JP2017077144A - Linear generator and linear power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、可動子が固定子に対し直線方向に移動することにより発電するリニア発電機及びリニア発電システムに関する。 The present invention relates to a linear generator and a linear power generation system that generate power by moving a mover in a linear direction with respect to a stator.
従来からリニア発電機が知られている。リニア発電機は、固定子及び可動子を含み、可動子が固定子に対向配置される。可動子には永久磁石が配置され、固定子には巻線が配置される。可動子が固定子に対し直線方向に移動すると、永久磁石と巻線とが相対移動する。この際に生じる誘導起電力によりリニア発電機が発電する。 Conventionally, a linear generator is known. The linear generator includes a stator and a mover, and the mover is disposed to face the stator. A permanent magnet is disposed on the mover, and a winding is disposed on the stator. When the mover moves in the linear direction with respect to the stator, the permanent magnet and the winding move relative to each other. The linear generator generates electricity by the induced electromotive force generated at this time.
特許文献1には、軸方向に往復移動するフリーピストンエンジン(動力源)のロッドに可動子が結合され、可動子が外側の固定子に対し相対移動することで機械的出力を電気的パワーに変換するリニア発電機が記載されている。ロッドにおいて、燃焼室とは反対側には復帰用のバネが結合されている。
In
特許文献2には、ピストンチャンバ内の膨張空間で燃焼ガスが膨張し、そのガスによってピストンアセンブリを直線方向に変位させるフリーピストン装置が記載されている。この装置では、ピストンチャンバ内の弾性空間に圧縮ガスが入れられて、ピストンアセンブリに返送力を与える。ピストンアセンブリの移動に伴ってアーマチュア(可動子)が移動し、アーマチュアと固定子との相対移動によって電気エネルギが発生する。
特許文献3には、フリーピストン式発電機において、可動子であるピストンの変位を検出する手段を含む構成が記載されている。その手段(変位検出手段)は、ピストンの外周面に形成された複数の溝部と、溝部に充填された充填部材と、シリンダ部材に配置されて溝部の変位を検出する変位検出器とを有する。充填部材は、ピストンの構成材料とは変位検出器の検出特性が異なる材料から構成される。 Patent Document 3 describes a configuration including a means for detecting displacement of a piston as a mover in a free piston generator. The means (displacement detection means) includes a plurality of grooves formed on the outer peripheral surface of the piston, a filling member filled in the grooves, and a displacement detector that is disposed on the cylinder member and detects the displacement of the grooves. The filling member is made of a material having a detection characteristic of the displacement detector different from that of the constituent material of the piston.
特許文献1から特許文献3に記載された技術では、固定子が可動子に対し軸方向に大きくなった場合において、固定子が巻線を含む場合に、固定子のうち、可動子が対向しない多くの巻線配置部に電流が流れる。これにより、巻線の銅損が大きくなる可能性がある。また、固定子が鉄心コアを含む場合に鉄損が大きくなる可能性もある。また、固定子において、巻線の多くの部分で誘導起電力の発生に用いられないことや、その巻線の支持部となる鉄心コアが大きくなることにより、重量及びコストが大幅に増大する原因となる。さらに、可動子を往復移動させるときに、復元力を与えるために専用の手段が必要になる。例えば、特許文献1に記載された技術では専用の手段としてバネが必要になるので、重量及びコストがさらに増大する原因となる。また、特許文献2に記載された技術では、復元力発生のための専用のガス圧縮機構を用いているので、効率が悪い。
In the techniques described in
本発明の目的は、リニア発電機及びリニア発電システムにおいて、重量、コスト及び損失を低減でき、かつ、可動子に外部から与える復元力を低減できる構造を提供することである。 An object of the present invention is to provide a structure capable of reducing weight, cost, and loss and reducing a restoring force applied to the mover from the outside in a linear generator and a linear power generation system.
本発明に係るリニア発電機は、固定子と、前記固定子に対向配置された可動子とを備え、前記固定子及び前記可動子のうち、一方の部材が鉄心コアと前記鉄心コアに配置された巻線とを含み、前記固定子及び前記可動子のうち、他方の部材が永久磁石を含み、前記可動子が前記固定子に対し直線方向に移動することによって発電するリニア発電機であって、前記可動子は、使用時において、前記永久磁石が前記鉄心コアの前記直線方向の一端から前記直線方向の外側に外れた状態となるように前記可動子が移動するように構成される。 The linear generator according to the present invention includes a stator and a mover disposed to face the stator, and one member of the stator and the mover is disposed on the iron core and the iron core. A linear generator that generates electric power by moving the movable element in a linear direction with respect to the stator, the other member of the stator and the movable element including a permanent magnet. The mover is configured such that, in use, the mover moves so that the permanent magnet is disengaged from one end in the linear direction of the iron core to the outside in the linear direction.
また、本発明に係るリニア発電システムは、本発明に係るリニア発電機と、前記リニア発電機を制御する制御装置とを備え、前記可動子は、燃焼室及び空気ばね室を有するシリンダ内において前記直線方向に往復移動するフリーピストンであり、前記制御装置は、前記フリーピストンが前記空気ばね室側に移動する膨張行程における第1速度指令値と、前記フリーピストンが前記燃焼室側に移動する圧縮行程における第2速度指令値とを設定し、発電時に、電気制動により前記フリーピストンの速度が第1速度指令値または第2速度指令値となるように発電量を制御し、モータリング動作時に、前記巻線を励磁させて前記フリーピストンの速度が第1速度指令値または第2速度指令値となるように送電量を制御し、前記フリーピストンが最も前記燃焼室寄りとなる上死点位置を通過するときを含む上死点側移動時間と、前記フリーピストンが最も前記空気ばね室寄りとなる下死点位置を通過するときを含む下死点側移動時間とで、発送電を休止するように発送電タイミングを制御する。 The linear power generation system according to the present invention includes the linear power generator according to the present invention and a control device that controls the linear power generator, and the mover is disposed in a cylinder having a combustion chamber and an air spring chamber. A free piston that reciprocates in a linear direction, and the control device includes a first speed command value in an expansion stroke in which the free piston moves toward the air spring chamber, and a compression in which the free piston moves toward the combustion chamber. The second speed command value in the stroke is set, and during power generation, the power generation amount is controlled so that the speed of the free piston becomes the first speed command value or the second speed command value by electric braking during power generation. The amount of power transmission is controlled by exciting the winding so that the speed of the free piston becomes the first speed command value or the second speed command value. The top dead center side moving time including when passing the top dead center position close to the combustion chamber, and the bottom dead center side including the time when the free piston passes the bottom dead center position closest to the air spring chamber The power transmission timing is controlled so as to stop the power transmission based on the travel time.
