CN110410210B - 一种自由活塞直线发电机功率提高装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了弹簧一种自由活塞直线发电机功率提高装置，包括动力部件，动力部件包括气缸体、缸盖、安装在缸盖上的火花塞、安装在气缸体上的喷油器、设在气缸体内的活塞、连接在活塞上的活塞杆；还包括定子部件、动子部件，定子部件包括发电机定子，动子部件包括发电机动子、动子芯轴、弹簧，发电机动子配合发电机定子，动子芯轴连接发电机动子，动子芯轴连接活塞杆，弹簧一端连接发电机定子，弹簧另一端连接活塞杆。弹簧一端连接在发电机定子，保证位置固定，另一端连接活塞杆，跟随活塞杆的移动而伸缩，达到蓄能的作用，通过计算模拟得到相应弹簧的刚度，可以得到提供相应频率的弹簧，这样就可以使自由活塞直线发电机达到较高的频率，可以充分发挥其优势。

Description

一种自由活塞直线发电机功率提高装置

技术领域

本发明涉及新能源汽车增程器技术领域，具体地说是一种自由活塞直线发电机功率提高装置。

背景技术

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

尽管FPLG的热效率比传统发动机要高，但由于缺少飞轮储存能量，导致FPLG的工作频率很低。例如德国航空航天中心开发的一台样机，工作频率仅为21Hz，纽卡斯尔大学研究的PFLG样机工作频率也只有33Hz左右。而频率对提高发电机输出功率有重要影响。德国航空航天中心开发的样机，工作频率为21Hz时，其输出功率为10kW，而若提高发动机工作频率到50Hz，功率输出可达25kW。再如，活塞有效行程为39.8mm、缸径为40mm、发动机排量为49.9ml的单缸二冲程发动机，在工作频率约为125Hz时，最大输出功率可达3.0kW，但工作频率约为40Hz时，其输出功率不足1.1kW。可见，在相同的活塞行程、气缸容积等参数下，提高FPLG工作频率可大大提高电机输出功率。

目前已有的背置式为发电机芯轴两端均设置发动机(如附图2)，一般选用二冲程发动机对称设置，但是由于没有蓄能结构，导致工作频率较低，进而导致发电机输出功率低，使得FPLG的优势得到不发挥。

发明内容

本发明就是为了解决现有技术存在的上述不足，提供一种自由活塞直线发电机功率提高装置，弹簧一端连接在发电机定子，保证位置固定，另一端连接活塞杆，跟随活塞杆的移动而伸缩，达到蓄能的作用，通过计算模拟得到相应弹簧的刚度，可以得到提供相应频率的弹簧，这样就可以使自由活塞直线发电机达到较高的频率，可以充分发挥其优势。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种自由活塞直线发电机功率提高装置，包括动力部件，动力部件包括气缸体、缸盖、安装在缸盖上的火花塞、安装在气缸体上的喷油器、设在气缸体内的活塞、连接在活塞上的活塞杆；

还包括定子部件、动子部件，定子部件包括发电机定子，动子部件包括发电机动子、动子芯轴、弹簧，发电机动子配合发电机定子，动子芯轴连接发电机动子，动子芯轴连接活塞杆，弹簧一端连接发电机定子，弹簧另一端连接活塞杆。

所述定子部件还包括弹簧室，发电机定子两端均设有发电机端盖，弹簧室安装在动力部件和发电机端盖之间，弹簧另一端连接在发电机端盖外侧，发电机定子两侧对称设有弹簧室、弹簧；

活塞杆穿过弹簧室，动子芯轴和活塞杆连接位置设有弹簧座圈Ⅰ，弹簧另一端连接在弹簧座圈Ⅰ上。

所述活塞杆端部开有销孔，活塞杆通过销轴连接弹簧座圈Ⅰ，活塞杆通过弹簧座圈Ⅰ驱动连接动子芯轴，动子芯轴通过轴承配合发电机端盖。

所述弹簧刚度选择计算公式为：

式中，k_t为本发明频率计功率提升装置的刚度；

f(Hz)：为发动机工作频率，为设计目标值；

m(kg)：动子质量，结构实际运动构件质量，为常数；

F_f(N)：摩擦阻力，发动机结构尺寸确定，该值为常数；

p_max(Pa)：峰值压力，通过缸压传感器实验测得；

p₁(Pa)：最大速度处的缸内压力，其取值范围为550000-850000Pa；

p₁优选的值为750000Pa；

L(m)：活塞有效行程，为常数；

D(m)：活塞直径，为常数；

T(N·m)：发动机输出的最大扭矩，为常数。

本发明的有益效果是：

1、弹簧一端连接在发电机定子，保证位置固定，另一端连接活塞杆，跟随活塞杆的移动而伸缩，达到蓄能的作用，通过计算模拟得到相应弹簧的刚度，可以得到提供相应频率的弹簧，这样就可以使自由活塞直线发电机达到较高的频率，可以充分发挥其优势。

2、弹簧室是连接在二冲程发动机和发电机端盖之间，弹簧室的作用是增加直线发电机和二冲程发动机之间的空间，用来放置弹簧，活塞杆穿过弹簧室，活塞杆悬空端通过弹簧座圈Ⅰ连接动子芯轴，弹簧另一端连接在弹簧座圈Ⅰ上，这样就可以满足压缩弹簧。结构简单。

附图说明

图1为本发明一端弹簧及发动机连接结构局部视图；

图2为本发明整体装配视图；

图3为本发明结构简图；

图4为本发明第二种方案弹簧安装局部视图；

图5为本发明第二种方案整体装配视图；

图6为本发明第二种方案结构简图。

图中：1-动力部件，2-定子部件，3-动子部件，11-火花塞，12-喷油器，13-气缸体，14-缸盖，15-活塞，16-活塞杆，21-弹簧室，22-发电机端盖，23-发电机定子，31-弹簧座圈Ⅰ，32-动子芯轴，33-弹簧，34-轴承，35-发电机动子，211-弹簧座挡板A，212-弹簧座圈Ⅱ，213-压缩弹簧，214-弹簧座挡板B。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如附图2和附图5所示，背置式结构为二冲程发动机对称设置，然后对直线发电机进行驱动，通过增加弹簧结构达到蓄能的目的，图2和图5分别为两种方案，下面重点介绍图1-3所示的第一种方案：

一种自由活塞直线发电机功率提高装置，包括动力部件1，动力部件1包括气缸体13、缸盖14、安装在缸盖14上的火花塞11、安装在气缸体13上的喷油器12、设在气缸体13内的活塞15、连接在活塞15上的活塞杆16；

还包括定子部件2、动子部件3，定子部件2包括发电机定子23，动子部件3包括发电机动子35、动子芯轴32、弹簧33，发电机动子35配合发电机定子23，动子芯轴32连接发电机动子35，动子芯轴32连接活塞杆16，弹簧33一端连接发电机定子23，弹簧33另一端连接活塞杆16。弹簧33的另一端即可连接活塞杆16也可以连接动子芯轴32。

弹簧33一端连接在发电机定子23，保证位置固定，另一端连接活塞杆16，跟随活塞杆16的移动而伸缩，达到蓄能的作用，通过计算模拟得到相应弹簧33的刚度，可以得到提供相应频率的弹簧33，这样就可以使自由活塞直线发电机达到较高的频率，可以充分发挥其优势。

如附图1所示，所述定子部件2还包括弹簧室21，发电机定子23两端均设有发电机端盖22，弹簧室21安装在动力部件1和发电机端盖22之间，弹簧33另一端连接在发电机端盖22外侧，发电机定子23两侧对称设有弹簧室21、弹簧33；活塞杆16穿过弹簧室21，动子芯轴32和活塞杆16连接位置设有弹簧座圈Ⅰ31，弹簧33另一端连接在弹簧座圈Ⅰ31上。

弹簧室21是连接在二冲程发动机和发电机端盖22之间，弹簧室21的作用是增加直线发电机和动力部件1之间的空间，用来放置弹簧33，活塞杆16穿过弹簧室21，活塞杆16悬空端通过弹簧座圈Ⅰ31连接动子芯轴32，弹簧33另一端连接在弹簧座圈Ⅰ31上，这样就可以满足压缩弹簧33。结构简单。

对称设置弹簧33，是由于弹簧33不抗拉，设定弹簧33始终处于压缩状态，主要承受压力，并设置适当预紧力，在活塞15左右运动过程中，某些时段弹簧33被压缩，压缩变形量增大过程中，弹簧33储存弹性势能，某些时段弹簧33变形量减小，储存的变形势能转化为机械能或动能。

所述活塞杆16端部开有销孔，活塞杆16通过销轴连接弹簧座圈Ⅰ31，活塞杆16通过弹簧座圈Ⅰ31驱动连接动子芯轴32，动子芯轴32通过轴承34配合发电机端盖22。

活塞杆16和弹簧座圈Ⅰ31通过销连接，弹簧座圈Ⅰ31和动子芯轴32连接方式可以采用螺纹连接，也可以采用弹簧座圈Ⅰ31分割成两半通过螺栓压接，同时在动子芯轴32上开出圆周方向的卡槽配合连接。

第二种方案：

在直线发电机的一侧设置弹簧，如图4-6所示在直线发电机一侧设置弹簧室21，弹簧室21内部两侧分别设置弹簧座挡板A211、弹簧座挡板B214，弹簧室21内设有两个弹簧座圈Ⅱ212，两个弹簧座圈Ⅱ212同轴设在动子芯轴32，两个弹簧座圈Ⅱ212之间设有压缩弹簧213，动子芯轴32在配合弹簧室21的一段设有两个配合弹簧座圈Ⅱ212的轴肩。

如附图4所示，压缩弹簧213为压缩状态，支撑两个弹簧座圈Ⅱ212分别压在弹簧座挡板A211、弹簧座挡板B214上，同时压在动子芯轴32的两个轴肩上，在活塞杆16带动动子芯轴32向右移动的时候，左侧轴肩推动左侧弹簧座圈Ⅱ212向右移动，同时压缩弹簧213被进一步压缩，达到蓄能的目的，压缩弹簧213压缩终止。

然后活塞杆16带动动子芯轴32向左移动，此时压缩弹簧213蓄能释放，达到提高整个发电机的频率的目的，压缩弹簧213继续释放至左侧弹簧座圈Ⅱ212靠近弹簧座挡板A211时，左侧弹簧座圈Ⅱ212与弹簧座挡板A211接触，左侧弹簧座圈Ⅱ212左移停止，通过计算模拟此时不会出现弹簧座圈Ⅱ212和弹簧座挡板A211过重的撞击，在预计范围内。

同时动子芯轴32右侧轴肩接触右侧弹簧座圈Ⅱ212，右侧弹簧座圈Ⅱ212被带动，向左推动压缩弹簧213，这样往复运动，压缩弹簧213持续蓄能、释放，达到了很好的蓄能效果。压缩弹簧213一直处于压缩状态，不会出现弹簧座圈Ⅱ212、压缩弹簧213脱离的情况。

如附图2和附图5所示，弹簧(包括第二方案里的压缩弹簧)总刚度越大，能够提高的工作频率越高，若所需弹簧总刚度值较大时，则可在弹簧座圈上布置多个弹簧，弹簧个数取决于每个弹簧的刚度和弹簧总刚度的要求，弹簧的总刚度等于弹簧的个数乘以每个弹簧的刚度。另外，多个弹簧必须均匀分布在动子芯轴的圆周方向。

所述弹簧刚度选择计算公式为：

式中，k_t为本发明频率计功率提升装置的刚度；

f(Hz)：为发动机工作频率，为设计目标值；

m(kg)：动子质量，结构实际运动构件质量，为常数；

F_f(N)：摩擦阻力，发动机结构尺寸确定，该值为常数；

p_max(Pa)：峰值压力，通过缸压传感器实验测得；

p₁(Pa)：最大速度处的缸内压力，其取值范围为550000-850000Pa；

p₁优选的值为750000Pa；

L(m)：活塞有效行程，为常数；

D(m)：活塞直径，为常数；

T(N·m)：发动机输出的最大扭矩，为常数。

若采用方案一中两侧对称布置方式，则所述装置弹簧的总刚度为两侧弹簧33刚度之和，且从平衡角度考虑，两侧的弹簧33类型及结构尺寸均一致，即选择相同型号的弹簧33。若采用第二种方案的一侧布置方式，所述装置的弹簧刚度为一侧弹簧的刚度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种自由活塞直线发电机功率提高装置，包括动力部件，动力部件包括气缸体、缸盖、安装在缸盖上的火花塞、安装在气缸体上的喷油器、设在气缸体内的活塞、连接在活塞上的活塞杆；

其特征是，还包括定子部件、动子部件，定子部件包括发电机定子，动子部件包括发电机动子、动子芯轴、弹簧，发电机动子配合发电机定子，动子芯轴连接发电机动子，动子芯轴连接活塞杆，弹簧一端连接发电机定子，弹簧另一端连接活塞杆；

所述定子部件还包括弹簧室，发电机定子两端均设有发电机端盖，弹簧室安装在动力部件和发电机端盖之间，弹簧另一端连接在发电机端盖外侧，发电机定子两侧对称设有弹簧室、弹簧；活塞杆穿过弹簧室，动子芯轴和活塞杆连接位置设有弹簧座圈Ⅰ，弹簧另一端连接在弹簧座圈Ⅰ上；

弹簧刚度选择计算公式为：

式中，k_t为本发明频率计功率提升装置的刚度；

f(Hz)：为发动机工作频率，为设计目标值；

m(kg)：动子质量，结构实际运动构件质量，为常数；

F_f(N)：摩擦阻力，发动机结构尺寸确定，为常数；

p_max(Pa)：峰值压力，通过缸压传感器实验测得；

p₁(Pa)：最大速度处的缸内压力，其取值范围为550000-850000Pa；

L(m)：活塞有效行程，为常数；

D(m)：活塞直径，为常数；

T(N·m)：发动机输出的最大扭矩，为常数。

2.根据权利要求1所述的一种自由活塞直线发电机功率提高装置，其特征是，所述活塞杆端部开有销孔，活塞杆通过销轴连接弹簧座圈Ⅰ，活塞杆通过弹簧座圈Ⅰ驱动连接动子芯轴，动子芯轴通过轴承配合发电机端盖。

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