线性发电机制造技术

一种线性发电机，包括：可移动活塞；轴向分段气缸，具有至少一个导磁分段和膛孔，所述膛孔配置为允许所述活塞在所述气缸内移动；气缸壳体，具有用于接纳所述分段气缸的膛孔；和用于将所述分段气缸紧固就位的装置。这种布置允许自由活塞式发动机驱动型线性发电机具有提高的活塞位置控制、更连续的燃烧和提高的电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】线性发电机
本专利技术涉及一种线性发电机，特别设计一种用于自由活塞式发动机驱动型发电机的线性发电机。
技术介绍
在标准的内燃机中，活塞由于被连接至曲轴因而被机械地限制在其气缸内，由于活塞在气缸内的往复线性移动，曲轴被旋转驱动。但是，在自由活塞式发动机中，活塞不与曲轴连接，尽管活塞可被提供在此类型的发动机中，此类型的发动机具有诸如US-A-7383796中示教的外部机械联动装置。进一步，已知电力可由自由活塞式发动机中的往复活塞通过一个或多个电线圈的移动以产生磁通量改变而产生，例如US-A-7318506。在该装置中，活塞携带第一线圈，并且随着其在气缸内往复运动活塞在环绕气缸的第二线圈中产生电流。但是，活塞由磁通可透过的一块固体材料构造，且相对于气缸的长度必须非常短，这样其可随着活塞穿过第二线圈时导致通量改变。在现存的自由活塞式发动机中，活塞的长度典型地小于燃烧室的气缸膛孔的直径的五倍。自由活塞式发动机中的发电机的功率输出由空气帽的面积确定，且为了实现对于由直径和工作容积确定的给定燃烧室几何形状而言充足的空气帽面积，发电机的直径通常大于燃烧室的直径。这种直径的改变需要复杂和昂贵的机械解决方法以密封每个燃烧室，并确保燃烧室相互同轴对准且与介于中间的发电机的轴线同轴对准。对于自由活塞式发动机驱动型发电机的三个主要的设计挑战为：-第一，在尺寸适合发动机的燃烧功率输出的发电机中实现高电机效率。-第二，实现良好程度的活塞运动控制和燃烧室设计，使得燃烧过程的有效性和完全性能够确保。-第三，以最尽能低的成本解决以上两个挑战。
技术实现思路
本专利技术提供涉及线性发电机、活塞和燃烧室的设计的特征的有利组合，这些特征一起提供高效燃烧过程，允许燃烧功率输出的高效电力转换，为更恒定的燃烧过程控制提供作用在低活塞质量上的高发电机控制力，且避免在活塞中使用昂贵的稀土磁性材料和发动机中的燃烧与电力产生机构之间的接口的复杂设计。因此本专利技术致力于每个指出的设计挑战。根据本专利技术，提供了一种线性发电机，包括：可移动活塞转换器；轴向分段圆柱形定子，限定穿过该轴向分段圆柱形定子的膛孔，并包括至少一个导磁分段，且配置为允许活塞在膛孔内移动；气缸壳体，具有用于容纳分段气缸的膛孔；和用于将分段气缸紧固就位的装置。优选地，一个或多个轴向分段由各向共性的导磁材料制成，诸如软磁复合材料(SMC)，具有在所有方向上大于5.0×10-6Ω·m的各向同性的电阻率。优选地，圆柱形定子通过夹紧、附着粘合、过盈配合或者其他固定装置被紧固在气缸内。气缸壳体为圆柱形定子提供冷却装置和结构支撑，且具有与定子的外径类似尺寸的内膛孔，使得气缸壳体还提供圆柱形定子的分段元件的同轴对准。优选地，紧固在气缸壳体内的定子元件中的至少一个具有不大于10GPa(10×109N/m2)的低的杨氏模量(弹性模量)，使得圆柱形定子元件外径和气缸壳体膛孔之间的任何间隙通过定子元件在轴向夹紧负载的作用下的径向膨胀被减小。优选地，气缸壳体具有沿其长度的至少一部分的均一的截面，典型地沿其长度的至少三分之一，使得冷却通道和冷却片特征可被提供以提高来自气缸壳体内的圆柱形定子元件的热传递。优选地，每个分段定子元件的圆柱形内膛孔被涂覆耐磨材料，诸如氮化硅、碳化硅或其他陶瓷、或者类似的硬材料，使得一旦分段定子元件通过夹紧或其他装置在气缸壳体内被紧固就位时该圆柱形内膛孔可被珩磨或者被抛光。线性发电机的活塞转换器优选包括一个或多个导磁元件，一个或多个导磁元件具有各向同性的导磁率和电阻率，沿活塞轴布置且通过夹紧或其他装置紧固，使得相邻元件之间保持接触，其中活塞的长度为其最大直径的至少五倍。活塞长度与活塞直径的比例提供燃烧室的功率输出和空气帽的功率容量之间更好的匹配，空气帽具有与长形活塞的圆柱形表面相等的面积。结果，空气帽和燃烧室直径可以相等，且活塞的相反端的燃烧室之间不需要直径的改变。结果，此线性发电机使得自由活塞式发动机能够比现存类型的自由活塞式发动机以更低的成本构造。进一步，本专利技术提供了一种在发动机驱动型发电机中特别有效的线性发电机，发动机驱动型发电机具有容纳在若干个圆柱形定子元件内或者邻近若干个圆柱形定子元件提供的多个线圈，活塞在若干个圆柱形定子元件中往复运动，线圈提供轴向磁通发电机拓扑，其中环形磁通回路与活塞的行进方向同轴。活塞和定子元件的各向同性的导磁率和电阻率允许此轴向磁通拓扑具有活塞中最小的涡流损耗，提供比其他自由活塞式发动机驱动型发电机概念更高的效率和控制力。进一步，在此轴向磁通构造中的移动活塞质量低于在等价的横向磁通构造中可能的移动活塞质量，提高了由线圈施加的电磁力的控制权，且与横向磁通构造相比允许提高的活塞运动控制。