CN102434277A - 一种内燃永磁直线发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃永磁直线发电装置，包括两个结构相同的两冲程内燃室和一台包括线圈定子、动杆以及同轴套接在动杆上的永磁动子的永磁直线发电机，永磁动子包括两组散热环、两组隔热环以及充磁永磁环组，相应地，动杆包括两动杆导热段、隔热段与动杆永磁段，该内燃永磁直线发电装置能够将燃烧膨胀做功过程中产生的大量热量通过活塞快速传递到动杆导热段，经动杆导热段与散热环组快速散失，同时通过动杆隔热段与隔热环组阻隔该热量，使动杆永磁段与套接在动杆永磁段上的永磁环组免受热量影响而保持其磁性能，因此解决了现有的内燃永磁直线发电装置由于活塞将热量传递给动子永磁体，致使永磁体因受热产生磁性能降低甚至失去磁性的问题。

Description

一种内燃永磁直线发电装置

技术领域

本发明涉及一种自由活塞式发动机，特别涉及一种内燃永磁直线发电装置。

背景技术

自由活塞式发动机自20世纪20年代出现以来，取得了快速发展。但在20世纪60年代初，自由活塞式发动机在与曲轴式内燃机的竞争中惨遭失败，逐渐退出了舞台。但自由活塞式发动机独特的结构已被工程界广泛接受，并为以后自由活塞技术的进一步发展奠定了基础。到20世纪90年代，随着永磁直线电机技术的快速发展，出现了一种自由活塞式内燃直线发电机，该技术采用永磁直线发电机作为自由活塞式内燃机的直线负载，通过内燃机将燃料的化学能转化为直线运动机械能，再通过永磁直线发电机将机械能转化为电能。近年来，随着混合动力电动技术、永磁直线电机技术、电子技术、控制技术和永磁材料等相关技术的快速发展，自由活塞式内燃直线发电技术引起了越来越多的关注和研究。

目前，自由活塞式内燃直线发电系统通常由两个两冲程内燃机燃烧室和一个直线发电机组成，燃料在两个燃烧室依次燃烧并对活塞做功，活塞与直线发电机动子连接为一体并带动直线电机动子运动，将该动能转化为电能。其中，直线发电机一般有动圈式和动磁式两种结构。动圈式结构一般采用无铁芯绕组结构，优点在于动子主要由线圈和电绝缘材料组成，无铁损，但功率密度相对较低，且存在引线运动问题。而动磁式结构不存在引线运动问题，通常具有较高的推力密度，但燃烧室在燃烧膨胀做功过程中温度急剧升高，导致活塞温度升高而将热量传递给动子永磁体，致使永磁体因受热产生磁性能降低甚至失去磁性，并且永磁动子质量、推力波动及涡流损耗较大。

另外，上述两冲程自由活塞发动机在同样工作容积和重量条件下可提供更大的功率，因而功率密度较大，但其节能环保性能相对较差。有研究者提出四冲程自由活塞式内燃直线发电系统，虽然在节能环保性能方面有一定优势，但功率密度相对较低，在同样工作频率下工作循环次数仅为两冲程自由活塞式内燃直线发电系统的50％。

此外，为提高内燃直线发电机功率密度和效率，有研究者提出采用Halbach永磁阵列，但径向充磁磁环一般采用多片磁环组合，制造与装配工艺复杂，制造精度和长期可靠性难以保证，且成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种内燃永磁直线发电装置，该内燃永磁直线发电装置的活塞能够快速传递并散失因燃烧膨胀做功过程中产生的热量，从而能够有效保护动子永磁体免受活塞热影响，保持其磁性能。

