz kommen. Die elektromagnetisch ausgestalteten Energiekopplungseinrichtungen weisen eine Flachbauweise auf, bei der die Läufer-(Magnet-)Anordnung plattenförmig und eine Ebene definierend ausgestaltet ist. Entsprechendes gilt für die beiderseits der Läuferanordnung angeordneten Stator-(Spulen-)Anordnungen. Die Achse ist in der Ebene der Läuferanordnung angeordnet und bildet mit dieser eine Ebene der Bewegung. Bei insgesamt sehr flacher Bauweise der Freikolbenvorrichtung kann eine hohe Leistungsdichte erzielt werden. Derartige Freikolbenvorrichtungen in Flachbauweise bewähren sich in der Praxis. Durch die Flachbauweise ist die Torsionssteifigkeit und damit das Widerstandsmoment der Kolbeneinrichtung mit Energiekopplungseinrichtung in der Ebene der Läuferanordnung jedoch nicht allzu groß. Es können, wenn auch erst bei höheren Betriebsfrequenzen, unerwünschte resonante Schwingungen auftreten.The non-prepublished patent application DE 10 2016 109 038 A1 The same applicant describes a generic free-piston device in which energy coupling devices in the form of linear generators arranged laterally next to the piston device are used. The electromagnetically designed energy coupling devices have a flat design, in which the rotor (magnet) arrangement is plate-shaped and designed to define a plane. The same applies to the stator (coil) arrangements arranged on both sides of the rotor arrangement. The axis is located in the plane of the slider assembly and forms a plane of motion therewith. With an overall very flat design of the free-piston device, a high power density can be achieved. Such free-piston devices with a flat design have proven themselves in practice. However, due to the flat design, the torsional rigidity and thus the moment of resistance of the piston device with the energy coupling device in the plane of the rotor arrangement is not all that great. Undesirable resonant vibrations can occur, even if only at higher operating frequencies.

Die DE 10 2007 035 914 A1 offenbart eine Freikolbenvorrichtung, umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme, mindestens eine in dieser entsprechenden Kolbenaufnahme linear bewegliche Kolbeneinrichtung mit einer ersten Kolbenfläche und einer zweiten Kolbenfläche, welche der ersten Kolbenfläche abgewandt ist, und einen in der Kolbenaufnahme angeordneten Expansionsraum, welcher durch die erste Kolbenfläche begrenzt ist, wobei die Kolbeneinrichtung unter der Wirkung eines Mediums, welches in dem Expansionsraum expandiert, antreibbar ist. In der mindestens einen Kolbenaufnahme ist ein Rückfederraum angeordnet, welcher durch die zweite Kolbenfläche begrenzt ist.the DE 10 2007 035 914 A1 discloses a free-piston device, comprising at least one piston receptacle, at least one piston device that is linearly movable in this corresponding piston receptacle and has a first piston surface and a second piston surface that faces away from the first piston surface, and an expansion space that is arranged in the piston receptacle and is delimited by the first piston surface, wherein the piston device can be driven under the action of a medium which expands in the expansion space. A resilience space is arranged in the at least one piston receptacle and is delimited by the second piston surface.

Weitere Ausführungsformen von Freikolbenvorrichtungen sind in der WO 00/ 77 366 A1 und in der DE 10 2006 003 826 A1 beschrieben. Other embodiments of free-piston devices are in the WO 00/77366 A1 and in the DE 10 2006 003 826 A1 described.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Freikolbenvorrichtung so weiterzubilden, dass bei Beibehaltung einer kompakten Bauform eine robuste Konstruktion mit nach Möglichkeit hoher Leistungsdichte möglich ist.The object of the present invention is to further develop a generic free-piston device in such a way that a robust construction with, if possible, a high power density is possible while maintaining a compact design.

Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Freikolbenvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a free-piston device according to the invention with the features of claim 1.

Bei der vorliegenden Erfindung ist die Achse, anders als bei der eingangs genannten Freikolbenvorrichtung der DE 10 2016 109 038 A1 , nicht in der Ebene der Läuferanordnung angeordnet. Stattdessen weist die Achse zur Ebene der Läuferanordnung einen Abstand auf, so dass ein Querabstand zwischen der Achse und der Läuferanordnung erzielt werden kann. Eine Bezugsebene, die die Achse enthält, ist quer zur Ebene der Läuferanordnung ausgerichtet, wobei „quer“ vorliegend als nicht-identisch und nicht-parallel aufgefasst werden kann und insbesondere auch einen rechten Winkel zwischen der Bezugsebene und der Ebene der Läuferanordnung einschließt. Im Verhältnis zu der in der DE 10 2016 109 038 A1 beschriebenen Freikolbenvorrichtung wird die Läuferanordnung daher relativ zu einer Bezugsebene geneigt und insbesondere senkrecht zu dieser ausgerichtet, wodurch die Erstreckung der Freikolbenvorrichtung in der Bezugsebene verringert werden kann. Dies führt zu einer robusteren Konstruktion, so dass Resonanzschwingungen erst bei Frequenzen deutlich über den üblichen Betriebsfrequenzen der Freikolbenvorrichtungen auftreten. Zugleich kann bei den üblichen Abmessungen der Komponenten der Freikolbenvorrichtung in allen drei Raumrichtungen eine kompakte Bauform realisiert werden, in axialer Richtung, senkrecht zur Achse in der Bezugsebene, sowie senkrecht zu den beiden genannten Richtungen.In the present invention, the axis, unlike the aforementioned free piston device DE 10 2016 109 038 A1 , not arranged in the plane of the rotor arrangement. Instead, the axle is spaced from the plane of the runner assembly so that a transverse spacing between the axle and the runner assembly can be achieved. A reference plane, which contains the axis, is aligned transversely to the plane of the runner arrangement, with "transverse" presently being understood as non-identical and non-parallel and in particular also including a right angle between the reference plane and the plane of the runner arrangement. In relation to the in the DE 10 2016 109 038 A1 described free-piston device, the rotor assembly is therefore inclined relative to a reference plane and in particular aligned perpendicular to this, whereby the Extension of the free-piston device can be reduced in the reference plane. This leads to a more robust construction, so that resonant vibrations only occur at frequencies significantly above the normal operating frequencies of free-piston devices. At the same time, with the usual dimensions of the components of the free-piston device, a compact design can be realized in all three spatial directions, in the axial direction, perpendicular to the axis in the reference plane, and perpendicular to the two directions mentioned.

Gewissermaßen kann die Läuferanordnung als relativ zur Ebene der Bewegung bei der herkömmlichen Freikolbenvorrichtung geneigt oder gekippt angesehen werden. Die Bezugsebene kann vorliegend daher auch als Ebene der Bewegung der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung angesehen werden.In a sense, the runner assembly can be viewed as tilted or canted relative to the plane of motion in the conventional free piston device. In the present case, the reference plane can therefore also be regarded as the plane of movement of the free-piston device according to the invention.

Die Statoranordnung, insbesondere eine Spulenanordnung der Statoranordnung, umfasst mindestens einen Statorabschnitt, der plattenförmig oder im Wesentlichen plattenförmig ausgestaltet und parallel zur Läuferanordnung angeordnet ist. Dies ermöglicht eine Flachbauweise der Energiekopplungseinrichtung, wodurch eine hohe Leistungsdichte erzielt werden kann.The stator arrangement, in particular a coil arrangement of the stator arrangement, comprises at least one stator section which is plate-shaped or essentially plate-shaped and is arranged parallel to the rotor arrangement. This enables a flat construction of the energy coupling device, as a result of which a high power density can be achieved.