本発明に係るリニア発電機及びリニア発電システムによれば、重量、コスト及び損失を低減でき、かつ、可動子に外部から与える復元力を低減できる。 According to the linear generator and the linear power generation system according to the present invention, the weight, cost, and loss can be reduced, and the restoring force applied from the outside to the mover can be reduced.
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。以下で説明する形状、材料、及び個数は、説明のための例示であって、リニア発電機の仕様に応じて適宜変更することができる。以下において複数の実施形態や、変形例などが含まれる場合、それらを適宜組み合わせて実施することができる。以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。また、本文中の説明においては、必要に応じてそれ以前に述べた符号を用いるものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The shapes, materials, and numbers described below are illustrative examples and can be changed as appropriate according to the specifications of the linear generator. In the following, when a plurality of embodiments and modified examples are included, they can be implemented by appropriately combining them. In the following description, identical elements are denoted by the same reference symbols in all drawings. In the description in the text, the symbols described before are used as necessary.
図1は、実施形態のリニア発電機10を含むリニア発電システムにおいて、可動子でありフリーピストンであるピストン40が上死点に位置する場合における断面図である。図2は、図1のA部拡大図である。図3は、リニア発電機10において、ピストン40が主動作領域を移動するときの状態を示す断面図である。図4は、リニア発電機10において、ピストン40が下死点に位置する場合における断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view when a
<発電システム及び発電機の構成>
フリーピストン式発電システムは、リニア発電機10と、リニア発電機10を制御する制御装置50とを備える。リニア発電機10は、シリンダ部材20、ヘッド部材21、及びピストン40を含む。以下、リニア発電機10は発電機10と記載する。
<Configuration of power generation system and generator>
The free piston power generation system includes a
シリンダ部材20は、内部にシリンダ22を有するブロック状に形成される。シリンダ部材20は、アルミニウム、非磁性ステンレス合金などの非磁性金属材料により形成される。シリンダ22の第1直線方向である軸方向(中心軸Oに沿う方向)の一端(図1の右端)は、シリンダ部材20の一端面(図1の右端面)に開口する。シリンダ22は、開口端側の小径円筒面S1と、底部側の大径円筒面S2とを有する。シリンダ22の内部には、後述のピストン40が軸方向に移動可能に嵌装される。
The
シリンダ部材20の一端部にはヘッド部材21が結合固定される。シリンダ部材20の小径円筒面S1の内側空間で、ピストン40の一端とヘッド部材21とで囲まれた部分には燃焼室23が形成される。シリンダ部材20において、シリンダ22の底部側(図1の左側)には、空気ばね室24が設けられる。
A
ヘッド部材21には、排気口21aが形成される。排気口21aは燃焼室23に通じる。シリンダ部材20に取り付けられた排気バルブ25の駆動により燃焼室23と排気口21aとの間が閉鎖または連通される。シリンダ部材20の他の詳細構造は後で説明する。
An
ピストン40は、柱状の大径部41と、大径部41の一端面(図1の右端面)に連結された柱状の小径部42とを有する。大径部41の外周面には円筒状の永久磁石43が固定される。永久磁石43は、外周面において空気ばね室24側にN極が配置され、燃焼室23側にS極が配置される。N極及びS極の配置は逆でもよい。また、N極及びS極を1組として、複数組がピストン40の軸方向に配置されてもよい。
The
ピストン40の大径部41は、シリンダ22の大径円筒面S2の内側に移動可能に配置される。ピストン40の小径部42は、シリンダ22の小径円筒面S1の内側に移動可能に配置される。これによって、ピストン40は、後述の固定子26の内側に対向配置される。
The
ピストン40は、燃焼室23で発生する燃焼圧力と、空気ばね室24の圧縮に伴う反発力とで、シリンダ22内を軸方向に往復移動する。ピストン40とシリンダ22との間にはわずかな隙間が設けられており、燃焼室23と空気ばね室24との間でガスが流通することを抑制し、かつ、シリンダ22内でのピストン40の移動を可能とする。ピストン40が上記のように大径部41及び小径部42を有するので、ピストン40の空気ばね室24側の受圧面積が、燃焼室23側の受圧面積よりも大きくなる。これにより、空気ばね室24の圧力が比較的小さい場合でも、ピストン40を燃焼室23側に押し戻す反発力を生じやすい。
The
リニア発電機10は、図示しない可動子変位検出手段を備える構成としてもよい。可動子変位検出手段は、例えば特許文献3に記載されているように、ピストンの外周面の溝部と、シリンダ部材に配置された変位検出器とを含む構成とすることができる。このとき、溝部には充填部材が充填されずに溝部内を空隙としてもよい。
The
変位検出器は、例えば、渦電流センサ、光学センサ、静電容量センサ等の非接触センサのいずれかから構成される。 The displacement detector is composed of any one of non-contact sensors such as an eddy current sensor, an optical sensor, and a capacitance sensor.