本发明实现上述目的所采用的技术方案为：一种内燃永磁直线发电装置，包括两个结构相同的两冲程内燃室和一台永磁直线发电机，所述的两冲程内燃室包括一个一侧开口的箱体、一个活塞、两个电磁气门和一个点火器；活塞位于箱体内腔并且可沿箱体内腔的轴线作往复直线运动，箱体背离开口一侧的内壁与活塞背离箱体开口的底面形成燃烧室；所述的永磁直线发电机包括线圈定子、动杆以及同轴套接在动杆上的永磁动子，永磁动子与线圈定子同轴且穿过线圈定子内腔，相对线圈定子沿轴向作直线往复运动；其特征是：所述的永磁动子包括第一组散热环、第一组隔热环、充磁永磁环组、第二组散热环、第二组隔热环；所述的动杆包括同轴放置的第一动杆导热段、第一动杆隔热段、动杆永磁段、第二动杆导热段以及第二动杆隔热段；所述的第一动杆导热段位于动杆的一端，通过第一组散热环的内孔与第一组散热环相连，并且穿过第一组散热环的内孔与一个两冲程内燃室的活塞相连接；所述的第一动杆隔热段位于第一动杆导热段和动杆永磁段之间，通过第一组隔热环的内孔与第一组隔热环相连接；所述的动杆永磁段通过充磁永磁环组的内孔与充磁永磁环组相连接；所述的第二动杆导热段位于动杆的另一端，通过第二组散热环的内孔与第二组散热环相连，并且穿过第二组散热环的内孔与另一个两冲程内燃室的活塞相连接；所述的第二动杆隔热段位于第二动杆导热段和动杆永磁段之间，通过第二隔热环的内孔与第二组隔热环相连接。

作为优选，所述的充磁永磁环组依次由轴向充磁永磁环、径向充磁永磁环和轴向充磁永磁环组成，其中径向充磁永磁环进一步优选采用热压工艺的热压幅向充磁永磁环。

作为优选，所述的充磁永磁环组按Halbach永磁阵列方式布置，Halbach永磁阵列中的径向充磁永磁环进一步优选采用热压工艺的热压幅向充磁永磁环。

所述的永磁直线发电机线圈定子包括但不限于若干个沿轴向同轴放置的线圈，并且相邻两线圈之间采用与线圈同轴放置的绕组铁芯隔开，线圈和绕组铁芯均与绕组磁轭同轴且位于绕组磁轭内腔。

与现有技术相比，本发明提供的内燃永磁直线发电装置将永磁动子设计为包括与动杆同轴放置的第一散热环组、第一隔热环组、充磁永磁环组、第二隔热环组、第二散热环组的结构，相应地，将动杆每端设计为包括同轴放置的第一动杆导热段、第一动杆隔热段、动杆永磁段、第二动杆导热段以及第二动杆隔热段的结构，使第一、第二动杆导热段位于动杆的两端部，分别与第一、第二散热环组相连，并且其端部分别与两个活塞相连接，第一、第二动杆隔热段分别位于第一、第二动杆导热段和动杆永磁段之间，与第一、第二隔热环组相连接，动杆永磁段与永磁环相连接，从而能够将燃烧膨胀做功过程中产生的热量通过活塞快速传递到动杆导热段，经动杆导热段与散热环组快速散失，同时通过动杆隔热段与隔热环组阻隔该热量，使动杆永磁段与永磁环免受热量影响而保持其磁性能。因此本发明具有如下有益效果：

(1)解决了现有的内燃永磁直线发电装置由于燃烧膨胀做功过程中温度急剧升高，导致活塞温度升高而将热量传递给动子永磁体，致使永磁体因受热产生磁性能降低甚至失去磁性的问题；

(2)由于线圈定子一直处于非运动状态，因而避免了引线运动问题；

(3)当充磁永磁环组采用Halbach永磁阵列且线圈定子采用有铁芯结构时，本发明的内燃直线发电机磁场利用率和磁场强度较高，相同条件下发电效率有所提高；

(4)当径向充磁永磁环优选采用热压工艺的热压幅向充磁永磁环时，由于热压幅向永磁环制作工艺简单、成本较低，不需要多个磁片粘接组合，因而结构简单、装配工作量小、可靠性高、成本低，易于实现较高的装配精度；

(5)本发明的两冲程内燃结构相比于四冲程内燃结构，虽然在扫气冲程中会排出一定量的燃料混合气体，但本发明的内燃直线发电机的功率密度和电机发电效率均比较高，利于减少燃料消耗，可实现间接地节能环保效果；