Die Leistungsdichte kann weiter gesteigert werden, wenn die Statoranordnung zwei Statorabschnitte umfasst, zwischen denen die Läuferanordnung positioniert ist. Zu beiden Seiten der Läuferanordnung können Statorabschnitte des Stators angeordnet sein. Radial nach außen bezüglich der Achse folgt auf einen inneren Statorabschnitt die Läuferanordnung und anschließend ein äußerer Statorabschnitt, wobei die Läuferanordnung durch die Kolbeneinrichtung axial zwischen den Statorabschnitten bewegbar ist.The power density can be increased further if the stator arrangement comprises two stator sections between which the rotor arrangement is positioned. Stator sections of the stator can be arranged on both sides of the rotor arrangement. Radially outwardly of the axis, an inner stator section is followed by the rotor assembly and then an outer stator section, the rotor assembly being movable axially between the stator sections by the piston means.

Als günstig erweist es sich, insbesondere bei der zuletzt erwähnten vorteilhaften Ausführungsform, dass die Läuferanordnung in der von ihr definierten Ebene und quer, speziell senkrecht, zur Bezugsebene mit zumindest einem Endabschnitt über einen Statorabschnitt hinausragt und wenn das Halteelement mit dem Endabschnitt verbunden ist. Die Verbindung des Halteelementes mit dem Endabschnitt, der über den Statorabschnitt hinausragt, erlaubt es, radial innenseitig der Läuferanordnung einen Statorabschnitt zu positionieren, wobei bevorzugt ein weiterer Statorabschnitt zur Steigerung der Leistungsdichte radial außerhalb der Läuferanordnung positioniert sein kann.It has proven to be favorable, especially in the last-mentioned advantageous embodiment, that the rotor arrangement protrudes in the plane defined by it and transversely, especially perpendicularly, to the reference plane with at least one end section over a stator section and when the holding element is connected to the end section. The connection of the holding element to the end section that protrudes beyond the stator section allows a stator section to be positioned radially inside the rotor arrangement, with another stator section preferably being able to be positioned radially outside the rotor arrangement to increase the power density.

Günstig ist es, wenn die Bezugsebene senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der Läuferanordnung ausgerichtet ist, wobei vorliegend unter „im Wesentlichen senkrecht“ insbesondere eine geringfügige Abweichung von einem rechten Winkel bestehen kann, zum Beispiel bis zu ca. 5°.It is favorable if the reference plane is oriented perpendicularly or essentially perpendicularly to the plane of the rotor arrangement, in the present case “essentially perpendicular” can in particular be a slight deviation from a right angle, for example up to approx. 5°.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Freikolbenvorrichtung schneidet die Bezugsebene die Läuferanordnung mittig oder im Wesentlichen mittig. Hierunter kann vorliegend zum Beispiel verstanden werden, dass ein Lot von der Achse auf die Ebene der Läuferanordnung die Läuferanordnung mittig oder ungefähr mittig schneidet.In an advantageous embodiment of the free-piston device, the reference plane intersects the rotor arrangement in the middle or essentially in the middle. In the present case, this can be understood to mean, for example, that a perpendicular from the axis to the plane of the rotor arrangement intersects the rotor arrangement in the middle or approximately in the middle.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform durchsetzt die Läuferanordnung die Bezugsebene und ist bei der zuletzt erwähnten vorteilhaften Ausführungsform vorzugsweise zu gleichen Teilen oberhalb und unterhalb der Bezugsebene positioniert.In an advantageous embodiment, the rotor arrangement passes through the reference plane and, in the last-mentioned advantageous embodiment, is preferably positioned in equal parts above and below the reference plane.

Günstig ist es, wenn die Läuferanordnung in sich symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der Bezugsebene ausgestaltet ist.It is favorable if the rotor arrangement is designed symmetrically or essentially symmetrically with respect to the reference plane.

Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Läuferanordnung ihre größte Erstreckung parallel zur Achse aufweist.It is advantageously provided that the rotor arrangement has its greatest extension parallel to the axis.

Weiter ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Läuferanordnung ihre geringste Erstreckung radial zur Achse in der Bezugsebene aufweist.Furthermore, it is advantageously provided that the rotor arrangement has its smallest extent radially to the axis in the reference plane.

Die mindestens eine Energiekopplungseinrichtung ist vorzugsweise elektromagnetisch ausgestaltet, wobei die Läuferanordnung eine Magnetanordnung und die Statoranordnung eine Spulenanordnung ist oder umfasst. Die Energiekopplungseinrichtung bildet insbesondere einen Lineargenerator. Die Magnetanordnung umfasst beispielsweise axial aufeinanderfolgend angeordnete Magnetelemente, zwischen denen Flussleitelemente zur Bündelung des magnetischen Flusses positioniert sein können.The at least one energy coupling device is preferably designed to be electromagnetic, with the rotor arrangement being or comprising a magnet arrangement and the stator arrangement being a coil arrangement. The energy coupling device forms in particular a linear generator. The magnet arrangement comprises, for example, magnet elements arranged axially one after the other, between which flux guide elements for bundling the magnetic flux can be positioned.

Vorteilhafterweise ragt die Läuferanordnung mit zwei Endabschnitten an einander gegenüberliegenden Seiten über den Statorabschnitt heraus, wobei die Endabschnitte mit dem Halteelement verbunden sind. Die Läuferanordnung kann dadurch an einander gegenüberliegenden Endabschnitten, zum Beispiel oberhalb und unterhalb der Bezugsebene, robust mit der Kolbeneinrichtung verbunden werden.Advantageously, the rotor arrangement protrudes with two end sections on opposite sides over the stator section, the end sections being connected to the holding element. As a result, the rotor arrangement can be robustly connected to the piston device at mutually opposite end sections, for example above and below the reference plane.

Vorteilhafterweise weist die Statoranordnung ihre größte Erstreckung parallel zur Achse auf.The stator arrangement advantageously has its greatest extent parallel to the axis.

Günstig ist es, wenn die Statoranordnung ihre geringste Erstreckung radial zur Achse in der Bezugsebene aufweist.It is favorable if the stator arrangement has its smallest extent radially to the axis in the reference plane.

Die Freikolbenvorrichtung umfasst bei einer bevorzugten Ausführungsform zwei Energiekopplungseinrichtungen, insbesondere Lineargeneratoren, wodurch die Leistungsdichte der Freikolbenvorrichtung gesteigert werden kann.In a preferred embodiment, the free-piston device comprises two energy coupling devices, in particular linear generators ren, whereby the power density of the free-piston device can be increased.

Von Vorteil ist es, wenn die Energiekopplungseinrichtungen einander bezüglich einer Ebene gegenüberliegend angeordnet sind, die quer und insbesondere senkrecht zur Bezugsebene ausgerichtet ist und die Achse enthält. Die Energiekopplungseinrichtungen können dabei auf einander gegenüberliegenden Seiten der Kolbeneinrichtung positioniert sein, beispielsweise einer Kolbenstange der Kolbeneinrichtung, die einen Verbrennungskolben mit einem Rückfeder- oder Gasfederkolben verbindet.It is advantageous if the energy coupling devices are arranged opposite one another with respect to a plane which is oriented transversely and in particular perpendicularly to the reference plane and contains the axis. The energy coupling devices can be positioned on opposite sides of the piston device, for example a piston rod of the piston device which connects a combustion piston with a resilience or gas spring piston.