シリンダ部材20の内周面には固定子26が固定される。固定子26は、略円筒状の鉄心コア27と、鉄心コア27に配置されたU相、V相、W相の3相の巻線28u、28v、28wとを含んでいる。鉄心コア27は、鉄等の磁性材によって形成され、内周面に複数の円環状の溝部を有する。複数の溝部は、鉄心コア27の軸方向に並んで配置される。巻線28u、28v、28wは、U,V、W相の順に並んで溝部に配置され、それが繰り返されて鉄心コア27の軸方向複数位置に配置される。各巻線28u、28v、28wは、溝部内で複数回、周方向に沿って巻回されている。隣り合う同相の巻線28u、28v、28wは逆巻きで配置されてもよい。また、鉄心コア27の軸方向長さは、永久磁石47の軸方向長さより大きい。
A
ピストン40の往復移動により、ピストン40が固定子26に対し軸方向に移動し、これによって永久磁石43が巻線28u、28v、28wに対し移動する。これにより、誘導起電力が生じて発電機が発電する。以下、巻線28u、28v、28wは総称して巻線28と記載する場合がある。
The reciprocating movement of the
さらに、ピストン40は、使用時において、永久磁石43が鉄心コア27の軸方向の一端から軸方向の外側に外れた状態となるように、ピストン40が移動するように構成される。より具体的には、ピストン40は、使用時において、永久磁石43が鉄心コア27の軸方向の全範囲である主動作領域内と、主動作領域から両側に外れた一端側領域及び他端側領域とに移動するように構成される。「一端側領域」は、図1、図2に示すように、主動作領域から軸方向一端側(図1の右端側)に外れる移動領域である。「他端側領域」は、図4に示すように、主動作領域から軸方向他端側(図4の左端側)に外れる移動領域である。図3は、永久磁石43が「主動作領域」を移動するときの状態を示している。図1から図4では、「主動作領域」「一端側領域」「他端側領域」を永久磁石43が移動する範囲として示している。永久磁石43が主動作領域の外側を移動するように構成されるので、永久磁石43が鉄心コア27の軸方向一端(図1の右端)から軸方向外側と、軸方向他端(図1の左端)から軸方向外側とに、それぞれ移動するように構成される。これにより、後述するように、発電機10の重量、コスト及び損失を低減でき、かつ、ピストン40に外部から与える復元力を低減できる。
Furthermore, the
また、発電機10の始動時では、ピストン40を停止状態から往復運動状態に移行させるために、発電機10をモータとして動作させる。このとき、発電機10のモータとしての動作には、初期化動作とモータリング動作とがある。「初期化動作」は、ピストン40の絶対位置が不明であるときに、ピストン40を移動させて絶対値の探索を行う動作である。「モータリング動作」は、初期化動作後に巻線28に励磁電流を流してピストン40を移動させることを意味する。ピストン40の駆動方式として、「モータリング動作」は、燃焼圧力(爆発エネルギ)によりピストン40を移動させる「ファイアリング」と対の関係にある。
Further, when the
制御装置50は、発電時(ファイアリング時)には、燃焼圧力や空気ばね室24の反発力等で付勢されたピストン40を、電気制動によって速度制御することで、ピストン40の挙動を制御する。また始動時(モータリング動作時)には、巻線28に流す励磁電流を調整して速度制御することで、ピストン40の挙動を制御する。
The
「電気制動」には、発電電力を抵抗器に消費させる発電制動と、発電電力を他の電気機器に分配する回生制動とがある。実施形態では、電気制動として、発電制動及び回生制動の少なくとも一方が実施されればよい。 “Electric braking” includes generation braking in which generated power is consumed by a resistor and regenerative braking in which generated power is distributed to other electric devices. In the embodiment, at least one of power generation braking and regenerative braking may be performed as electric braking.
また、シリンダ部材20の軸方向一端に形成された燃焼室23には、掃気孔29(図4)、インジェクタ30、及び点火手段31が設けられる。
Further, a scavenging hole 29 (FIG. 4), an
掃気孔29は、燃焼室23内に新気を導入する。新気の導入に際して、図示しない掃気ポンプを駆動させることによって、外部から掃気孔29に新気を導入するようにしてもよい。掃気孔29は、例えば、シリンダ22の内周面に開口される。図1、図2に示すようにピストン40が上死点に位置しているときには、掃気孔29(図4)は、ピストン40によって塞がれる。図4に示すようにピストン40が下死点に位置しているときには、掃気孔29は、大気に通じるように開放される。
The scavenging holes 29 introduce new air into the
排気口21aは、燃焼室23で新気と燃料との混合気を燃焼させた後の排気を、外部に排出する。排気口21aを省略し、掃気孔29のみで掃気及び排気を行うループフロー式が採用されてもよい。
The
インジェクタ30は、燃料を噴射する噴射手段である。点火手段31は、混合気に点火して燃焼圧力を生じさせる。点火手段31を省略し、圧縮自着火方式によって燃焼圧力を生じさせることもできる。
The
空気ばね室24は、ピストン40を燃焼室23側に押し戻す機能を有する。ピストン40が燃焼室23側から空気ばね室24側に移動する際に、空気ばね室24が圧縮される。この圧縮により反発力が生じ、当該反発力により、ピストン40が燃焼室23側に押し戻される。内圧を一定範囲に収めるため、空気ばね室24に調圧弁が設けられてもよい。さらに、調圧弁に代えて、コンプレッサ等の加圧源が空気ばね室24に接続されてもよい。
The
シリンダ22の内周面付近の巻線28は、外部に設けられたインバータ等の電力変換器(図示せず)に接続される。発電時に巻線28で発生した交流電力は、外部に取り出されて電力変換器によって直流電力に変換され、バッテリ等の蓄電装置に供給される。また、初期化動作時及びモータリング動作時には、蓄電装置から供給された直流電力が電力変換器によって交流電力に変換された後、巻線28に供給される。
Winding 28 near the inner peripheral surface of
制御装置50は、発電機10を安定して発電させるために、ピストン40の挙動を制御する。また、初期化動作時及びモータリング動作時には、発電機10をモータとして動作させ、ピストン40を移動させる。
The
制御装置50は、コンピュータを含んで構成される。例えば、コンピュータは、演算回路であるCPU、メモリ等の記憶部、及びインターフェースが内部バスを介して互いに接続される。記憶部には、後述の速度制御及び発送電休止制御を行うための制御プログラムが記憶されてもよい。このとき、CPUが当該プログラムを実行することで、当該制御が行われる。
The
制御装置50は、インターフェースを介して、周辺機器との信号の送受信を行う。具体的には、位置検出器(図示せず)から検出信号を受信し、排気バルブ25、インジェクタ30、及び、点火手段31に対し、動作させるための作動信号を送信する。電気制動を行う際には、発電機10の発電量を制御する。例えば、発電電力の供給先(電気機器、蓄電装置、抵抗器等)を選択する。モータリング制御時には巻線28に供給する励磁電流量を制御する。
The
<速度制御及び発送電休止制御>
図5は、実施形態のリニア発電システムにおいて、ピストン40の移動時における発送電領域とピストン40の速度指令波とを示す図である。制御装置50は、速度制御に基づいてピストン40の挙動を制御する。制御装置50は、ピストン40が空気ばね室24側に移動する膨張行程において第1速度指令値を設定し、ピストン40が燃焼室23側に移動する圧縮工程において第2速度指令値を設定する。
<Speed control and dispatch power suspension control>
FIG. 5 is a diagram illustrating a shipping power region and a speed command wave of the
