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1、(10)申请公布号 CN 103590898 A (43)申请公布日 2014.02.19 CN 103590898 A (21)申请号 201310530630.5 (22)申请日 2013.10.31 F02B 71/02(2006.01) F02B 63/04(2006.01) (71)申请人 北京理工大学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街 5 号 (72)发明人 冯慧华 王梦秋 贾博儒 左正兴 李林可 (54) 发明名称 一种自由活塞直线电机的工作模式切换装置 (57) 摘要 本发明涉及一种自由活塞直线电机的工作模 式切换装置， 属于能源动力领域。 包括自由活塞内 燃机、 。
2、三相直线电机和工作模式切换装置。工作 模式切换装置包括 ： 交流接触器、 数字集成电路、 熔断器、 驱动器、 负载， 其中交流接触器包括 ： 静 铁芯、 感应线圈、 动铁芯、 复位弹簧、 常闭触点、 常 开触点、 交流接触器连杆 ； 通过检测缸内温度和 压力信号输入到数字集成电路， 数字集成电路输 出信号控制铁芯的吸合， 使常闭触点断开， 常开触 点闭合， 使直线电机与驱动器断开， 与负载相连， 实现了直线电机由电动机模式向发电机模式的切 换， 保证了系统启动过程向稳定运行过程的平稳 有效过渡， 并且在稳定运行中能维持发电机模式 不变。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 。
3、页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103590898 A CN 103590898 A 1/1 页 2 1. 一种自由活塞直线电机的工作模式切换装置， 包括自由活塞内燃机和三相直线电 机， 其特征在于 ： 还包括工作模式切换装置 ； 自由活塞内燃机的气缸壁上布置有温度传感 器 （7） 、 压力传感器 （8） ； 所述工作模式切换装置包括 ： 交流接触器、 数字集成电路 （3） 、 熔 断器 （9） 、 驱动器 （12） 、 负载 （13） ， 其中交流接触器包括 ： 静铁芯 （4） 、 。
4、感应线圈 （5） 、 动铁芯 （6） 、 复位弹簧 （7） 、 常闭触点 （8） 、 常开触点 （10） 、 交流接触器连杆 （11） ； 数字集成电路 （3） 与温度传感器 （1） 、 压力传感器 （2） 连接 ； 数字集成电路 （3） 与缠绕在静铁芯 （4） 上的感应线 圈 （5） 组成回路 ； 静铁芯 （4） 对应的动铁芯 （6） 上固连有交流接触器连杆 （11） ； 动铁芯 （6） 与复位弹簧 （7） 固连 ； 交流接触器连杆 （11） 与常闭触点 （8） 、 常开触点 （10） 固连 ； 常闭触点 （8） 一端的触头与驱动器 （12） 相连， 另一端的触头通过熔断器 （9） 与三相直。
5、线电机的动力 线相接 ； 常开触点 （10） 一端的触头与负载 （13） 相连， 另一端的触头通过熔断器 （9） 与三相 直线电机的动力线相接。 2. 如权利要求 1 所述的一种自由活塞直线电机的工作模式切换装置， 其特征在于 ： 所 述数字集成电路连接关系为 ： 数字集成电路 （3） 由一个与门 （G1） ， 四个与非门 （G2-G5） 和两 个模数切换器 （Z1-Z2） 按逻辑关系连接组成 ；和分别为直接置位输入端和直接复位 输入端， 他们都是在低电平有效， 用来设置数字集成电路的初始状态 ,Q 端为数字集成电路 （3） 的输出端， 设置使 Q 端复位为 0 ； 完成初始设置之后，和设置成。
6、高 电平 ； 温度传感器 1、 压力传感器 （2） 分别采集气缸中温度信号 T 和压力信号 P， 输入数字集 成电路 （3） ； 在数字集成电路 （3） 内部， 温度信号 T 和压力信号 P 先经过模数切换器 Z1切换 成温度数字信号和压力数字信号 ； 温度数字信号和压力数字信号经过与门G1后得到输出信 号作为与非门 G2的其中一个输入信号， 与非门 G2的另一个输入信号是与非门 G5的输出信 号与非门 G2的输出信号， 作为与非门 G3的输入信号 ； 与非门 G2和与非门 G5的输出信号 作为与非门 G4的输入信号 ； 非门 G4和与非门 G3的输出信号作为与非门 G5的输入信号 ； 与 非。
7、门 G4的输出信号 Q 经过模数切换器 Z2切换成模拟信号输入到感应线圈 （5） 。 权 利 要 求 书 CN 103590898 A 2 1/4 页 3 一种自由活塞直线电机的工作模式切换装置 技术领域 0001 本发明涉及一种能源动力工程机械电子装置， 具体涉及一种自由活塞直线电机的 工作模式切换装置， 属于能源动力领域。 背景技术 0002 现有的内燃发电机具有结构复杂、 体积较大、 热效率低、 排放污染物多等缺点。已 有的研究表明自由活塞式内燃机和直线电机耦合之后形成的一种新型能量转换装置， 即自 由活塞直线电机， 具有高能量转换效率、 高能量密度、 结构简单等众多优势， 也因此具有极。
8、 为广阔的应用前景。 0003 自由活塞直线电机的工作模式与传统内燃发电机不同， 传统内燃发电机只工作在 发电机模式下， 而自由活塞直线电机需采用直线电机往复直线运动带动内燃机启动， 具有 启动过程和稳定运行过程。启动过程需要直线电机工作在电动机模式下， 即直线电机的动 力线与驱动器相连接 ； 稳定运行过程内燃机燃烧带动直线电机往复运动切割磁感线产生电 能输出， 又要求直线电机工作在发电机模式下， 即直线电机的动力线与负载相连接。 这就需 要一套可控的模式切换装置在合适的时机实现直线电机两种工作模式的切换， 即实现系统 启动过程到稳定运行过程的切换。 发明内容 0004 本发明的目的是为解决自。
9、由活塞直线电机从电动机到发电机的模式切换问题， 提 供一种可以实现自由活塞直线电机工作模式切换的机械电子装置。 0005 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 0006 一种自由活塞直线电机的工作模式切换装置， 它包括自由活塞内燃机和三相直线 电机， 还包括工作模式切换装置。 0007 自由活塞内燃机的气缸壁上布置有温度传感器、 压力传感器 ； 0008 所述工作模式切换装置包括 ： 交流接触器、 数字集成电路、 熔断器、 驱动器、 负载， 其中交流接触器包括 ： 静铁芯、 感应线圈、 动铁芯、 复位弹簧、 常闭触点、 常开触点、 交流接触 器连杆 ； 0009 连接关系 ： 数字集成电路与。
10、温度传感器、 压力传感器连接 ； 数字集成电路与缠绕 在静铁芯上的感应线圈组成回路 ； 静铁芯对应的动铁芯上固连有交流接触器连杆 ； 动铁芯 与复位弹簧固连 ； 交流接触器连杆与常闭触点、 常开触点固连 ； 常闭触点一端的触头与驱 动器相连， 另一端的触头通过熔断器与三相直线电机的动力线相接 ； 常开触点一端的触头 与负载相连， 另一端的触头通过熔断器与三相直线电机的动力线相接 ； 0010 工作过程 ： 0011 1） 冷机启动过程 ： 直线电机工作在电动机模式下， 铁芯断开， 常闭触点闭合， 常开 触点断开， 直线电机与驱动器相连， 与负载断开。 借助于电机力， 动子带动活塞做直线运动， 。
11、此时内燃机的一侧气缸处于压缩冲程， 当活塞运动至上止点时， 安装在气缸顶部的喷油器 说 明 书 CN 103590898 A 3 2/4 页 4 喷射高压燃油， 高压燃油被压缩燃烧， 产生高温高压燃气， 推动活塞向下止点运行， 开始对 外作功， 冷机启动过程完成 ； 0012 2） 工作模式切换过程 ： 活塞到达上止点时， 燃油燃烧， 气缸内温度、 压力迅速升高， 温度和压力传感器监测到温度信号 T、 压力信号 P， 传感器信号经过模数转换器， 将模拟信 号转换为数字信号， 当温度 T 大于标定温度 T0， 并且压力 P 大于标定压力 P0时， 数字集成电 路输出高电平模拟信号， 感应线圈的回。
12、路导通， 感应线圈通电， 吸合动铁芯， 从而带动常闭 触点断开， 常开触点闭合， 直线电机与驱动器断开， 与负载相连。实现直线电机由电动机模 式向发电机模式的切换。 0013 3） 稳定运行过程 ： 直线电机工作在发电机模式下， 自由活塞内燃机两个气缸内部 分别轮流爆发燃烧， 推动活塞组件进行往复直线运动 ； 活塞在上止点时， 高压燃油燃烧产生 的燃气爆发压力推动活塞向下止点运动， 进行作功， 通过电机动子切割磁感线， 产生电能输 出， 输出的电能给负载供电。由于数字集成电路具有锁存功能， 使铁芯保持吸合的状态， 即 直线电机保持发电机模式不变， 实现稳定运行过程。 0014 所述数字集成电路。
13、连接关系为 ： 数字集成电路由一个与门 （G1） ， 四个与非门 （G2-G5） 和两个模数转换器 （Z1-Z2） 按逻辑关系连接组成。和分别为直接置位输入端 和直接复位输入端， 他们都是在低电平有效， 用来设置数字集成电路的初始状态 ,Q 端为数 字集成电路的输出端， 设置使 Q 端复位为 0。完成初始设置之后，和设 置成高电平。温度传感器、 压力传感器分别采集气缸中温度信号 T 和压力信号 P， 输入数字 集成电路 ； 在数字集成电路 3 内部， 温度信号 T 和压力信号 P 先经过模数转换器 Z1转换成 温度数字信号和压力数字信号 ； 温度数字信号和压力数字信号经过与门G1后得到输出信号。
14、 作为与非门 G2的其中一个输入信号， 与非门 G2的另一个输入信号是与非门 G5的输出信号 与非门 G2的输出信号， 作为与非门 G3的输入信号 ； 与非门 G2和与非门 G5的输出信号作 为与非门 G4的输入信号 ； 非门 G4和与非门 G3的输出信号作为与非门 G5的输入信号 ； 与非 门 G4的输出信号 Q 经过模数转换器 Z2转换成模拟信号输入到感应线圈。 0015 有益效果 0016 1、 本发明的一种自由活塞直线电机的工作模式切换装置， 通过检测缸内温度和压 力信号输入到数字集成电路， 数字集成电路输出信号控制铁芯的吸合， 使常闭触点断开， 常 开触点闭合， 使直线电机与驱动器断。
15、开， 与负载相连， 实现了直线电机由电动机模式向发电 机模式的切换， 保证了系统启动过程向稳定运行过程的平稳有效过渡， 并且在稳定运行中 能维持发电机模式不变。 0017 2、 本发明的一种自由活塞直线电机的工作模式切换装置， 所使用的交流接触器技 术成熟， 可靠性高， 具有动作快、 工作稳定、 使用寿命长、 体积小等优点， 市面上有众多成品 可供选择， 价格低廉， 便于实现标准化和产品化。数字集成电路技术也很成熟， 本发明的数 字集成电路由常见的与门和与非门组成， 连接线路也很简单， 价格低廉， 便于实现标准化和 产品化。 附图说明 0018 图 1 是实施例 1 的示意图 ； 说 明 书 。
16、CN 103590898 A 4 3/4 页 5 0019 图 2 是数字集成电路逻辑图。 0020 图中， 1- 温度传感器、 2- 压力传感器、 3- 数字集成电路、 4- 静铁芯、 5- 感应线圈、 6-动铁芯、 7-复位弹簧、 8-常闭触点、 9-熔断器、 10-常开触点、 11-交流接触器连杆、 12-驱 动器、 13- 负载 具体实施方式 0021 下面结合附图和实施例 1 对本发明做进一步说明。 0022 实施例 1 0023 一种自由活塞直线电机的工作模式切换装置， 它包括自由活塞内燃机和三相直线 电机， 还包括工作模式切换装置， 如图 1 所示。 0024 自由活塞内燃机的气。
17、缸壁上布置有温度传感器 7、 压力传感器 8 ； 0025 所述工作模式切换装置包括 ： 交流接触器、 数字集成电路 3、 熔断器 9、 驱动器 12、 负载 13， 其中交流接触器包括 ： 静铁芯 4、 感应线圈 5、 动铁芯 6、 复位弹簧 7、 常闭触点 8、 常 开触点 10、 交流接触器连杆 11 ； 0026 连接关系 ： 数字集成电路 3 与温度传感器 1、 压力传感器 2 连接 ； 数字集成电路 3 与缠绕在静铁芯 4 上的感应线圈 5 组成回路 ； 静铁芯 4 对应的动铁芯 6 上固连有交流接触 器连杆 11 ； 动铁芯 6 与复位弹簧 7 固连 ； 交流接触器连杆 11 与。
18、常闭触点 8、 常开触点 10 固 连 ； 常闭触点 8 一端的触头与驱动器 12 相连， 另一端的触头通过熔断器 9 与三相直线电机 的动力线相接 ； 常开触点10一端的触头与负载13相连， 另一端的触头通过熔断器9与三相 直线电机的动力线相接 ； 0027 工作过程 ： 0028 1） 冷机启动过程 ： 直线电机工作在电动机模式下， 铁芯断开， 常闭触点闭合， 常开 触点断开， 直线电机与驱动器相连， 与负载断开。 借助于电机力， 动子带动活塞做直线运动， 此时内燃机的一侧气缸处于压缩冲程， 当活塞运动至上止点时， 安装在气缸顶部的喷油器 喷射高压燃油， 高压燃油被压缩燃烧， 产生高温高压。