Vorteilhafterweise sind die Energiekopplungseinrichtungen symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der vorstehend genannten Ebene, die die Achse enthält und quer zur Bezugsebene ausgerichtet ist. Diese Ebene ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform senkrecht zur Bezugsebene ausgerichtet und/oder parallel zur Ebene den Läuferanordnungen ausgerichtet.Advantageously, the energy coupling means are symmetrical or substantially symmetrical with respect to the aforesaid plane containing the axis and oriented transversely to the reference plane. In an advantageous embodiment, this plane is aligned perpendicular to the reference plane and/or parallel to the plane of the rotor arrangements.

Es kann, darauf wird nachfolgend noch eingegangen, ein gemeinsames Halteelement vorgesehen sein, das die Kolbeneinrichtung mit den Läuferanordnungen verbindet.As will be discussed below, a common holding element can be provided which connects the piston device to the rotor arrangements.

Günstig ist es, wenn das Halteelement eine axiale Erstreckung aufweist, die geringer ist als die axiale Erstreckung der Läuferanordnung. Die Masse der Freikolbenvorrichtung kann dadurch zur Erhöhung des Wirkungsgrades reduziert werden.It is favorable if the holding element has an axial extent that is less than the axial extent of the rotor arrangement. The mass of the free-piston device can be reduced in order to increase the efficiency.

Nachfolgend wird auf die nähere Ausgestaltung des Halteelementes eingegangen.The detailed configuration of the holding element is discussed below.

Als vorteilhaft erweist es sich, wenn das Halteelement mindestens einen radial oder im Wesentlichen radial zur Achse ausgerichteten ersten Abschnitt aufweist, der mit der Kolbeneinrichtung direkt oder indirekt verbunden ist, und mindestens einen im Winkel zu diesem ausgerichteten zweiten Abschnitt, der mit der Läuferanordnung verbunden ist. Die Verbindung der Kolbeneinrichtung mit der Läuferanordnung über ein abgewinkeltes Halteelement verringert die Neigung des Halteelementes zur Resonanz.It proves to be advantageous if the holding element has at least one first section aligned radially or essentially radially to the axis, which is directly or indirectly connected to the piston device, and at least one second section aligned at an angle thereto, which is connected to the rotor arrangement . The connection of the piston assembly to the rotor assembly via an angled support member reduces the tendency of the support member to resonate.

Als vorteilhaft erweist es sich, wenn der erste Abschnitt parallel zur Ebene der Läuferanordnung ausgerichtet ist und wenn der zweite Abschnitt parallel zur Bezugsebene ausgerichtet ist. Der erste und der zweite Abschnitt können auf diese Weise insbesondere einen rechten oder im Wesentlichen rechten Winkel einschließen.It proves to be advantageous if the first section is aligned parallel to the plane of the rotor arrangement and if the second section is aligned parallel to the reference plane. In this way, the first and the second section can in particular enclose a right or substantially right angle.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Halteelement am ersten Abschnitt und zweiten Abschnitt im Querschnitt relativ zur Achse L-förmig ausgebildet, d.h. der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt bilden im Querschnitt die Form eines L.In an advantageous embodiment, the holding element on the first section and second section is L-shaped in cross section relative to the axis, i.e. the first section and the second section form the shape of an L in cross section.

Günstigerweise weist das Halteelement mindestens einen dritten Abschnitt auf, der den ersten Abschnitt, eine mit diesem verbundene Buchse des Halteelementes oder die Kolbeneinrichtung und den zweiten Abschnitt strebenartig miteinander verbindet. Die Buchse kann beispielsweise mit einer Kolbenstange der Kolbeneinrichtung verbunden sein, die durch die Achse hindurchgeführt ist. Die Konstruktion des Halteelementes wird durch den dritten Abschnitt noch robuster, es entsteht insbesondere ein im Querschnitt „fachwerkartiges“ Halteelement.The holding element favorably has at least one third section, which connects the first section, a bushing of the holding element connected thereto, or the piston device and the second section to one another in the manner of a strut. The bushing can be connected, for example, to a piston rod of the piston device, which is passed through the axle. The construction of the holding element is made even more robust by the third section, in particular a holding element with a "truss-like" cross section is created.

Günstig ist es, wenn zwei erste Abschnitte und zwei zweite Abschnitte vorgesehen sind, die einander gegenüberliegende Endabschnitte der Läuferanordnung mit der Kolbeneinrichtung verbinden. Es wurde bereits erwähnt, dass vorteilhafterweise über einen Statorabschnitt hinausragende Endabschnitte mit dem Halteelement verbunden sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind insbesondere die zwei zweiten Abschnitte an den Endabschnitten der Läuferanordnung festgelegt, wobei die zweiten Abschnitte über jeweilige erste Abschnitte direkt oder indirekt mit der Kolbeneinrichtung verbunden sind. Beispielsweise weist das Halteelement im Querschnitt an den ersten Abschnitten und zweiten Abschnitten die Form von zwei spiegelbildlich zueinander gebildeten L auf. Zwischen den zweiten Abschnitten ist günstigerweise ein Statorabschnitt der Statoranordnung angeordnet.It is favorable if two first sections and two second sections are provided, which connect mutually opposite end sections of the rotor arrangement to the piston device. It has already been mentioned that end sections which advantageously protrude beyond a stator section are connected to the holding element. In the present embodiment, in particular, the two second sections are fixed to the end sections of the rotor arrangement, the second sections being connected directly or indirectly to the piston device via respective first sections. For example, the cross section of the holding element has the shape of two L's formed as mirror images of each other at the first sections and second sections. A stator section of the stator arrangement is advantageously arranged between the second sections.

Sind zwei Energiekopplungseinrichtungen vorgesehen, ist es günstig, wenn das Halteelement in sich symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der vorstehend genannten Ebene ausgestaltet ist, die quer zur Bezugsebene ausgerichtet ist und die Achse enthält. Dies ermöglicht neben einer einfachen Konstruktion eine Vergleichmäßigung der Krafteinleitung und führt zu einem ruhigeren Lauf der Freikolbenvorrichtung.If two energy coupling devices are provided, it is advantageous if the holding element is designed symmetrically or essentially symmetrically with respect to the aforementioned plane, which is aligned transversely to the reference plane and contains the axis. In addition to a simple construction, this allows the introduction of force to be evened out and leads to smoother running of the free-piston device.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Freikolbenvorrichtung, die zwei Energiekopplungseinrichtungen umfasst, ist das Halteelement, zumindest abschnittsweise, im Querschnitt bezüglich der Achse doppel-T-förmig ausgestaltet. „Querstriche“ des T (-) sind vorzugsweise durch jeweilige zweite Abschnitte zum Verbinden des Halteelementes mit einer Läuferanordnung gebildet. Die „senkrechten Striche“ des T (|) sind vorzugsweise durch jeweilige erste Abschnitte des Halteelementes zum direkten oder indirekten Verbinden mit der Kolbeneinrichtung gebildet. Die Querstriche sind vorzugsweise parallel zur Bezugsebene ausgerichtet und senkrecht zur Ebene der Läuferanordnung. Die senkrechten Striche sind vorzugsweise senkrecht zur Bezugsebene ausgerichtet.In an advantageous embodiment of the free-piston device, which comprises two energy coupling devices, the holding element is configured, at least in sections, in a double T-shape in cross section with respect to the axis. "Bars" of the T (-) are preferably formed by respective second portions for connecting the support member to a runner assembly. The "vertical bars" of the T (|) are preferably formed by respective first sections of the retaining element for direct or indirect connection to the piston device. The bars are preferably aligned parallel to the reference plane and perpendicular to the plane of the slider assembly. The vertical streaks surfaces are preferably aligned perpendicular to the reference plane.