膨張行程及び圧縮過程では、ピストン40の速度がそれぞれで設定された速度指令値となるように速度制御を行う。発電時(ファイアリング時)には、電気制動によって速度制御を行う。具体的には、制御装置50は、ピストン40の速度を第1速度指令値(膨張行程)及び第2速度指令値(圧縮行程)にそれぞれ到達させるように発電量を制御する。始動時(モータリング動作時)には、励磁電流制御によって速度制御を行う。具体的には、制御装置50は、ピストン40の速度を第1速度指令値(膨張行程)及び第2速度指令値(圧縮行程)にそれぞれ到達させるように、巻線28への送電量を制御する。
In the expansion stroke and the compression process, speed control is performed so that the speed of the
ピストン40の速度は上死点及び下死点で最低速度を取り、ストローク中央位置で最高速度を取る。このような挙動に合わせて、発電制動及び励磁を行う。
The speed of the
上記のような発電制動及び巻線28の励磁は、ピストン40の全ストロークにわたって行ってもよいが、速度制御の効率が相対的に高い領域のみを狙って制御を実行することができる。一般的に、ピストン40が上死点位置または下死点位置の近傍にいるときはピストン40の速度が低くなり、この範囲の発電効率及び励磁電流による推進効率は相対的に低くなる。そこで、好ましくは、制御装置50は、図5に示すように、ピストン40が上死点位置を通過するときを含む上死点側移動時間(図5の矢印α範囲)で、発送電を休止するように発送電タイミングを制御する。さらに、制御装置50は、ピストン40が下死点位置を通過するときを含む下死点側移動時間(図5の矢印β範囲)で、発送電を休止するように発送電タイミングを制御する。発送電休止時には、電気制動及び励磁電流の送電を休止してピストン40を自由運動させる。そして、制御装置50は、図5の斜線部の領域で発送電を行うように、発送電タイミングを制御することができる。ここで、図5の下段には電力変化が示されている。ファイアリング(発電)時の発電量を実線で示し、モータリング動作時の送電量を破線で示している。
The power generation braking and the excitation of the winding 28 as described above may be performed over the entire stroke of the
発送電領域及び発送電休止領域は、任意に定めることができる。例えば、上死点目標位置の半値から下死点目標位置の半値までの領域を巻線の励磁領域及び発電領域に設定してもよい。また、ピストン40の最高速度の90%以内の領域を励磁領域及び発電領域に設定してもよい。
The dispatch power area and the dispatch power suspension area can be arbitrarily determined. For example, the region from the half value of the top dead center target position to the half value of the bottom dead center target position may be set as the excitation region and the power generation region of the winding. Further, an area within 90% of the maximum speed of the
また、発送電休止領域は、ピストン40の永久磁石43が一端側領域を移動するときと、他端側領域を移動するときとに対応させることが好ましい。具体的には、ピストン40の永久磁石43の全体が主動作領域にあるときには発送電領域で発送電を行い、永久磁石43が一端側領域または他端側領域にあるときには発送電休止領域で発送電を休止させる。
Moreover, it is preferable to make the dispatch electricity suspension area correspond to when the
<速度指令波の生成>
上述のように、速度制御においては、ピストン40の速度を、膨張行程では第1速度指令値に制御し、圧縮過程では第2速度指令値に制御する。これにより、ピストン40のストロークに応じた速度指令波は、図5で示したように、第1速度指令値及び第2速度指令値をピーク値とする矩形波となる。この速度指令波の生成について、以下説明する。
<Generation of speed command wave>
As described above, in the speed control, the speed of the
図6は、実施形態のリニア発電システムにおいて、速度指令の設定方法を示す図である。制御装置50は、第1速度指令値及び第2速度指令値の設定に当たり、所定の往復周期における、ピストン40の上死点位置と下死点位置とに基づいて、その次の往復周期における第1及び第2速度指令値を設定する。
FIG. 6 is a diagram illustrating a speed command setting method in the linear power generation system of the embodiment. When setting the first speed command value and the second speed command value, the
具体的には、図6に示すように、予め定めた、上死点目標位置及び下死点目標位置と、k−1周期目における、実際の上死点及び下死点との差を求める。上死点目標位置と実際の上死点との差ΔSTDCと、下死点目標位置と実際の下死点との差ΔSBDCとが求められると、制御装置50は、これらの値を用いて速度指令波の振幅Aと、速度0からのオフセット量OSとを求める。
Specifically, as shown in FIG. 6, the difference between the predetermined top dead center target position and bottom dead center target position and the actual top dead center and bottom dead center in the (k-1) th cycle is obtained. . When the difference ΔS TDC between the top dead center target position and the actual top dead center and the difference ΔS BDC between the bottom dead center target position and the actual bottom dead center are obtained, the
速度指令値の振幅Aは、下記数式(1)により求めることができる。また、速度指令値のオフセット量OSは、下記数式(2)により求めることができる。数式(1)(2)で求められた振幅A及びオフセット量OSに基づいてk周期目の速度指令波(したがって第1速度指令値及び第2速度指令値)が生成される。 The amplitude A of the speed command value can be obtained by the following mathematical formula (1). Moreover, the offset amount OS of the speed command value can be obtained by the following mathematical formula (2). Based on the amplitude A and the offset amount OS obtained by the mathematical formulas (1) and (2), a speed command wave in the k-th cycle (thus, the first speed command value and the second speed command value) are generated.
