CN103590898B - 一种自由活塞直线电机的工作模式切换装置 - Google Patents

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Abstract

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、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***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。

Description

一种自由活塞直线电机的工作模式切换装置
技术领域
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
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，也因此具有极为广阔的应用前景。
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***启动过程到稳定运行过程的切换。
发明内容
本发明的目的是为解决自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。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
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。
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；
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；
连接关系：数字集成电路与温度传感器、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；
工作过程：
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；
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。
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。
所述数字集成电路连接关系为：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。
有益效果
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***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。
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
图1是实施例1的示意图；
图2是数字集成电路逻辑图。
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
下面结合附图和实施例1对本发明做进一步说明。
实施例1
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。
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、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；
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；
工作过程：
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；
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。
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。
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。
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（0信号），同理可得P端状态。***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***停止工作，设置 使Q端复位为0，为下一次***开始工作做准备。

Claims (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(1)、压力传感器(2)；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)；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)。
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