一种内燃发电装置和无人机动力系统的制作方法

1.本发明涉及航空动力技术领域，尤其涉及一种内燃发电装置和无人机动力系统。


背景技术：

2.自20世纪飞机诞生以来，航空技术一直是人类重要技术之一，而其中航空动力历来是航空技术中的难点和关键。随着无人机的发展，对其发动机的需求日益加剧，性能优异、价格便宜的发动机愈加受到欢迎，这就为无人机的发动机技术的发展提供了方向和目标。
3.很多无人机使用电动机作为动力源，但是现在电池的能量密度低，造成无人机的续航时间短，限制了使用环境。还有很多无人机使用往复式活塞发动机作为动力源，但是往复活塞式发动机需要借助曲柄连杆连接活塞和曲轴，将活塞的往复运动转换为曲轴的回转运动，导致活塞与气缸壁产生侧向力，使得活塞或汽缸受到磨损，造成不可逆的损失，降低其使用寿命，且效率也很难提高，噪音大，限制了使用范围。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种内燃发电装置和无人机动力系统，用以解决现有的无人机上采用电机作为动力源时，续航时间短；以及采用往复活塞式发动机作为动力源时，使用寿命短噪音大的问题。
5.本发明实施例提供一种内燃发电装置，包括机壳、内燃机、直线发电机和板弹簧，所述内燃机、直线发电机和板簧均固定安装于所述机壳内，所述内燃机包括气缸和与所述气缸配合的自由活塞，所述直线发电机包括作为动子的永磁铁和作为定子的线圈，所述自由活塞和所述永磁铁通过主轴固定连接，所述板弹簧的中心孔固定套接于所述主轴。
6.根据本发明一个实施例的内燃发电装置，两个所述板弹簧间隔设置。
7.根据本发明一个实施例的内燃发电装置，所述自由活塞为内部中空结构，所述内燃机的排气口与所述自由活塞的内部连通，所述自由活塞的外周端面开设有多个通气孔。
8.根据本发明一个实施例的内燃发电装置，包括多个所述内燃机和多个所述直线发电机，多个所述内燃机的自由活塞和多个所述直线发电机的永磁铁分别一一对应地通过所述主轴固定连接，多个所述内燃机呈环形阵列分布，多个所述内燃机的自由活塞相对所述环形阵列的中心同步运动。
9.根据本发明一个实施例的内燃发电装置，所述内燃机和所述直线发电机均为两个，两个所述直线发电机对置设置，两个所述内燃机的自由活塞相对运动。
10.根据本发明一个实施例的内燃发电装置，所述自由活塞和所述气缸之间的配合间隙为10～20μm。
11.本发明实施例还提供一种动力系统，包括电动机和上述任一种内燃发电装置，所述线圈与所述电动机的输入端连接。
12.根据本发明一个实施例的动力系统，还包括控制器，所述内燃机的喷油口连接有
喷油器，所述控制器与所述喷油器电连接。
13.根据本发明一个实施例的动力系统，还包括储能电池、位置传感器和换向器，所述储能电池的输入端和所述电动机的输入端分别通过所述换向器与所述线圈电连接，所述储能电池的输出端通过所述换向器与所述线圈连接，所述储能电池的输出端还与所述电动机电连接，所述位置传感器安装于所述自由活塞或所述主轴，所述控制器与所述位置传感器、所述储能电池和所述换向器电连接。
14.根据本发明一个实施例的无人机动力系统，所述电动机为无刷电机。
15.本发明实施例提供的内燃发电装置和动力系统，通过自由活塞式内燃机和直线发电机结合，将内燃机的自由活塞与直线发电机的线圈通过主轴连接，将内燃机产生的动能持续传递给直线发电机发电。将其与电动机相连为无人机提供动力时，相比于单独使用电动机作为动力源，可满足如无人机的动力需求和长航时需求；相比于使用往复活塞式内燃发动机作为动力源，减少了曲柄连杆和曲轴，避免了活塞与气缸之间的侧向力，减少了活塞与气缸之间的磨损，提高了整个装置的使用寿命，降低了动力系统的噪声，绿色环保；板弹簧能够在自由活塞向下止点运动时提供储能，以保证在燃料做功完成后，提供线圈和自由活塞反向运动的能量，保证循环的进行。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明实施例内燃发电装置；