Das Halteelement kann zwei Schenkel und eine diese verbindende Brücke umfassen oder ausbilden. Beispielsweise sind die Schenkel die vorstehend genannten zweiten Abschnitte, und die Brücke wird durch die vorstehend genannten ersten Abschnitte gebildet. Die Schenkel sind vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet.The holding element can comprise or form two legs and a bridge connecting them. For example, the legs are the second sections mentioned above and the bridge is formed by the first sections mentioned above. The legs are preferably aligned parallel to one another.

Bei Vorhandensein von zwei Energiekopplungseinrichtungen können vier Schenkel vorhanden sein, wobei jeweils zwei Schenkel eine gemeinsame Ebene definieren und über die Brücke von den jeweils anderen beiden Schenkeln beabstandet sind. Es kann eine gemeinsame Brücke vorgesehen sein. Dadurch kann zum Beispiel die vorstehend erwähnte doppel-T-förmige Ausgestaltung des Halteelements erzielt werden.If two energy coupling devices are present, four legs can be present, with two legs defining a common plane and being spaced apart from the other two legs via the bridge. A common bridge can be provided. In this way, for example, the above-mentioned double-T-shaped configuration of the holding element can be achieved.

Als günstig erweist es sich, wenn die Freikolbenvorrichtung eine Lagereinrichtung aufweist, über die das Halteelement und/oder die Läuferanordnung an einem den Freikolbenmotor und die mindestens eine Energiekopplungseinrichtung aufnehmenden Gehäuse verschieblich gelagert ist. Dadurch kann ein kompaktes Gehäuse der Freikolbenvorrichtung bereitgestellt werden, deren bewegte Komponenten relativ zum Gehäuse über die Lagereinrichtung gelagert ist. Die Lagereinrichtung kann ein Gleitlager, Rollenlager oder Kugellager sein oder umfassen.It proves to be favorable if the free-piston device has a bearing device, via which the holding element and/or the rotor arrangement is displaceably mounted on a housing accommodating the free-piston motor and the at least one energy coupling device. As a result, a compact housing for the free-piston device can be provided, the moving components of which are mounted relative to the housing via the bearing device. The bearing device can be or include a slide bearing, roller bearing or ball bearing.

Das Halteelement kann von der Kolbeneinrichtung umfasst sein.The holding element can be encompassed by the piston device.

Es kann vorgesehen sein, dass das Halteelement von einer Kolbenstange gebildet ist, die einen Verbrennungskolben mit einem Rückfederkolben, beispielsweise einem Gasfederkolben, verbindet.Provision can be made for the holding element to be formed by a piston rod which connects a combustion piston to a resilience piston, for example a gas spring piston.

Die Verbindung von Halteelement und Kolbenstange kann einstückig sein. Bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform kann das Halteelement getrennt von der Kolbenstange gebildet und mit dieser verbunden sein.The connection between the holding element and the piston rod can be in one piece. In another advantageous embodiment, the holding element can be formed separately from the piston rod and can be connected to it.

Beispielsweise umfasst oder bildet das Halteelement eine Buchse, durch die die Kolbenstange hindurchgreift.For example, the holding element comprises or forms a bushing through which the piston rod extends.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

  • 1: eine schematische perspektivische Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung;
  • 2: eine schematische Darstellung der Freikolbenvorrichtung in Schnittansicht längs der Linie 2-2 in 1; und
  • 3: eine Darstellung entsprechend 2 bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung.
The following description of preferred embodiments of the invention, in conjunction with the drawing, serves to explain the invention in more detail. Show it:
  • 1 : a schematic perspective partial illustration of a free-piston device according to the invention;
  • 2 1 is a schematic representation of the free piston device in a sectional view along line 2-2 in FIG 1 ; and
  • 3 : a representation accordingly 2 in a further advantageous embodiment of the free-piston device according to the invention.

Die 1 und 2 zeigen eine mit dem Bezugszeichen 10 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung.the 1 and 2 show an advantageous embodiment of a free-piston device according to the invention, designated by the reference number 10 .

Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst ein nur in 2 dargestelltes Gehäuse 12, das einen Aufnahmeraum 14 bildet. Im Aufnahmeraum 14 ist ein Freikolbenmotor 15 aufgenommen. Der Freikolbenmotor 15 umfasst eine Kolbeneinrichtung 16, die eine Kolbenstange 18, einen Verbrennungskolben 20 und einen Rückfederkolben 22 umfasst. Die Kolbenstange 18 definiert eine Achse 24.The free-piston device 10 comprises an only in 2 shown housing 12, which forms a receiving space 14. A free-piston engine 15 is accommodated in the accommodation space 14 . The free-piston engine 15 comprises a piston device 16 which comprises a piston rod 18 , a combustion piston 20 and a rebound piston 22 . The piston rod 18 defines an axis 24.

Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst eine Kolbenaufnahme 26, die einen Expansionsraum 28 bildet. Der Verbrennungskolben 20 begrenzt den Expansionsraum 28 an einer Seite mit einer Kolbenfläche 30.The free-piston device 10 includes a piston receptacle 26 which forms an expansion space 28 . The combustion piston 20 delimits the expansion space 28 on one side with a piston surface 30.

Dem Expansionsraum 28 kann in an sich bekannter Weise über in der Zeichnung nicht dargestellte Leitungen ein zündfähiges Gemisch zugeführt werden, bei dessen Verbrennung das expandierende Medium auf die Kolbenfläche 30 eine Verschiebekraft ausübt. Die Kolbeneinrichtung 16 wird unter Bewegung des Verbrennungskolbens 20 vom oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt bewegt.An ignitable mixture can be supplied to the expansion chamber 28 in a manner known per se via lines not shown in the drawing, and when it burns, the expanding medium exerts a displacement force on the piston surface 30 . The piston assembly 16 is moved from the top dead center to a bottom dead center as the combustion piston 20 moves.

Eine weitere Kolbenaufnahme 32 ist der Kolbenaufnahme 26 gegenüberliegend angeordnet und dem Rückfederkolben 22 zugeordnet. Der Rückfederkolben 22 ist zum Beispiel ein Gasfederkolben, der mit einer Kolbenfläche 34 einen Rückfederraum 36 an einer Seite begrenzt, in dem ein komprimierbares Gas (oder Gasgemisch) aufgenommen ist. Durch die Bewegung der Kolbeneinrichtung 16 wird das Gas komprimiert, es entsteht dadurch eine Rückfederkraft auf die Kolbeneinrichtung 16, um den Verbrennungskolben 20 wieder vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt zu bewegen. Auf diese Weise umfasst die Freikolbenvorrichtung 10 eine Rückfedereinrichtung 38.A further piston receptacle 32 is arranged opposite the piston receptacle 26 and is associated with the spring-back piston 22 . The resilience piston 22 is, for example, a gas spring piston which, with a piston surface 34, delimits a resilience space 36 on one side, in which a compressible gas (or gas mixture) is accommodated. The movement of the piston device 16 compresses the gas, resulting in a springback force on the piston device 16 in order to move the combustion piston 20 again from bottom dead center to top dead center. In this way, the free-piston device 10 comprises a spring-back device 38.

Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass eine mechanische Rückfedereinrichtung vorgesehen ist.In addition or as an alternative, it can be provided that a mechanical spring-back device is provided.

Außerdem kann vorgesehen sein, dass der Druck des Gases im Rückfederraum 36 in an sich bekannter Weise gesteuert und/oder geregelt wird. Hierzu können an der Kolbenaufnahme 32 beispielsweise in der Zeichnung nicht dargestellte Zufuhrleitungen und/oder Ventile angeordnet sein.In addition, it can be provided that the pressure of the gas in the resilience space 36 is controlled and/or regulated in a manner known per se. For this purpose, on the piston mount 32, for example As in the drawing not shown supply lines and / or valves can be arranged.

Die Freikolbenvorrichtung 10 kann außerdem eine Steuereinrichtung aufweisen zum Steuern der Verbrennung und/oder der Rückfedereinrichtung 38. Außerdem können die nachfolgend genannten Energiekopplungseinrichtungen der Freikolbenvorrichtung 10 von der Steuereinrichtung in an sich bekannter Weise angesteuert werden, um die Bewegung der Kolbeneinrichtung 16 im Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 zu steuern und/oder zu regeln.The free-piston device 10 can also have a control device for controlling the combustion and/or the resilience device 38. In addition, the energy coupling devices of the free-piston device 10 mentioned below can be controlled by the control device in a manner known per se in order to control the movement of the piston device 16 during operation of the free-piston device 10 to control and/or regulate.

Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst zwei Energiekopplungseinrichtungen 40, 42, die symmetrisch zueinander bezüglich einer die Achse 24 enthaltenden Symmetrieebene 44 ausgestaltet sind. Für die Komponenten der Energiekopplungseinrichtungen 40, 42 werden identische Bezugszeichen benutzt, und nachfolgend wird im Wesentlichen auf die Energiekopplungseinrichtung 40 eingegangen.The free-piston device 10 comprises two energy coupling devices 40, 42, which are configured symmetrically to one another with respect to a plane of symmetry 44 containing the axis 24. Identical reference numbers are used for the components of the energy coupling devices 40, 42, and the energy coupling device 40 is essentially discussed below.

Die Energiekopplungseinrichtung 40 ist als Lineargenerator 45 ausgestaltet und umfasst eine Läuferanordnung 46, die als Magnetanordnung ausgestaltet ist, sowie eine als Spulenanordnung ausgestaltete Statoranordnung 48. Die Läuferanordnung 46 ist plattenförmig gebildet und definiert eine Ebene 50, die vorliegend bevorzugt parallel zur Symmetrieebene 44 ausgerichtet ist.Energy coupling device 40 is designed as a linear generator 45 and includes a rotor arrangement 46, which is designed as a magnet arrangement, and a stator arrangement 48, designed as a coil arrangement.

Die Läuferanordnung 46 umfasst axial nebeneinander angeordnete Magnetelemente 52, zwischen denen zur Bündelung des magnetischen Flusses Flussleitelemente angeordnet sein können.The rotor arrangement 46 comprises magnet elements 52 arranged axially next to one another, between which flux guide elements can be arranged for bundling the magnetic flux.

Die Freikolbenvorrichtung 10 definiert eine Bezugsebene 54. Die Bezugsebene 54 enthält die Achse 24 und ist vorliegend quer und insbesondere senkrecht zur Ebene 50 der Läuferanordnung 46 ausgerichtet. Auch die Symmetrieebene 44 ist quer und insbesondere senkrecht zur Bezugsebene 54 ausgerichtet.The free-piston device 10 defines a reference plane 54. The reference plane 54 contains the axis 24 and in the present case is oriented transversely and in particular perpendicularly to the plane 50 of the rotor arrangement 46. The plane of symmetry 44 is also aligned transversely and in particular perpendicularly to the reference plane 54 .

Die Läuferanordnung 46 kann gewissermaßen als relativ zur Ebene der Bewegung bei der in der DE 10 2016 109 038 beschriebenen Freikolbenvorrichtung geneigt oder gekippt angesehen werden. Die Bezugsebene 54 kann daher vorliegend daher auch als Ebene der Bewegung bezeichnet werden.The runner assembly 46 can be considered as relative to the plane of motion in which in FIG DE 10 2016 109 038 described free-piston device are tilted or tilted. The reference plane 54 can therefore also be referred to as the plane of movement in the present case.

Vorliegend ist die Achse 24 im Abstand zur Ebene 50 der Läuferanordnung 46 positioniert, welche ihrerseits einen Querabstand zur Achse 24 aufweist. Die Bezugsebene 54 schneidet die Läuferanordnung 46 mittig, so dass diese Abschnitte zu beiden Seiten der Bezugsebene 54 aufweist. Insbesondere ist die Läuferanordnung 46 und vorteilhafterweise die Energiekopplungseinrichtung 40 insgesamt in sich symmetrisch bezüglich der Bezugsebene 54 ausgestaltet.Here, the axis 24 is positioned at a distance from the plane 50 of the rotor assembly 46, which in turn is at a transverse distance from the axis 24. The reference plane 54 intersects the rotor assembly 46 in the middle so that it has sections on both sides of the reference plane 54 . In particular, the rotor arrangement 46 and advantageously the energy coupling device 40 as a whole are designed symmetrically with respect to the reference plane 54 .

Die Läuferanordnung 46 weist ihre größte Erstreckung parallel zur Achse 24 auf und ihre geringste Erstreckung radial zur Achse 24 in der Bezugsebene 54.The rotor arrangement 46 has its greatest extension parallel to the axis 24 and its smallest extension radially to the axis 24 in the reference plane 54.

Die Statoranordnung 48 umfasst zwei Statorabschnitte 56. Die Statorabschnitte 56 sind voneinander beabstandet, wobei die Läuferanordnung 46 zwischen den Statorabschnitten 56 angeordnet ist.The stator assembly 48 includes two stator sections 56. The stator sections 56 are spaced from one another with the rotor assembly 46 disposed between the stator sections 56. As shown in FIG.

Beide Statorabschnitte 56 sind von plattenförmiger Gestalt und definieren eine parallel zur Ebene der Läuferanordnung 46 ausgerichtete Ebene. Die größte Erstreckung weisen die Statorabschnitte 56 parallel zur Achse 24 auf, die geringste Erstreckung in der Bezugsebene 54 radial zur Achse 24. Die Bezugsebene 54 schneidet die Statorabschnitte 56 jeweils mittig.Both stator sections 56 are plate-shaped and define a plane parallel to the plane of the rotor assembly 46 . The stator sections 56 have the greatest extent parallel to the axis 24, and the smallest extent in the reference plane 54 radially to the axis 24. The reference plane 54 intersects the stator sections 56 in the middle.

Die Statorabschnitte 56 umfassen in an sich bekannter Weise in der Zeichnung nicht dargestellte Spulen, die mit den Magnetelementen 52 der Läuferanordnung 46 zusammenwirken.The stator sections 56 comprise, in a manner known per se, coils which are not shown in the drawing and which interact with the magnetic elements 52 of the rotor arrangement 46 .