优选，活塞顶被提供在活塞的每个末端，以保护芯和间隔元件免受燃烧的影响。替代地，每个活塞可具有面向燃烧室的单个活塞顶，面向反弹室的活塞的相反端作用为在每个动力冲程的结束反转活塞的方向。替代地，每个活塞可具有面向中心燃烧室的单个活塞顶以实现完全平衡的发动机单元，中心燃烧室在彼此反相移动的两个相对的活塞之间。优选，活塞顶由诸如，陶瓷、钛的轻量、耐高温和绝缘材料构造，和/或具有凹进表面以减小在上死点的热量损耗。优选，活塞顶被涂覆氧化催化材料或由氧化催化材料构造，氧化催化材料提高燃烧室中燃烧的一致性和完全性。优选，活塞顶的裸露表面面积为活塞的截面面积的至少两倍，以提高燃烧催化剂的效能。优选，活塞轴为中空的，以减小活塞质量，且同轴地布置在活塞轴上的一个或多个导磁元件形成为具有相同外径的环形圈。优选，气缸的圆周表面的一部分被涂覆降低摩擦且耐磨的材料。附图说明现在本专利技术的示例将参照以下附图描述，其中：图1示出自由活塞式发动机驱动型发电机中的纵向截面，该自由活塞式发动机驱动型发电机具有两个根据本专利技术的示例的线性发电机，活塞在其两端均具有活塞顶；图2为图1的活塞中的纵向截面，示出同轴设置在中空活塞轴上的元件的结构；图3为所述活塞中的垂直截面，示出所述轴和环形元件的同心布局；图4为活塞的替代实施例中的纵向截面，其中只在一端具有活塞顶；图5为根据本专利技术的图1的线性发电机之一的截面图，图示在切换定子元件中的由线圈和由活塞的移动引起的磁通；图6为线性发电机中的垂直截面，示出在活塞中紧密设置的线性发电机定子和导磁元件；图7为进气充气位移清除相期间，进气阀、进气滑动端口阀孔口和燃料喷射器布局的更详细的纵向截面；图8为排气相期间包括排气阀和致动器的排气装置的更详细的纵向截面；图9为时间-位移图表，示出完整发动机周期期间自由活塞式发动机气缸内的变化活塞位置，以及在此阶段期间发动机周期事件的时间；图10为压力-容积图表，示出完整发动机周期期间典型的自由活塞式发动机气缸压力图表；图11为自由活塞式发动机气缸中在第一室中的上死点、压缩相的结束、火花点火和燃烧事件的开始的时间附近的示意纵向截面；图12为第一室的膨胀相中途自由活塞式发动机气缸中的示意纵向截面气缸；图13为自由活塞式发动机气缸中在膨胀相的结束，但是在进气阀和出气阀已经打开之前的示意纵向截面气缸；图14为自由活塞式发动机气缸中在进气阀打开以对室1充气以后的气缸示意纵向截面，允许进气充气流体压力与第一室中的低气缸压力平衡；图15为自由活塞式发动机气缸中在排气阀打开以后、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种线性发电机，包括：可移动活塞；轴向分段气缸，限定穿过该轴向分段气缸的膛孔，且包括至少一个导磁分段，所述分段同轴配置以允许所述活塞在所述膛孔内移动；气缸壳体，具有用于接纳所述分段气缸的膛孔；和用于将所述分段气缸紧固就位的装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.01.19 GB 1200889.21.一种线性发电机，包括：活塞，包括沿活塞轴同轴布置的一个或多个活塞元件；轴向分段圆柱形定子，限定穿过该轴向分段圆柱形定子的膛孔，且包括至少一个导磁分段和多个线圈，其中所述导磁分段同轴配置以允许所述活塞在所述膛孔内往复运动，并且所述多个线圈被布置为紧邻所述活塞，并且其中所述线圈、所述导磁分段和所述活塞元件被布置为提供与所述活塞的行进方向同轴的环形磁通回路，使得所述活塞的往复运动导致所述线圈内的磁通变化，壳体，具有用于接纳所述轴向分段圆柱形定子的膛孔；和用于将所述轴向分段圆柱形定子紧固在所述壳体内的装置，其中，至少一个所述导磁分段由导磁材料制成，该导磁材料具有在所有方向上大于5.0×10-6Ω·m的各向同性的电阻率。2.如权利要求1所述的线性发电机，其中，用于将所述轴向分段圆柱形定子轴向紧固到所述壳体的所述装置包括附接于所述壳体的至少一个夹紧板，在使用中，通过所述夹紧板能够对所述轴向分段圆柱形定子施加轴向挤压。3.如权利要求1或2所述的线性发电机，其中，所述轴向分段圆柱形定子的膛孔被涂覆有具有大于软钢的硬度值的材料，或者由具有大于软钢的硬度值的材料制成。4.如权利要求1所述的线性发电机，其中，所述壳体具有共同的截面。5.如权利要求4所述的线性发电机，其中，所述壳体包含冷却片，该冷却片沿所述壳体的长度的至少一部分形成在所述共同的截面中。6.如权利要求1所述的线性发电机，其中所述活塞的长度至少为其最大直径的五倍，其中至少一个所述活塞元件由导磁复合材料制成，该导磁复合材料具有在所有方向上大于5.0×10-...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨姆·科克里尔，
申请(专利权)人：自由活塞式发动机有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB