[发明专利]具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统，特别是涉及一种构成可动部位的磁铁由螺旋压缩弹簧进行弹性支撑，从而易于发生共振的具有两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统。

背景技术

最近随着手机、笔记本电脑、电动工具等便携式电子电器产品的发展，对便携式电源的高性能及轻量化要求也迅速增长。此外，预计将来能够广泛普及的电动汽车、电动自行车，必然需要更大容量的便携式电源，因此便携式电源相关的研究开发工作已成为当前的热点。

在便携式电源方面，目前应用和研究较多的技术为利用锂电池等蓄电池的电源系统。但这种利用蓄电池方式的便携式电源具有单价高、重量重等诸多缺点。

笔记本电脑及手机使用蓄电池方式的便携式电源时，将会有连续使用时间上的限制；电动汽车及电动自行车使用蓄电池方式的便携式电源时，其连续行驶的最大距离将会受到限制。因此，需要对蓄电池进行再充电操作，但是存在再充电所需时间长等缺点。

为了改进上述缺点，正在开发中的系统有在曲轴驱动活塞方式的内燃机发动机上附着发电机的系统，且一部分这种系统在混合型电动车上正处于商品化过程中。这种情况下主要使用的有两冲程或者四冲程活塞发动机。由于采用曲轴方式，发电机的结构复杂，而且发电机效率提高困难，所以难以适应高效率及轻量化的要求。

因此，为了克服这种利用曲轴—活塞方式内燃机发电机的缺点，去掉曲轴，直接在活塞上附着线性发电机的自由活塞方式的线性发电机最近受到较多的关注。由于这样的自由活塞线性发电机结构简单，因此高效率及轻量化的可能性高，最近很多研究开发正在进行。

这样的自由活塞线性发电机系统是活塞与发电机的动子结合而构成进行线性运动的动子，该动子的重量与支撑气缸压缩空气及动子的弹簧连接构成一个质点—弹簧振动系统，当采用与此振动系统的固有频率相同的频率驱动时，易产生共振，因此将会得到最大的发电效率。

此外，动子的重量越轻、弹簧弹性越高，其共振频率越高，从而可实现高速高频的共振，能够实现发电机系统的小型化和轻量化。因此，为了实现小型轻量的线性发电机，大容量高效率且动子重量轻的线性发电机和重量轻且弹性高的弹簧是必须的。

发电机是由通过电流的线圈、具备磁力的磁铁及成为磁场通路的铁芯三个要素构成。在发电机的动子上施加动力时将会发电，而逆向的向发电机输入电流时其将成为电动机，由此产生机械动力。从而大部分发电机也可当成电动机使用。在这一点上线性发电机也相同。

此外，也有在构成发电机要素的线圈、铁芯和磁铁中没有磁铁仅由线圈和铁芯构成的线性发电机方式，但是这样的线性发电机效率低且重量大，因此在实现小型及轻量化上具有局限性。

现有线性发电机中线圈作为动子时称为动圈式发电机，由于线圈部位需要运动，需要设置给运动线圈提供电流的电触点，因此结构复杂且容易发生电触点短路问题，所以可靠性不好。同时为了制造轻便的动子，线圈需要小而轻，但是在线圈小而轻的情况下，通过大电流时线圈容易过热，结果容易烧损。因此动圈式线性发电机具有制造困难且体积大的缺点。

此外，对于与活塞一体制造的动子铁芯的上面附带磁铁方式的线性发电机来说，由于其线圈位于定子上，因此可以解决线圈的过热或者烧损的问题，但是整体结构复杂，并且由于动子是由磁铁和铁芯组合在一起而构成，因此动子的重量大，所以难以制造固有频率高且小型及轻量化的系统。

再有，大部分利用自由活塞发动机的线性发电机系统不使用单独的弹簧，仅利用气缸内部燃烧气体的爆发力产生振动，这种方式的线性发电机系统具有如下缺点。

第一，自由活塞线性发电机从静止状态启动时需要从外部电源引入电流来使动子运动，但是在静止状态下气缸内的燃烧气体压力低，此时系统的共振频率非常低，由此需要施加很大的电流才能使动子以充分的速度运动而启动，以使气缸内的气体产生燃烧。因此，存在启动电流非常大、启动装置体积大、造价昂贵等缺点。

第二，自由活塞线性发电机的使用条件不同时，气缸内燃烧气体的平均压力会持续发生变化，由此系统的固有频率也会随着使用条件的变化而产生很大的变化，因此具有难以稳定使用且控制变得复杂等缺点。

第三，仅使用气缸内燃烧气体产生的爆发力来产生振动时，难以产生较高的固有频率，由此具有小型及轻量化困难的缺点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种其上线性发电机的结构为磁铁可动型，同时利用螺旋压缩弹簧支撑磁铁，从而能够通过提高固有频率的方法来实现高效率启动的两冲程自由活塞发动机的小型轻量线性发电机系统。