因此，本发明提供的内燃永磁直线发电装置有效解决了燃烧膨胀做功过程中产生的热量对动子永磁环的影响，能够优选实现具有磁场利用率高、发电效率和功率密度高、节能环保性能好的永磁直线发电装置，另外本发明的内燃永磁直线发电装置结构简单，易于制作，成本低，具有广泛的应用价值的。

附图说明

图1是本发明实施例中内燃永磁直线发电装置的结构示意图；

图2是图1所示内燃永磁直线发电装置的动杆结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步的说明。

图1是本发明内燃永磁直线发电装置的一种实施例的结构示意图，图2是图1实施例所采用的动杆结构示意图，其中的附图标记为：

两冲程内燃室20、永磁动子30、线圈定子40、动杆50、电磁气门21、电磁气门22、点火器23、燃烧室24、活塞25、箱体26、第一压紧螺母31、第二压紧螺母31′、第一组散热环32、第二组散热环32′、第一组隔热环33、第二组隔热环33′、轴向充磁永磁环34、径向充磁永磁环35、轴向充磁永磁环36、线圈41、绕组铁芯42、绕组磁轭43、第一动杆导热段51、第二动杆导热段51′、第一动杆导热段51的连接端52、第二动杆导热段51′的连接端52′、第一动杆隔热段53、第二动杆隔热段53′、动杆永磁段55、动杆永磁段55与第一动杆隔热段53的连接端54、动杆永磁段55与第二动杆隔热段53′的连接端54′。

本实施例中的内燃永磁直线发电装置由两个两冲程燃烧室20(分别称为A号两冲程内燃室20与B号两冲程内燃室20)和一台永磁直线发电机组成。

永磁直线发电机由永磁动子30、线圈定子40和动杆50组成；动杆50穿过永磁动子30各零部件的内孔，两个永磁动子30固定在动杆50两端，永磁动子30穿过线圈定子40内腔且二者同轴，永磁动子30能够相对线圈定子40沿永磁动子30轴向作直线往复运动。

A号两冲程内燃室20与B号两冲程内燃室20的结构完全一致。以A号两冲程内燃室20为例，两冲程内燃室20包括箱体26、活塞25、燃烧室24、点火器23、电磁气门21和电磁气门22，活塞25位于箱体26内腔且箱体26内腔与活塞25沿轴向同轴放置，活塞25可沿箱体26内壁的轴线作直线往复运动，箱体26一侧开口，箱体26背离开口一侧的内壁与活塞25背离箱体26开口的底面形成燃烧室24。

线圈定子40主要包括若干个沿轴向同轴放置的线圈41和绕组铁芯42，且相邻两线圈41之间采用与线圈41同轴放置的绕组铁芯42隔开，各绕组铁芯42和线圈41的内壁与动杆50的轴表面之间存在固定气隙，线圈41和绕组铁芯42均与绕组磁轭43同轴且位于绕组磁轭43的内腔。

永磁动子30包括两个压紧螺母，即第一压紧螺母31与第二压紧螺母31′、两组散热环32，即第一组散热环32与第二组散热环32′、两组隔热环33，即第一组隔热环33与第二组隔热环33′，以及若干由轴向充磁永磁环34、径向充磁永磁环35和轴向充磁永磁环36组成的永磁环组，且各零部件沿动杆50轴向同轴放置；动杆50轴依次穿过第一组压紧螺母31的内孔，第一组散热环32的内孔，第一组隔热环33的内孔，若干组轴向充磁永磁环34、径向充磁永磁环35和轴向充磁永磁环36组合的内孔，第二组隔热环33′的内孔，第二组散热环32′的内孔以及第二组压紧螺母31′的内孔；通过两个压紧螺母31压紧所有的散热环、隔热环、轴向充磁永磁环、径向充磁永磁环与轴向充磁永磁环。轴向充磁永磁环34、径向充磁永磁环35和轴向充磁永磁环36组合阵列采用Halbach永磁阵列，充磁方向如图1所示。