18.图2是本发明实施例中自由活塞的部分结构示意图；
19.图3是本发明实施例动力系统的结构示意图。
20.附图标记：
21.1、机壳；2、内燃机；21、气缸；211、喷油口；212、排气阀；22、活塞；221、通气孔；3、直线发电机；31、永磁铁；32、线圈；33、内回铁；34、外回铁；4、板弹簧；5、主轴；61、电动机；62、控制器；63、喷油器；64、电池；65、位置传感器；66、换向器。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.下面结合图1-图2描述本发明实施例的内燃发电装置。
25.如图1所示为本发明实施例内燃发电装置，该内燃发电装置用于与电动机相连，为无人机提供动力。该内燃发电装置包括机壳1、、内燃机2、直线发电机3和板弹簧4，内燃机2、直线发电机3和板弹簧4均固定安装于机壳1内，内燃机2包括气缸21和与气缸21配合的自由活塞22，直线发电机3包括作为动子的永磁铁31和作为定子的线圈32，自由活塞22和永磁铁31通过主轴5固定连接，板弹簧4的中心孔固定套接于主轴5。其中，线圈32为环形线圈，永磁铁31为环形磁体。环形线圈和环形磁体之间的配合间隙不大于0.6mm，以减小电量损失。永磁铁31的内外分别设有用于导磁的环形内回铁33和环形外回铁34，线圈32设置在外回铁34内部。
26.具体的，气缸21上设置有喷油口211和排气阀212。在使用时，从喷油口211向气缸内喷入燃料如航空汽油和空气，在气缸21内点火燃烧产生动力，推动主轴5做直线运动，主轴5带动永磁铁31做直线运动，板弹簧4在这一过程中储能；燃料做完功后，在板弹簧4的储能驱动主轴5反向运动从而带动自由活塞22向气缸21的上止点方向运动，排气阀212打开排出乏汽，完成一个循环。永磁铁31在磁场中往复运动，使得永磁铁31中产生交变的磁场，线圈32在该交变磁场中感生出电动势。从而实现将燃料的化学能向机械能再向电能的转变。
27.其中，自由活塞22的初始位置可靠近气缸21的上止点，使得从喷油口进入气缸21后能够推动自由活塞22达到下止点时，板弹簧4能够储存足够的能量使自由活塞22能够回复到上止点。若自由活塞22没有在上止点的位置，可以通过向永磁铁31中通入电流，使自由活塞22回复到上止点的位置，然后再向气缸21内喷入燃料。
28.本发明实施例提供的内燃机发电装置，通过自由活塞式内燃机2和直线发电机3结合，将内燃机2的自由活塞22与直线发电机3的永磁铁31通过主轴5连接，将内燃机2产生的动能持续传递给直线发电机3发电。将其与电动机相连为无人机提供动力时，相比于单独使用电动机作为动力源，可满足无人机的动力需求和长航时需求，例如采用航空汽油作为内燃机的燃料，由于其能量密度几乎是现在的性能最好的电池的50倍，单位质量的航空汽油具有更高能量，可达到更长的航空时间；相比于传统的使用往复活塞式内燃发动机作为动力源，减少了曲柄连杆和曲轴，避免了活塞22与气缸21之间的侧向力，减少了活塞22与气缸21之间的磨损，提高了整个装置的使用寿命，降低了动力系统的噪声，绿色环保；板弹簧4能够在自由活塞22向下止点运动时提供储能，以保证在燃料做功完成后，提供永磁铁31和自由活塞22反向运动的能量，保证循环的进行。
29.为了给主轴5提供更稳定的径向支撑，保证主轴5、自由活塞22和气缸21的同轴度，本发明一实施例中，板弹簧4为两个，且两个板弹簧4间隔设置。由于自由活塞22和气缸21之间是存在一定间隙的，在不考虑安装误差等其他因素的情况下，两个板弹簧4可将自由活塞22稳定的支撑在气缸21的内壁之间，使自由活塞22和气缸21之间不产生摩擦，减少了摩擦带来的损失，可延长使用寿命。因为实现了无摩擦，则气缸内并不需要润滑油润滑，那么就减少了油分离器等部件，减轻了内燃机的重量，提高了可靠性。
30.如图2所示为本发明实施例中自由活塞的部分结构示意图。本发明另一实施例中，自由活塞22为内部中空结构，内燃机2的排气口与自由活塞22的内部连通，自由活塞22的外周端面开设有多个通气孔221，通气孔221连通自由活塞22的内部和气缸21。这样可以将内燃机2的排气通向自由活塞22内部，然后从多个通气孔221中喷出，从而为自由活塞22提供
气浮支撑，可减少实际工作中自由活塞22与气缸21的内壁的接触，从而减少两者之间的摩擦，提高内燃机2的可靠性。另外，内燃机2的排气内存在大量的二氧化碳，由于二氧化碳具有较高的比热容，其从通气孔221进入内燃机2的燃烧室后，可吸收大量的热，降低气缸21内的燃烧温度，从而减少no
x
的生成，减少环境污染。其中，多个通气孔221在自由活塞22的外周端面沿径向和周向均匀分布，排布密度根据自由活塞22的重量合理确定。
31.本发明实施例中，自由活塞22和气缸21之间的配合间隙为10～20μm。考虑装配误差以及实际工况，自由活塞22与气缸21之间会存在一定的摩擦，因此一般控制自由活塞22与气缸21的表面粗糙度小于0.4。
32.在内燃机工作时会使该内燃发电装置产生轴向振动，为了减小该轴向振动，如图1所示，本发明实施例中的内燃发电装置包括多个内燃机2和多个直线发电机3，多个内燃机2的自由活塞22和多个直线发电机3的永磁铁31分别一一对应地通过主轴5固定连接，多个内燃机2呈环形阵列分布，多个内燃机2的自由活塞22相对该环形阵列的中心同步运动。即通过多个内燃机2做功驱动多个直线发电机3同时发电。
33.或者，在减小该轴向振动的基础上，为了使该内燃发电装置的结构更加紧凑，本发明实施例中的内燃发电装置包括多个内燃机2，直线发电机3包括一一对应设置的多个永磁铁31和多组线圈32，多个内燃机2的自由活塞与多个永磁铁31分别一一对应地通过主轴5固定连接，多个内燃机2呈环形阵列分布，多个内燃机的自由活塞22相对该环形阵列的中心同步运动。即通过多个内燃机2做功驱动同一直线发电机3中的多个永磁铁31运动，同时发电。
34.通过控制气缸21的进油量，使得多个内燃机2的自由活塞22相对环形阵列的中心同步运动，使得每个自由活塞22的中心轴线均通过该环形阵列的中心，从而使自由活塞22和板弹簧4等运动部件在往复运动中产生的轴向振动相互抵消。本发明实施例提供的内燃发电装置，还可以通过选择不同数量的内燃机2工作，得到不同的发电量。当然，若要减少整个装置产生的振动，工作的内燃机2需要相对环形阵列中心呈中心对称布置，保证工作中的运动部件的轴向振动可以相互抵消。
35.例如，当内燃机2的数量为三个时，每相邻两个内燃机2的自由活塞22的轴线呈120
°
角分布，三个内燃机2分别通过主轴5与三个直线发电机3的永磁铁31或者同一直线发电机3的三个永磁铁31固定连接。当控制三个内燃机2同时进油，且进油量相同时，它们各自对应的自由活塞22、主轴5、板弹簧4和永磁铁31运动所产生的轴向振动可相互抵消。
36.图1所示为具有两个内燃机2和两个直线发电机3的情况，两个直线发电机3相互对置地设置，当控制两个内燃机2同时进油，且进油量相同时，可以使得两个内燃机2的自由活塞22相对同步运动，使两个内燃机2和两个直线发电机3中的运动部件产生的轴向振动相互抵消。其中，两个直线发电机3可以集成为一个直线发电机，即一个直线发电机包括一一对应设置的两个永磁铁31和两组线圈32，这样使得装置的结构更加紧凑。