ここで、数式(1)のkpAは振幅比例項ゲイン、kiAは振幅積分項ゲインを示す。また、数式(2)のkpOはオフセット比例項ゲイン、kiOはオフセット積分項ゲインを示す。 Here, k pA in Equation (1) represents an amplitude proportional term gain, and k iA represents an amplitude integral term gain. In addition, k pO in Equation (2) represents an offset proportional term gain, and k iO represents an offset integral term gain.
<効果>
上記の発電機10によれば、図1の構成で一端側領域及び他端側領域まで鉄心コア及び巻線の配置部を延長した構成に比べて、鉄心コア及び巻線の軸方向両端部分を省略できる。これにより、発電機10の重量及びコストを低減できる。また、同じ相の巻線28が直列接続される場合には同相の巻線28で同じ大きさの電流が流れるので、巻線の数が減少することで銅損を低減できる。また、鉄心コア27の材料を低減できるので鉄損も低減できる。これにより、発電機10の損失も低減できる。さらに、ピストン40に外部から与える復元力も低減できる。これについて、図7A、図7Bを用いてより具体的に説明する。
<Effect>
According to the
図7Aは、実施形態の基本構成を示す模式図である。図7Bは、図7Aにおいて、ピストン40の永久磁石43に磁石磁束により吸引力が作用する状態を示す模式図である。
FIG. 7A is a schematic diagram illustrating a basic configuration of the embodiment. FIG. 7B is a schematic diagram illustrating a state in which an attractive force is applied to the
実施形態では、図7Aに示すように、ピストン40(図1)に固定された永久磁石43が主動作領域の両側の一端側領域及び他端側領域に飛び出すように、ピストン40が移動可能である。このとき、図7Bに示すように永久磁石43が鉄心コア27より軸方向一端側(図7Bの右側)に飛び出した部分で、永久磁石43の軸方向に対し直交する径方向には、鉄心コア27が対向しない。そして、永久磁石43のN極から出た磁束が鉄心コア27の内周側から外周側を通って永久磁石43のS極に戻るように磁束経路が形成される。そしてこの磁束経路が短くなるように永久磁石43は鉄心コア27に引っ張られる。これにより、永久磁石43のうち、鉄心コア27から飛び出した部分には、鉄心コア27側に向かう軸方向の吸引力Fが作用する。このため、磁石磁束によって復元力がピストン40に加わるので、燃焼室23の燃焼圧力や、電気制動などのピストン40に外部から与える復元力を低減できる。
In the embodiment, as shown in FIG. 7A, the
また、実施形態では、空気ばね室24側にピストン40が移動した場合に空気ばね室24の圧縮空気による反発力だけでなく、磁石磁束による吸引力をピストン40に作用させることができる。これにより、空気ばね室24での圧力を低くできるので、発電機10の熱損失も低減できる。
In the embodiment, when the
また、特許文献1に記載された技術のように、ピストン40に復元力を与えるためのバネを設ける必要がないので、重量及びコストをさらに低減できる。また、特許文献2に記載された技術のように、復元力発生用のガス圧縮機構を設ける必要がないので、効率向上を図れる。
Further, unlike the technique described in
また、特許文献1に記載された技術の場合には、燃焼室内での失火や異常燃焼などの原因でピストンに急激に力が加わった場合に、制御部による制御では対応できず、ピストンがエンジンヘッドに衝突する可能性がある。実施形態では、ピストン速度が急上昇した場合でも、磁石磁束による吸引力をピストン40に作用させることができるので、このような衝突を防止できる。
In the case of the technique described in
なお、図1から図7Bに示した構成では、ピストン40に固定された永久磁石43が固定子26の鉄心コア27の軸方向全範囲から両側に飛び出すように、ピストン40が移動する場合を説明した。一方、実施形態では、このような構成に限定せず、永久磁石43が鉄心コア27の軸方向の全範囲より一端側に外れた一端側領域には移動するが、他端側領域には移動しないように構成してもよい。逆に、永久磁石43が鉄心コア27の軸方向の全範囲より他端側に外れた他端側領域には移動するが、一端側領域には移動しないように構成してもよい。この場合でも、発電機の重量、コスト及び損失を低減でき、かつ、ピストンに外部から与える復元力を低減できる。
In the configuration shown in FIG. 1 to FIG. 7B, the case where the
また、実施形態では、図8に示す発電機の別例で示すように、固定子26において、鉄心コア27の軸方向両端の外周側に形成される筒部26aが鉄心コア27の内周側部分より軸方向外側に突出する構成としてもよい。
In the embodiment, as shown in another example of the generator shown in FIG. 8, in the
図9は、実施形態の発電機において、固定子26の鉄心コア27に対するピストン40の永久磁石43の飛び出し量eと、磁石磁束によるピストン40の軸方向推力との関係のシミュレーション結果を示す図である。図9に示すように、永久磁石43が鉄心コア27から飛び出す場合には、その飛び出し量eに応じて、ピストン40に磁石磁束による軸方向推力(吸引力)が生じる。この軸方向推力は、永久磁石43と固定子26との位置関係の変化によって細かく脈動する。そして、飛び出し量eがある程度以上に大きくなると、軸方向推力が小さくなり、ほぼ0となる。図9では、軸方向推力の平均値を破線で示している。そこで、好ましくは、永久磁石43の飛び出し量eの最大値を、軸方向推力の脈動の正のピークに対応する飛び出し量に設定する。これによれば、ピストン40が上死点位置または下死点位置にあるときに、大きな軸方向推力をピストン40に加えることができる。具体的には、主動作領域からのピストン40の飛び出し量である、永久磁石43の飛び出し量に応じて磁石磁束によってピストン40に加わる吸引力としての軸方向推力を考える。そして、シミュレーションまたは実験から予め得られた軸方向推力の脈動のピークに対応する飛び出し位置に、永久磁石43の可動領域の外端である一端または他端または両端を最大で飛び出す位置(飛び出し量eが最大となる位置)として位置させる。ピストン40の上死点位置及び下死点位置の一方または両方は、この可動領域の外端位置に応じて設定する。
FIG. 9 is a diagram illustrating a simulation result of the relationship between the protrusion amount e of the
また、図9の例では、軸方向推力の脈動における複数の正のピークのうち、最大となるピーク(破線枠γ1で囲んだ部分)は、二番目に大きいピーク(破線枠γ2で囲んだ部分)より飛び出し量eが小さい側にある。そこで、軸方向推力の大きさと、飛び出し量eの大きさとでいずれを優先させるかを適宜決定し、その決定に応じて、γ1、γ2のいずれかのピークを選択する。そして、選択されたピークに応じて、ピストン40の上死点位置及び下死点位置の一方または両方を設定することができる。なお、飛び出し量eをより大きくすることを望む場合には、飛び出し量eがより大きい場合に対応する脈動のピークであって、三番目以降で大きいピークに応じて、ピストン40の上死点位置及び下死点位置の一方または両方を設定してもよい。
In the example of FIG. 9, the maximum peak (portion surrounded by the broken line frame γ1) among the plurality of positive peaks in the axial thrust pulsation is the second largest peak (portion surrounded by the broken line frame γ2). ) On the side where the pop-out amount e is smaller. Therefore, it is determined as appropriate according to the magnitude of the thrust in the axial direction and the magnitude of the pop-out amount e, and either peak of γ1 or γ2 is selected according to the decision. Then, one or both of the top dead center position and the bottom dead center position of the
このような構成によれば、何らかの原因でピストン40に異常に大きい力が加わった場合でも、ピストン40がシリンダ部材20などの別の部材へ衝突する直前で永久磁石43の磁気吸引力に基づいて大きい減速力をピストン40に与えることができる。これにより、ピストン40の衝突をより効果的に防止できる。
According to such a configuration, even when an abnormally large force is applied to the
<別例の構成>
図10は、実施形態の発電機の別例を示している図1に対応する図である。図11は、図10の構成において、固定子側の永久磁石60に対し、可動子側の鉄心コア70が複数の位置に移動する状態を示す模式図である。図10、図11に示す別例の発電機10では、図1から図7Bに示した構成において、シリンダ部材20の側に固定子として永久磁石60が配置され、ピストン40の側に鉄心コア70及び巻線71(図11)が配置されている。
<Configuration of another example>
FIG. 10 is a diagram corresponding to FIG. 1 illustrating another example of the generator according to the embodiment. FIG. 11 is a schematic diagram showing a state in which the mover-
具体的には、シリンダ部材20において、シリンダ22の大径円筒面S2の内周面には円筒状の永久磁石60が固定される。永久磁石60は、図11に示すように、内周面においてN極及びS極が軸方向(図11の左右方向)に交互に配置される。また、ピストン40(図10)の大径部41の外周面には鉄心コア70が固定される。鉄心コア70は、略円筒状であり、図11に示すように外周面において軸方向に並んだ複数の溝部が形成されている。そして、複数の溝部には、U相、V相、W相の3相の巻線71が一端の溝部から順に並んで配置され、それが繰り返される。鉄心コア70の軸方向長さは永久磁石60の軸方向長さより大きい。図10では、鉄心コア70において溝部及び巻線71の図示を省略している。
Specifically, in the
ピストン40は、アルミニウム等の非磁性金属材料により形成されることが好ましい。ピストン40の往復移動により、ピストン40が永久磁石60に対し軸方向に移動し、これによって巻線71が永久磁石60に対し移動する。これにより、誘導起電力が生じて発電機10が発電する。発電によって得られた電力は、U,V,Wの各相の巻線71から外部に取り出され、インバータ等の電力変換装置(図示せず)で直流電力に変換される。
The
さらに、ピストン40は、使用時において、図10、図11(a)に示すように、永久磁石60が鉄心コア70の軸方向の一端(図10、図11の左端)から軸方向の外側に外れた状態となるように、ピストン40が移動するように構成される。また、ピストン40は、使用時において、図11(e)に示すように、永久磁石60が鉄心コア70の軸方向の他端(図11の右端)から軸方向の外側に外れた状態となるように、ピストン40が移動するように構成される。より具体的には、ピストン40は、使用時において、鉄心コア70の軸方向一端T1が主動作領域内と、主動作領域から両側に外れた一端側領域及び他端側領域とに移動するように構成される。「一端側領域」は、主動作領域から一端側(図10、図11の右端側)に外れる移動領域である。「他端側領域」は、主動作領域から他端側(図10、図11の左端側)に外れる移動領域である。
Furthermore, when the
図11を用いて、主動作領域、一端側領域及び他端側領域を説明する。図11では、鉄心コア70の軸方向一端(図11の左端)が移動可能な最大の範囲を「全ストローク」として定義している。そして全ストロークのうち、中央の範囲を「主動作領域」とし、その上死点側(図11の右側)に一端側領域を設定し、下死点側(図11の左側)に他端側領域を設定している。
The main operation area, the one end side area, and the other end side area will be described with reference to FIG. In FIG. 11, the maximum range in which one axial end (left end in FIG. 11) of the
図11では、(a)から(e)に向かってピストン40が上死点側から下死点側に移動する場合における鉄心コア70の複数の位置((a)〜(e))を示している。(c)は、永久磁石60の軸方向中央と鉄心コア70の軸方向中央とが軸方向において一致する場合である。そしてこの状態から、鉄心コア70が上死点側(図11の右側)に移動した場合には、鉄心コア70の軸方向一端T1が永久磁石60の軸方向一端(図11の左端)と軸方向において一致した状態(b)となる。さらに(a)では、永久磁石60の軸方向一端が鉄心コア70の軸方向一端T1から最大の飛び出し量e飛び出すように、軸方向外側に外れた状態となる。一方、(c)の状態から、鉄心コア70が下死点側(図11の左側)に移動した場合を考える。この場合には、(d)において、鉄心コア70の軸方向他端T2が永久磁石60の軸方向他端(図11の右端)と軸方向において一致した状態(d)となる。そして、(e)で永久磁石60が鉄心コア70の軸方向他端から最大の飛び出し量e飛び出すように、軸方向外側に外れた状態となる。
FIG. 11 shows a plurality of positions ((a) to (e)) of the
図11の構成では、(a)が一端側領域に永久磁石60がある場合を示し、(b)〜(d)が主動作領域に永久磁石60がある場合を示し、(e)が他端側領域に永久磁石60がある場合を示している。永久磁石60が主動作領域にあるときには、鉄心コア70が永久磁石60の軸方向の全体と軸方向において一致する範囲を含む。永久磁石60が一端側領域にあるときには、鉄心コア70が、永久磁石60の軸方向の全体とは軸方向において一致しないように、永久磁石60の一端(図11の左端)に対して軸方向他端側(図11の右側)に外れる。永久磁石60が他端側領域にあるときには、鉄心コア70が、永久磁石60の軸方向の全体とは軸方向において一致しないように、永久磁石60の他端(図11の右端)に対して軸方向一端側(図11の左側)に外れる。したがって、ピストン40は、使用時において、永久磁石43が鉄心コア27の軸方向一端T1から軸方向外側に外れた状態と、永久磁石43が鉄心コア27の軸方向他端T2から軸方向外側に外れた状態とに、それぞれなるように移動するように構成される。
In the configuration of FIG. 11, (a) shows the case where the
図10、図11に示す構成の場合も、図1から図7Bの構成と同様に、発電機10の重量、コスト及び損失を低減でき、かつ、ピストン40に外部から与える復元力を低減できる。その他の構成及び作用は、図1から図7Bの構成において、鉄心コア27及び巻線28と永久磁石43とが、シリンダ部材20側とピストン40側とにそれぞれ逆に配置された構成と同様である。なお、図10、図11の構成において、永久磁石60が主動作領域及び一端側領域のいずれかに配置されるように鉄心コア70が移動するが、他端側領域には永久磁石60が配置されないように構成してもよい。逆に、永久磁石60が主動作領域及び他端側領域のいずれかに配置されるように鉄心コア70が移動するが、一端側領域には永久磁石60が配置されないように構成してもよい。
In the case of the configuration shown in FIGS. 10 and 11 as well, the weight, cost, and loss of the
また、図10、図11の構成を、図9を用いて説明した構成を利用した構成と組み合わせてもよい。具体的には、主動作領域からの永久磁石60の飛び出し量eの最大値を、磁石磁束によりピストン40に加わる軸方向推力の脈動の正のピークに対応する飛び出し量に設定する。このとき、永久磁石60の飛び出し量eに応じて、上記の軸方向推力の脈動のピークに対応する位置に、鉄心コア70の可動領域の外端である他端T2または一端T1または両端を、最大で飛び出す位置として位置させる。より具体的には、鉄心コア70に対し永久磁石60が最大で飛び出す位置が上記の脈動のピークに対応する飛び出し量eで飛び出した位置となるように、鉄心コア70の他端T2または一端T1または両端を位置させる。ピストン40の上死点位置及び下死点位置の一方または両方は、上記の可動領域の外端位置に応じて設定する。この構成によれば、ピストン40の別の部材への衝突をより効果的に防止できる。
10 and 11 may be combined with a configuration using the configuration described with reference to FIG. Specifically, the maximum value of the protrusion amount e of the
上記の図10、図11の構成では、鉄心コア70の軸方向長さが永久磁石60の軸方向長さより大きい場合を示したが、鉄心コアの軸方向長さが永久磁石の軸方向長さより小さい構成としてもよい。この構成では、図1の構成において、永久磁石と鉄心コア及び巻線を置き換えた構成と同様になり、主動作領域は、鉄心コアが永久磁石の軸方向の全範囲内にある場合となる。また、一端側領域及び他端側領域は、主動作領域から軸方向一端側、他端側にそれぞれ外れた領域となる。このときには、主動作領域ですでに永久磁石が鉄心コアから外れた領域を含む。この構成では、ピストンの移動によって鉄心コアからの永久磁石の飛び出し量が大きくなることにより、鉄心コアが永久磁石に引きつけられるように鉄心コアに吸引力が作用する。これにより、ピストンに外部から与える復元力を低減できる。
10 and 11, the axial length of the
上記の各例の構成では、可動子がフリーピストン式発電システムのピストン40である場合を説明したが、可動子は永久磁石、または鉄心コア及び巻線を含む構成であればよく、可動子が、直線方向に往復移動する動力源に接続される構成としてもよい。
In the configuration of each example described above, the case where the mover is the
10 リニア発電機、20 シリンダ部材、21 ヘッド部材、21a 排気口、22 シリンダ、23 燃焼室、24 空気ばね室、25 排気バルブ、26 固定子、26a 筒部、27 鉄心コア、28u U相巻線、28v V相巻線、28w W相巻線、29 掃気孔、30 インジェクタ、31 点火手段、40 ピストン、41 大径部、42 小径部、43 永久磁石、50 制御装置、60 永久磁石、70 鉄心コア、71 巻線。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記固定子及び前記可動子のうち、一方の部材が鉄心コアと前記鉄心コアに配置された巻線とを含み、
前記固定子及び前記可動子のうち、他方の部材が永久磁石を含み、
前記可動子が前記固定子に対し直線方向に移動することによって発電するリニア発電機であって、
前記可動子は、使用時において、前記永久磁石が前記鉄心コアの前記直線方向の一端から前記直線方向の外側に外れた状態となるように前記可動子が移動するように構成される、リニア発電機。 A stator, and a mover disposed opposite to the stator,
Of the stator and the mover, one member includes an iron core and a winding disposed on the iron core,
Of the stator and the mover, the other member includes a permanent magnet,
A linear generator that generates electricity by moving the mover in a linear direction relative to the stator;
The mover is configured such that, in use, the mover moves so that the permanent magnet moves away from one end of the iron core in the linear direction to the outside of the linear direction. Machine.
前記固定子が前記鉄心コアと前記鉄心コアに配置された前記巻線とを含み、
前記可動子が前記永久磁石を含み、
前記可動子は、使用時において、前記永久磁石が前記鉄心コアの前記直線方向の全範囲である主動作領域内と、前記主動作領域から前記直線方向一端側に外れる一端側領域とに移動するように構成される、リニア発電機。 The linear generator according to claim 1,
The stator includes the iron core and the windings disposed on the iron core;
The mover includes the permanent magnet;
In use, the mover moves in a main operation area where the permanent magnet is the entire range of the iron core in the linear direction and to one end side area which is disengaged from the main operation area to one end side in the linear direction. Configured as a linear generator.
前記可動子は、使用時において、前記永久磁石が前記主動作領域及び前記一端側領域と、前記主動作領域から前記直線方向他端側に外れる他端側領域とに移動するように構成される、リニア発電機。 The linear generator according to claim 2,
The movable element is configured such that, in use, the permanent magnet moves to the main operation region and the one end side region, and to the other end side region that is disengaged from the main operation region to the other end in the linear direction. , Linear generator.
前記固定子が前記永久磁石を含み、
前記可動子が前記鉄心コアと前記鉄心コアに配置された前記巻線とを含み、
前記可動子は、使用時において、前記鉄心コアが前記永久磁石の前記直線方向の全体と前記直線方向において一致する範囲を含む主動作領域と、前記鉄心コアが前記永久磁石の前記直線方向の全体とは前記直線方向において一致しないように前記永久磁石の一端に対して前記直線方向に外れる一端側領域とに移動するように構成される、リニア発電機。 The linear generator according to claim 1,
The stator includes the permanent magnet;
The mover includes the iron core and the winding disposed on the iron core,
In use, the mover includes a main operation region including a range in which the iron core is coincident with the whole linear direction of the permanent magnet in the linear direction, and the iron core is the whole linear direction of the permanent magnet. Is a linear generator configured to move to one end side region deviating in the linear direction with respect to one end of the permanent magnet so as not to match in the linear direction.
前記可動子は、使用時において、前記鉄心コアが前記主動作領域及び前記一端側領域と、前記鉄心コアが前記永久磁石の前記直線方向の全体とは前記直線方向において一致しないように前記永久磁石の他端に対して前記直線方向に外れる他端側領域とに移動するように構成される、リニア発電機。 The linear generator according to claim 4,
When the mover is in use, the permanent magnet is configured so that the core core does not coincide with the main operation region and the one end side region, and the core core does not coincide with the entire linear direction of the permanent magnet in the linear direction. The linear generator comprised so that it may move to the other end side area | region which remove | deviates from the said linear direction with respect to the other end.
前記主動作領域からの前記永久磁石の飛び出し量に応じて前記永久磁石の磁束によって前記可動子に加わる前記直線方向の吸引力について、前記吸引力の脈動のピークに対応する位置に前記可動子の前記永久磁石または前記鉄心コアの可動領域の外端が位置する、リニア発電機。 The linear generator according to any one of claims 2 to 5,
The attraction force in the linear direction applied to the mover by the magnetic flux of the permanent magnet according to the amount of protrusion of the permanent magnet from the main operation region is set at a position corresponding to the peak of the pulsation of the attraction force. The linear generator in which the outer end of the movable region of the permanent magnet or the iron core is located.
前記可動子が、燃焼室及び空気ばね室を有するシリンダ内において前記直線方向に往復移動するフリーピストンである、リニア発電機。 The linear generator according to any one of claims 2 to 6,
A linear generator in which the mover is a free piston that reciprocates in the linear direction in a cylinder having a combustion chamber and an air spring chamber.
前記リニア発電機を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記フリーピストンが前記空気ばね室側に移動する膨張行程における第1速度指令値と、前記フリーピストンが前記燃焼室側に移動する圧縮行程における第2速度指令値とを設定し、
発電時に、電気制動により前記フリーピストンの速度が第1速度指令値または第2速度指令値となるように発電量を制御し、
モータリング動作時に、前記巻線を励磁させて前記フリーピストンの速度が第1速度指令値または第2速度指令値となるように送電量を制御し、
前記フリーピストンが最も前記燃焼室寄りとなる上死点位置を通過するときを含む上死点側移動時間と、前記フリーピストンが最も前記空気ばね室寄りとなる下死点位置を通過するときを含む下死点側移動時間とで、発送電を休止するように発送電タイミングを制御する、リニア発電システム。 A linear generator according to claim 7;
A control device for controlling the linear generator,
The control device includes:
Setting a first speed command value in an expansion stroke in which the free piston moves toward the air spring chamber and a second speed command value in a compression stroke in which the free piston moves toward the combustion chamber;
During power generation, the amount of power generation is controlled by electric braking so that the speed of the free piston becomes the first speed command value or the second speed command value,
During motoring operation, the amount of power transmission is controlled so that the winding is excited and the speed of the free piston becomes the first speed command value or the second speed command value,
A top dead center side moving time including a time when the free piston passes the top dead center position closest to the combustion chamber, and a time when the free piston passes a bottom dead center position closest to the air spring chamber. A linear power generation system that controls the power transmission timing so as to stop the power transmission based on the bottom dead center side moving time.
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CN110397501A (en) * | 2019-08-26 | 2019-11-01 | 青岛大学 | A kind of permanent piston-type electromechanics binary power engine |
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