动杆50沿轴向依次包括第一动杆导热段51、第一动杆隔热段53、动杆永磁段55、第二动杆隔热段53′以及第二动杆导热段51′，动杆各段同轴放置。

第一动杆导热段51位于动杆50的一端，通过第一组散热环32的内孔与第一组散热环32相连，并且穿过第一组散热环32的内孔与A号两冲程内燃室20的活塞25相连接；第一动杆隔热段53位于第一动杆导热段51和动杆永磁段55之间，通过第一组隔热环33的内孔与第一组隔热环33相连接；动杆永磁段55通过轴向充磁永磁环34、径向充磁永磁环35和轴向充磁永磁环36组合的内孔与其相连接；第一动杆隔热段53通过连接端52与第一动杆导热段51相连接，第一动杆隔热段53通过连接端54与动杆永磁段55相连接。

第二动杆导热段51′位于动杆50的另一端，通过第二组散热环32′的内孔与第二组散热环32′相连，并且穿过第二组散热环32′的内孔与B号两冲程内燃室20的活塞25相连接；第二动杆隔热段53′位于第二动杆导热段51′和动杆永磁段55之间，通过第二组隔热环33′的内孔与第二隔热环33′相连接；第一动杆隔热段53′通过连接端52′与第一动杆导热段51′相连接，第二动杆隔热段53′通过连接端54′与动杆永磁段55相连接。

第一组散热环32、第二组散热环32′、第一动杆导热段51以及第二动杆导热段51′为导热材料，第一组隔热环33、第二组隔热环33′、第一动杆隔热段53以及第二动杆隔热段53′为隔热材料，绕组铁芯42为导磁材料，动杆永磁段55为非导磁材料，轴向充磁永磁环34和36为永磁材料，径向充磁永磁环35采用热压幅向永磁环。

本实施例中的内燃永磁直线发电装置需要附图1所示的A号两冲程内燃室20和B号两冲程内燃室20协调工作，保证最大的燃料利用率。对A号两冲程内燃室20，处于扫气冲程：活塞25向箱体26开口侧运动，燃料混合气体通过电磁气门21进入燃烧室24，燃烧室24内的废气通过电磁气门22排出；与此同时，对B号两冲程内燃室20，处于做功冲程：电磁气门21与22均关闭，活塞25向背离箱体26开口侧的方向运动并压缩燃烧室24内的混合燃料气体，压缩到一定程度时，点火器23点火，燃料气体燃烧，燃烧室24内燃气压力和温度急剧升高，在高温高压气体作用下，推动活塞25向箱体26开口侧运动。当A号两冲程内燃室20处于做功冲程时，B号两冲程内燃室20处于扫气冲程。这样，连为一体的活塞25与永磁动子30始终在两冲程内燃室的做功冲程作用下，作往复直线运动，因而可以实现较高的能量利用率。

当永磁动子30随活塞25高速往复直线运动时，定子线圈41切割动子30各永磁体的磁力线，即可产生电能，实现内燃直线发电功能。

由于燃烧室24在燃烧膨胀做功过程中，温度急剧升高，活塞25温度较高，如果不采取措施，永磁动子30上的永磁体会因受热而磁性能降低甚至失去磁性。本实施例通过第一组散热环32和第一动杆导热段51将A号两冲程内燃室20的活塞25传递过来的热量快速传递并散失，同时通过第一组隔热环33和第一动杆隔热段53隔绝该活塞25传递过来的热量；通过第二组散热环32′和第二动杆导热段51′将B号两冲程内燃室20的活塞25传递过来的热量快速传递并散失，同时通过第二组隔热环33′和第二动杆隔热段53′隔绝该活塞25传递过来的热量。因而，本实施例具有轴向充磁永磁环34、径向充磁永磁环35和轴向充磁永磁环36组合受活塞热影响小的特点。

由于线圈定子40一直处于非运动状态，因而本发明不存在引线运动问题。

由于永磁动子30采用Halbach永磁阵列且线圈定子40采用有铁芯结构，本实施例的内燃直线发电机磁场利用率和磁场强度较高，相同条件下发电效率有所提高。

由于热压幅向永磁环制作工艺简单、成本较低，不需要多个磁片粘接组合，因而实施例结构简单、装配工作量小、可靠性高、成本低，易于实现较高的装配精度。

本实施例的两冲程内燃结构，相比于四冲程内燃结构，虽然在扫气冲程中会排出一定量的燃料混合气体，但本实施例的内燃直线发电机的功率密度和电机发电效率均比较高，利于减少燃料消耗，可实现间接地节能环保效果。

所以，本实施例可以实现具有磁场利用率高、发电效率和功率密度高、节能环保性能好、工艺简单、成本低、动子永磁体受活塞热影响小、不存在引线运动问题等优点的内燃直线发电功能。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (6)

1.一种内燃永磁直线发电装置，包括两个结构相同的两冲程内燃室(20)和一台永磁直线发电机，所述的两冲程内燃室(20)包括一个一侧开口的箱体(26)、一个活塞(25)、两个电磁气门(21，22)和一个点火器(23)；活塞(25)位于箱体(26)内腔并且可沿箱体内腔的轴线作往复直线运动，箱体(26)背离开口一侧的内壁与活塞(25)背离箱体(26)开口的底面形成燃烧室(24)；所述的永磁直线发电机包括线圈定子(40)、动杆(50)以及同轴套接在动杆(50)上的永磁动子(30)，永磁动子(30)与线圈定子(40)同轴且穿过线圈定子(40)内腔，相对线圈定子(40)沿轴向作直线往复运动；其特征是：所述的永磁动子(30)包括第一组散热环(32)、第一组隔热环(33)、充磁永磁环组、第二组散热环(32′)、第二组隔热环(33′)；所述的动杆(50)包括同轴放置的第一动杆导热段(51)、第一动杆隔热段(53)、动杆永磁(55)段、第二动杆隔热段(53′)以及第二动杆导热段(51′)；所述的第一动杆导热段(51)位于动杆(50)的一端，通过第一组散热环(32)的内孔与第一组散热环(32)相连，并且穿过第一组散热环(32)的内孔与一个两冲程内燃室的活塞(25)相连接；所述的第一动杆隔热段(53)位于第一动杆导热段(51)和动杆永磁段(55)之间，通过第一组隔热环(33)的内孔与第一组隔热环(33)相连接；所述的动杆永磁段(55)通过充磁永磁环组的内孔与充磁永磁环组相连接；所述的第二动杆导热段(51′)位于动杆(50)的另一端，通过第二组散热环(32′)的内孔与第二组散热环(32′)相连，并且穿过第二组散热环(32′)的内孔与另一个两冲程内燃室的活塞(25)相连接；所述的第二动杆隔热段(53′)位于第二动杆导热段(51′)和动杆永磁段(55′)之间，通过第二组隔热环(33′)的内孔与第二组隔热环(33′)相连接。

2.根据权利要求1所述的内燃永磁直线发电装置，其特征是：所述的充磁永磁环组依次由轴向充磁的永磁环(34)、径向充磁的永磁环(35)和轴向充磁的永磁环(36)组成。

3.根据权利要求1或2所述的内燃永磁直线发电装置，其特征是：所述的充磁永磁环组按Halbach永磁阵列方式布置。

4.根据权利要求2所述的一种内燃永磁直线发电装置，其特征是：所述的径向充磁永磁环(35)是基于热压工艺的热压幅向充磁永磁环。

5.根据权利要求3所述的一种内燃永磁直线发电装置，其特征是：所述的径向充磁永磁环(35)是基于热压工艺的热压幅向充磁永磁环。

6.根据权利要求1所述的一种内燃永磁直线发电装置，其特征是：所述的线圈定子(40)包括若干个沿轴向同轴放置的线圈(41)和绕组铁芯(42)，且相邻两线圈(41)之间采用绕组铁芯(42)隔开，线圈(41)和绕组铁芯(42)均与绕组磁轭(43)同轴且位于绕组磁轭(43)内腔。

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