19、燃气， 推动活塞向下止点运行， 开始对 外作功， 冷机启动过程完成 ； 0029 2） 工作模式切换过程 ： 活塞到达上止点时， 燃油燃烧， 气缸内温度、 压力迅速升高， 温度和压力传感器监测到温度信号 T、 压力信号 P， 传感器信号经过模数转换器， 将模拟信 号转换为数字信号， 当温度 T 大于标定温度 T0， 并且压力 P 大于标定压力 P0时， 数字集成电 路输出高电平模拟信号， 感应线圈的回路导通， 感应线圈通电， 吸合动铁芯， 从而带动常闭 触点断开， 常开触点闭合， 直线电机与驱动器断开， 与负载相连。实现直线电机由电动机模 式向发电机模式的切换。 0030 3） 稳定运行过程 。
20、： 直线电机工作在发电机模式下， 自由活塞内燃机两个气缸内部 分别轮流爆发燃烧， 推动活塞组件进行往复直线运动 ； 活塞在上止点时， 高压燃油燃烧产生 的燃气爆发压力推动活塞向下止点运动， 进行作功， 通过电机动子切割磁感线， 产生电能输 出， 输出的电能给负载供电。由于数字集成电路具有锁存功能， 使铁芯保持吸合的状态， 即 直线电机保持发电机模式不变， 实现稳定运行过程。 0031 所述数字集成电路连接关系如图 2 所示， 数字集成电路 3 由一个与门 （G1） ， 四个与 非门 （G2-G5） 和两个模数转换器 （Z1-Z2） 按逻辑关系连接组成。和分别为直接置位输 说 明 书 CN 10。
21、3590898 A 5 4/4 页 6 入端和直接复位输入端， 他们都是在低电平有效， 用来设置数字集成电路的初始状态 ,Q 端 为数字集成电路3的输出端， 设置使Q端复位为0。 完成初始设置之后， 和 设置成高电平。温度传感器 1、 压力传感器 2 分别采集气缸中温度信号 T 和压力信号 P， 输入数字集成电路 3 ； 在数字集成电路 3 内部， 温度信号 T 和压力信号 P 先经过模数转换器 Z1转换成温度数字信号和压力数字信号 ； 温度数字信号和压力数字信号经过与门G1后得到 输出信号作为与非门 G2的其中一个输入信号， 与非门 G2的另一个输入信号是与非门 G5的 输出信号与非门 G2。
22、的输出信号， 作为与非门 G3的输入信号 ； 与非门 G2和与非门 G5的输 出信号作为与非门 G4的输入信号 ； 非门 G4和与非门 G3的输出信号作为与非门 G5的输入信 号 ； 与非门 G4的输出信号 Q 经过模数转换器 Z2转换成模拟信号输入到感应线圈 5。 0032 所述数字集成电路工作过程 ： 数字集成电路 3 与缠绕在静铁芯 4 上的感应线圈 5 组成回路， 数字集成电路 3 的输出信号可控制动铁芯 6 的动作， 实现铁芯的吸合或断开， 从 而控制与动铁芯固连的触点的断开与闭合。T0为燃烧温度标定值。当 T T0时， T 端为 高电平 （1 信号） ； 反之， T 端为低电平 （。
23、0 信号） ， 同理可得 P 端状态。系统开始动作前， 设置 使 Q 端复位为 0。从数字集成电路 3 的逻辑图中可以看出， Q 端为输出端， 当输入端 T 和 P 都为高定平 （1 信号） 时， Q 端为高电平 （1 信号） 时， 数字集成电路 3 输出高 定平模拟信号， 感应线圈5中有电流流过， 产生电磁力， 动铁芯6动作， 带动交流接触器连杆 11 动作， 从而使常闭触点 8 断开， 常开触点 10 闭合， 直线电机与驱动器断开， 与负载连接， 直线电机由电动机模式切换为发电机模式 ； 一旦 Q 端输出为高电平 （1 信号） 之后， 数字集 成电路 3 的状态将被数字集成电路 3 内部的锁存器锁存， 保证数字集成电路 3 输出始终为 高电平模拟信号， 即铁芯保持吸合的状态， 直线电机保持发电机模式不变， 直到系统停止工 作， 设置使 Q 端复位为 0， 为下一次系统开始工作做准备。 说 明 书 CN 103590898 A 6 1/2 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103590898 A 7 2/2 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 103590898 A 8 。