Die Läuferanordnung 46 ist mittels eines Halteelementes 58 der Freikolbenvorrichtung 10 fest mit der Kolbeneinrichtung 16 verbunden. Bei einer Bewegung der Kolbeneinrichtung 16 wird die Läuferanordnung 46 zwischen den Statorabschnitten 56 parallel zur Achse 24 verschoben und führt ebenfalls eine Hin- und Herbewegung aus.The rotor arrangement 46 is firmly connected to the piston device 16 by means of a holding element 58 of the free-piston device 10 . When the piston device 16 moves, the runner arrangement 46 is displaced between the stator sections 56 parallel to the axis 24 and likewise executes a reciprocating movement.

Eine Lagereinrichtung 60 ist vorgesehen, über die die Läuferanordnung 46 innenseitig am Gehäuse 12 verschieblich gelagert ist. Die Lagereinrichtung 60 umfasst zum Beispiel Gleitlager, Rollenlager oder Kugellager (2).A bearing device 60 is provided, via which the rotor arrangement 46 is displaceably mounted on the inside of the housing 12 . The bearing device 60 includes, for example, plain bearings, roller bearings or ball bearings ( 2 ).

Mit der Energiekopplungseinrichtung 40 kann eine hohe Leistungsdichte erzielt werden. Förderlich hierfür ist die Flachbauweise der Läuferanordnung 46 und der Statorabschnitte 56, so dass die Energiekopplungseinrichtung 40 insgesamt in Flachbauweise ausgeführt ist. Dies gibt die Möglichkeit, mit der Freikolbenvorrichtung 10 eine hohe Leistungsdichte bei zugleich kompakter Bauform zu erzielen. In allen drei Raumrichtungen - axial, senkrecht dazu in der Bezugsebene 54 sowie senkrecht zur Achse 24 in der Symmetrieebene 44 - ist die Freikolbenvorrichtung 10 kompakt gebaut.A high power density can be achieved with the energy coupling device 40 . The flat design of the rotor arrangement 46 and the stator sections 56 is beneficial for this, so that the energy coupling device 40 is designed overall in a flat design. This makes it possible to achieve a high power density with the free-piston device 10 with a compact design at the same time. The free-piston device 10 is of compact construction in all three spatial directions—axially, perpendicular thereto in the reference plane 54 and perpendicular to the axis 24 in the plane of symmetry 44 .

Durch die nachfolgend erläuterte Ausgestaltung des Halteelementes 58 wird ferner eine robuste Konstruktion erzielt.Furthermore, a robust construction is achieved by the configuration of the holding element 58 explained below.

Das Halteelement 58 verbindet die Läuferanordnung 46 mit der Kolbeneinrichtung 16 und insbesondere deren Kolbenstange 18. Das Halteelement 58 umfasst eine Buchse 62, durch die hindurch die Kolbenstange 18 geführt ist. Die Buchse 62 ist fest mit der Kolbenstange 18 verbunden.The holding element 58 connects the rotor assembly 46 to the piston device 16 and in particular special its piston rod 18. The holding element 58 comprises a bushing 62, through which the piston rod 18 is guided. The bushing 62 is firmly connected to the piston rod 18 .

Weiter umfasst das Halteelement 58 auf einander gegenüberliegenden Seiten der Bezugsebene 54 zwei erste Abschnitte 64, die radial zur Achse 24 ausgerichtet sind und insbesondere in der Symmetrieebene 44 liegen.Furthermore, the holding element 58 comprises two first sections 64 on opposite sides of the reference plane 54, which are aligned radially with respect to the axis 24 and, in particular, lie in the plane of symmetry 44.

Ein jeweiliger erster Abschnitt 64 ist mit einem jeweiligen zweiten Abschnitt 66 verbunden, wobei die Abschnitte 64, 66 abgewinkelt zueinander sind. In einem Querschnitt bezüglich der Achse 24 (2) weisen die Abschnitte 64, 66 gemeinsam die Form eines L auf. Die Abschnitte 66 sind parallel zur Bezugsebene 54 ausgerichtet und verbinden die ersten Abschnitte 64 mit Endabschnitten 68, 70 der Läuferanordnung 46.A respective first section 64 is connected to a respective second section 66, the sections 64, 66 being angled towards one another. In a cross-section about axis 24 ( 2 ) the sections 64, 66 collectively have the shape of an L. Sections 66 are aligned parallel to reference plane 54 and connect first sections 64 to end sections 68, 70 of rotor assembly 46.

Die Endabschnitte 68, 70 sind einander gegenüberliegend an der Läuferanordnung 46 angeordnet und ragen über die Statorabschnitte 56 hinaus, in der Ebene der Läuferanordnung 46 und senkrecht zur Bezugsebene 54.The end portions 68, 70 are located opposite each other on the rotor assembly 46 and protrude beyond the stator sections 56, in the plane of the rotor assembly 46 and perpendicular to the reference plane 54.

Auf diese Weise ist die Läuferanordnung 46 an den Endabschnitten 68, 70 mit den zweiten Abschnitten 66 verbunden, die im Abstand zueinander angeordnet sind. Zwischen den zweiten Abschnitten 66 ist einer der Statorabschnitte 56 angeordnet.In this manner, the runner assembly 46 is connected at the end portions 68, 70 to the second portions 66 which are spaced from one another. One of the stator sections 56 is arranged between the second sections 66 .

Die ersten Abschnitte 64 sind mit der Buchse 62 und über diese mittelbar mit der Kolbenstange 18 verbunden.The first sections 64 are connected to the bushing 62 and, via this, indirectly to the piston rod 18 .

Das Halteelement 58 ist in sich symmetrisch bezüglich der Symmetrieebene 44 ausgestaltet. Beide Energiekopplungseinrichtungen 40, 42 sind mit dem Halteelement 58 verbunden. Im Querschnitt bezüglich der Achse 24 weist das Halteelement 58 dadurch eine doppel-T-förmige Ausgestaltung auf. Die Querstriche (-) des T werden durch die jeweiligen zweiten Abschnitte 66 gebildet, und die senkrechten Striche (|) des T werden durch die ersten Abschnitte 64 gebildet.The holding element 58 is designed symmetrically with respect to the plane of symmetry 44 . Both energy coupling devices 40, 42 are connected to the holding element 58. As a result, the holding element 58 has a double-T-shaped configuration in cross section with respect to the axis 24 . The slashes (-) of the T are formed by the respective second portions 66 and the vertical bars (|) of the T are formed by the first portions 64. FIG.

Das Halteelement 58 kann auch als zwei voneinander beabstandete Schenkel 72 umfassend angesehen werden, die über eine Brücke 74 miteinander verbunden sind. Die Schenkel 72 werden vorliegend gebildet durch die Abschnitte 66 parallel zur Bezugsebene 54. Die Brücke 74 kann vorliegend als durch die ersten Abschnitte 64 und die Buchse 62 gebildet angesehen werden. Es ist eine gemeinsame Brücke 74 für die Schenkel 72 vorgesehen, die die Läuferanordnungen 46 beider Energiekopplungseinrichtungen 40, 42 mit der Kolbenstange 18 verbinden.The holding element 58 can also be regarded as comprising two legs 72 which are spaced apart from one another and which are connected to one another via a bridge 74 . The legs 72 are presently formed by the sections 66 parallel to the reference plane 54. The bridge 74 can be considered here to be formed by the first sections 64 and the bushing 62. A common bridge 74 is provided for the legs 72 which connect the runner assemblies 46 of both energy coupling devices 40, 42 to the piston rod 18.

In axialer Richtung erstreckt sich das Halteelement 58 zur Gewichtsersparnis nur längs eines Abschnittes der Erstreckung der Energiekopplungseinrichtung 40. Beispielsweise beträgt die axiale Erstreckung des Halteelementes 58 ungefähr ein Fünftel bis ungefähr ein Drittel der Erstreckung der Läuferanordnung 46.In the axial direction, the holding element 58 only extends along a section of the extent of the energy coupling device 40 to save weight. For example, the axial extent of the holding element 58 is approximately one fifth to approximately one third of the extent of the rotor arrangement 46.

Bei der Freikolbenvorrichtung 10 kann durch die Anordnung der Energiekopplungseinrichtungen 40, 42 und die Gestalt des Halteelementes 58 eine robuste Konstruktion erzielt werden. Es besteht eine hohe Torsionssteifigkeit in der Bezugsebene 54, verbunden mit einem erhöhten Widerstandsmoment. Resonanzschwingungen treten bis deutlich oberhalb der üblichen Betriebsfrequenzen der Freikolbenvorrichtung 10 nicht auf.In the case of the free-piston device 10, a robust construction can be achieved through the arrangement of the energy coupling devices 40, 42 and the shape of the holding element 58. There is a high torsional rigidity in the reference plane 54, combined with an increased section modulus. Resonant vibrations do not occur up to well above the usual operating frequencies of the free-piston device 10 .

3 zeigt in einer der 2 entsprechenden Weise eine schematische Schnittansicht einer mit dem Bezugszeichen 80 belegten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung. Für gleiche oder gleichwirkenden Merkmale und Bauteile der Freikolbenvorrichtungen 10 und 80 werden identische Bezugszeichen benutzt. Die mit der Freikolbenvorrichtung 10 erzielbaren Vorteile werden auch bei der Freikolbenvorrichtung 80 erzielt. 3 shows in one of the 2 Correspondingly, a schematic sectional view of an embodiment of a free-piston device according to the invention, denoted by reference numeral 80 . Identical reference symbols are used for the same or equivalent features and components of the free-piston devices 10 and 80 . The advantages that can be achieved with the free-piston device 10 are also achieved with the free-piston device 80 .

Bei der Freikolbenvorrichtung 80 weist das Halteelement 58 eine noch robustere Konstruktion auf.In the case of the free-piston device 80, the retaining element 58 has an even more robust construction.

Zusätzlich zu den ersten Abschnitten 64 und den zweiten Abschnitten 66 sind dritte Abschnitte 82 vorgesehen. Die dritten Abschnitte 82 sind strebenförmig ausgestaltet und verbinden die Buchse 62 mit den zweiten Abschnitten 66. Die dritten Abschnitte 82 verlaufen vorzugsweise in radialer Richtung bezüglich der Achse 24. Zusätzlich zur Doppel-T-Form ist das Halteelement 58, im Querschnitt bezüglich der Achse 24, auf diese Weise abschnittsweise X-förmig ausgebildet.In addition to the first sections 64 and the second sections 66, third sections 82 are provided. The third sections 82 are strut-shaped and connect the bushing 62 to the second sections 66. The third sections 82 preferably run in the radial direction with respect to the axis 24. In addition to the double-T shape, the holding element 58 is in cross section with respect to the axis 24 , formed in this way sections X-shaped.

Dritte Abschnitte könnten ferner vorgesehen sein, um die ersten Abschnitte 64 mit den zweiten Abschnitten 66 zu verbinden. Beispielsweise bei integraler Fertigung des Halteelementes 58 mit der Kolbenstange 18 könnten dritte Abschnitte die Kolbenstange 18 mit den zweiten Abschnitten verbinden.Third sections could also be provided to connect the first sections 64 to the second sections 66 . For example, if the holding element 58 is manufactured integrally with the piston rod 18, third sections could connect the piston rod 18 to the second sections.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Freikolbenvorrichtungfree piston device
1212
Gehäusecasing
1414
Aufnahmeraumrecording room
1515
Freikolbenmotorfree piston engine
1616
Kolbeneinrichtungpiston device
1818
Kolbenstangepiston rod
2020
Verbrennungskolbencombustion piston
2222
Rückfederkolbenspringback piston
2424
Achseaxis
2626
Kolbenaufnahmepiston mount
2828
Expansionsraumexpansion space
3030
Kolbenflächepiston area
3232
Kolbenaufnahmepiston mount
3434
Kolbenflächepiston area
3636
Rückfederraumrebound space
3838
Rückfedereinrichtungspringback device
4040
Energiekopplungseinrichtungenergy coupling device
4242
Energiekopplungseinrichtungenergy coupling device
4444
Symmetrieebeneplane of symmetry
4545
Lineargeneratorlinear generator
4646
Läuferanordnungrunner arrangement
4848
Statoranordnungstator assembly
5050
Ebenelevel
5252
Magnetelementmagnetic element
5454
Bezugsebenereference plane
5656
Statorabschnittstator section
5858
Halteelementholding element
6060
Lagereinrichtungstorage facility
6262
BuchseRifle
6464
erster Abschnittfirst section
6666
zweiter Abschnittsecond part
6868
Endabschnittend section
7070
Endabschnittend section
7272
Schenkelleg
7474
Brückebridge
8080
Freikolbenvorrichtungfree piston device
8282
dritter Abschnittthird section

Claims (20)

Freikolbenvorrichtung, umfassend einen Freikolbenmotor (15) mit einer eine Achse (24) definierenden Kolbeneinrichtung (16), die unter der Wirkung der Expansion eines Mediums in einem Expansionsraum (28), der von einem Kolben (20) der Kolbeneinrichtung (16) begrenzt ist, sowie einer Rückfedereinrichtung (38) axial hin- und herbeweglich ist, sowie mindestens eine Energiekopplungseinrichtung (40, 42), die eine Statoranordnung (48) und eine mit der Kolbeneinrichtung (16) über ein Halteelement (58) verbundene Läuferanordnung (46) aufweist, wobei die Läuferanordnung (46) plattenförmig ausgestaltet ist und eine Ebene (50) definiert, gekennzeichnet durch eine Positionierung der Achse (24) im Querabstand zur Ebene (50) der Läuferanordnung (46), wobei eine die Achse (24) enthaltende Bezugsebene (54) quer zur Ebene (50) der Läuferanordnung (46) ausgerichtet ist, wobei die Statoranordnung (48) mindestens einen Statorabschnitt (56) umfasst, der plattenförmig ausgestaltet und parallel zur Läuferanordnung (46) angeordnet ist, und wobei die Läuferanordnung (46) in der von ihr definierten Ebene (50) und quer zur Bezugsebene (54) mit zumindest einem Endabschnitt (68, 70) über den mindestens einen Statorabschnitt (56) hinausragt, wobei das Halteelement (58) mit dem Endabschnitt (68, 70) verbunden ist.Free-piston device, comprising a free-piston motor (15) with a piston device (16) defining an axis (24) which under the effect of the expansion of a medium in an expansion space (28) delimited by a piston (20) of the piston device (16). , and a return spring device (38) can be moved back and forth axially, and at least one energy coupling device (40, 42) which has a stator arrangement (48) and a rotor arrangement (46) connected to the piston device (16) via a holding element (58). , wherein the runner assembly (46) is plate-shaped and defines a plane (50), characterized by a positioning of the axis (24) at a transverse distance from the plane (50) of the runner assembly (46), wherein a reference plane (24) containing the axis (24) 54) is aligned transversely to the plane (50) of the rotor arrangement (46), the stator arrangement (48) comprising at least one stator section (56) which is plate-shaped and parallel to the rotor anor Dnung (46) is arranged, and wherein the rotor arrangement (46) in the plane (50) defined by it and transverse to the reference plane (54) protrudes with at least one end section (68, 70) beyond the at least one stator section (56), wherein the holding element (58) is connected to the end section (68, 70). Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsebene (54) senkrecht zur Ebene (50) der Läuferanordnung (46) ausgerichtet ist.Free piston device claim 1 , characterized in that the reference plane (54) is aligned perpendicular to the plane (50) of the rotor assembly (46). Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsebene (54) die Läuferanordnung (46) mittig schneidet.Free piston device claim 1 or 2 , characterized in that the reference plane (54) intersects the rotor assembly (46) in the middle. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferanordnung (46) in sich symmetrisch bezüglich der Bezugsebene (54) ausgestaltet ist.Free piston device claim 3 , characterized in that the rotor arrangement (46) is designed symmetrically with respect to the reference plane (54). Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Energiekopplungseinrichtung (40, 42) elektromagnetisch ausgestaltet ist, wobei die Läuferanordnung (46) eine Magnetanordnung und die Statoranordnung (48) eine Spulenanordnung ist oder umfasst.Free-piston device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one energy coupling device (40, 42) is designed electromagnetically, the rotor arrangement (46) being or comprising a magnet arrangement and the stator arrangement (48) being or comprising a coil arrangement. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoranordnung (48) zwei Statorabschnitte (56) umfasst, zwischen denen die Läuferanordnung (46) positioniert ist.Free-piston device according to one of the preceding claims, characterized in that the stator arrangement (48) comprises two stator sections (56), between which the rotor arrangement (46) is positioned. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferanordnung (46) mit zwei Endabschnitten (68, 70) an einander gegenüberliegenden Seiten über den Statorabschnitt (56) hinausragt, wobei die Endabschnitte (68, 70) mit dem Halteelement (58) verbunden sind.Free-piston device according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor arrangement (46) with two end sections (68, 70) projects beyond the stator section (56) on opposite sides, the end sections (68, 70) being connected to the holding element (58) are connected. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10; 80) zwei Energiekopplungseinrichtungen (40, 42) umfasst.Free-piston device according to one of the preceding claims, characterized in that the free-piston device (10; 80) comprises two energy coupling devices (40, 42). Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiekopplungseinrichtungen (40, 42) einander bezüglich einer Ebene (44) gegenüberliegend angeordnet sind, die quer zur Bezugsebene (54) ausgerichtet ist und die Achse (24) enthält.Free piston device claim 8 , characterized in that the energy coupling devices (40, 42) are arranged opposite one another with respect to a plane (44) which is oriented transversely to the reference plane (54) and contains the axis (24). Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiekopplungseinrichtungen (40, 42) symmetrisch bezüglich der erstgenannten Ebene (44) ausgestaltet sind.Free piston device claim 9 , characterized in that the energy coupling devices (40, 42) are designed symmetrically with respect to the first-mentioned plane (44). Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (58) mindestens einen radial zur Achse (24) ausgerichteten ersten Abschnitt (64) aufweist, der mit der Kolbeneinrichtung (16) verbunden ist, und mindestens einen im Winkel zu diesem ausgerichteten zweiten Abschnitt (66), der mit der Läuferanordnung (46) verbunden ist.Free-piston device according to one of the preceding claims, characterized in that the holding element (58) has at least one first section (64) which is aligned radially with respect to the axis (24) and is connected to the piston device (16), and at least one section which is aligned at an angle thereto second section (66) connected to the rotor assembly (46). Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (64) parallel zur Ebene (50) der Läuferanordnung (46) ausgerichtet ist und dass der zweite Abschnitt (66) parallel zur Bezugsebene (54) ausgerichtet ist.Free piston device claim 11 , characterized in that the first section (64) is oriented parallel to the plane (50) of the rotor assembly (46) and that the second section (66) is oriented parallel to the reference plane (54). Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (58) am ersten Abschnitt (64) und zweiten Abschnitt (66) im Querschnitt L-förmig ausgebildet ist.Free piston device claim 12 , characterized in that the holding element (58) on the first portion (64) and second portion (66) is L-shaped in cross section. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (58) mindestens einen dritten Abschnitt (82) aufweist, der den ersten Abschnitt (64), eine mit diesem verbundene Buchse (62) oder die Kolbeneinrichtung (16) und den zweiten Abschnitt (66) strebenartig miteinander verbindet.Free-piston device according to one of Claims 11 until 13 , characterized in that the holding element (58) has at least a third section (82) which connects the first section (64), a bushing (62) connected thereto or the piston device (16) and the second section (66) in the manner of a strut connects. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei erste Abschnitte (64) und zwei zweite Abschnitte (66) vorgesehen sind, die einander gegenüberliegende Endabschnitte (68, 70) der Läuferanordnung (46) mit der Kolbeneinrichtung (16) verbinden.Free-piston device according to one of Claims 11 until 14 , characterized in that there are two first sections (64) and two second sections (66) connecting opposite end sections (68, 70) of the rotor assembly (46) to the piston means (16). Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, soweit auf einen der Ansprüche 1 bis 7 rückbezogen, in Verbindung mit Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (58) in sich symmetrisch bezüglich der erstgenannten Ebene (44) ausgestaltet ist.Free-piston device according to one of Claims 11 until 15 , as far as one of the Claims 1 until 7 related, in connection with claim 9 or 10 , characterized in that the holding element (58) is designed symmetrically with respect to the first-mentioned plane (44). Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (58), zumindest abschnittsweise, im Querschnitt doppel-T-förmig ausgestaltet ist.Free-piston device according to one of the preceding claims, characterized in that the holding element (58) is configured, at least in sections, in cross-section as a double T. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10; 80) eine Lagereinrichtung (60) aufweist, über die das Halteelement (58) und/oder die Läuferanordnung (46) an einem den Freikolbenmotor (15) und die mindestens eine Energiekopplungseinrichtung (40, 42) aufnehmenden Gehäuse (12) verschieblich gelagert ist.Free-piston device according to one of the preceding claims, characterized in that the free-piston device (10; 80) has a bearing device (60) via which the holding element (58) and/or the rotor arrangement (46) on one of the free-piston motor (15) and the at least a housing (12) accommodating an energy coupling device (40, 42) is displaceably mounted. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (58) mit einer Kolbenstange (18) der Kolbeneinrichtung (16) verbunden ist.Free-piston device according to one of the preceding claims, characterized in that the holding element (58) is connected to a piston rod (18) of the piston device (16). Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (58) eine Buchse (62) umfasst oder bildet, durch die die Kolbenstange (16) hindurchgreift.Free piston device claim 19 , characterized in that the holding element (58) comprises or forms a bushing (62) through which the piston rod (16) extends.
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