37.下面结合图3描述本发明实施例的动力系统。
38.如图3所示为本发明实施例动力系统的结构示意图，该动力系统包括电动机61和上述实施例所述的内燃发电装置，线圈32与电动机61的输入端连接。内燃发电装置所发的电直接供给电动机61使用，为无人机提供动力。其中，未提高动力系统的可靠性和可操控性，本发明实施例中的电动机61采用无刷电机，可以为交流无刷电机或直流无刷电机，当为直流无刷电机使，直线发电机3与直流无刷电机之间应通过换向器连接。
39.进一步的，本发明实施例提供的动力系统还包括控制器62，内燃机的喷油口211连接有喷油器63，控制器62与喷油器63电连接。通过控制喷油器63的喷油时间，可调节内燃机2的压缩比，实现较高的热效率。还可通过调节喷油时间，使内燃机2运动的频率达到自由活塞22、板弹簧4等运动部件的共振频率，在该共振频率下，自由活塞22可实现大位移工作。另外，使该共振频率与板弹簧4的固有频率不相同，以免对板弹簧4造成损坏。当该动力系统包括多个内燃机2时，多个内燃机2的喷油口211可连接同一喷油器63，或者每一内燃机2分别连接不同的喷油器63。通过控制器62同时控制多个内燃机2的喷油时间，从而调节整个动力系统的整体热效率，还可通过控制多个内燃机2的进油量，使每个内燃机2内的自由活塞22具有相同的动力，这样在多个内燃机2的自由活塞22呈圆形矩阵分布时，可保证每个内燃机2对应的动力部件的轴向振动能够相互抵消，从而减小整个动力系统的振动和噪声。
40.进一步的，本发明实施例提供的动力系统还包括储能电池64、位置传感器65和换向器66，储能电池64的输入端和电动机61的输入端分别通过换向器66与线圈32电连接，电池64的输出端通过换向器66与线圈32连接，储能电池64的输出端还与电动机61电连接，位置传感器65安装于自由活塞22或主轴5，控制器62与位置传感器65、储能电池64和换向器66电连接。
41.一般将自由活塞22的初始位置设置在气缸21的上止点位置，这样可直接控制喷油器63向气缸21内喷射燃料，使系统开始启动，使板弹簧4在第一次循环时就能储存足够的能量来保证后续的循环做功。
42.但是在某些极端工况下，比如系统停止后自由活塞22还没有回复到最初的上止点位置，此时若又启动了系统，则需要将自由活塞22先调整到上止点的位置。此时通过控制器62控制电池64和换向器66向线圈32通相应方向的电流，使永磁铁31带动自由活塞22恢复向上止点方向移动。当位置传感器65感应到活塞22已到达上止点位置时，控制器62再控制喷油器63向气缸21内喷射燃料，启动内燃机2开始做功，使自由活塞22开始向下止点方向运动，此时，控制器62控制电池64停止给线圈32通电，自由活塞22带动主轴5和永磁铁31一起运动，使线圈32在永磁铁31产生的交变磁场中感应电动势并给电动机61供电。在此过程中，板弹簧4储存能量。当自由活塞22运动到下至点后，板弹簧4开始释放能量，带动主轴5向上止点方向运动，使自由活塞22回到上止点，排气阀212打开，排出乏气，依此往复循环。
43.当该动力系统中的内燃发电装置包含多个直线发电机3或者一个直线发电机3中包含多个永磁铁31时，还可能由于活塞22与气缸21的摩擦，导致不同的自由活塞22处于气缸21的不同位置，此时，需要将每个自由活塞22调整到对应气缸21的相同位置处，以保证每个内燃机2同步运动。
44.对此，多个直线发电机3的线圈32或者同一直线发电机3内的多组线圈32分别连接不同的换向器66，不同的线圈32通过不同的换向器66与储能电池64和电动机61连接。每一主轴5上均安装有位置传感器65。控制器62根据不同的位置传感器65感应到的不同自由活塞22的位置，若不同自由活塞22的位置不相同，则控制电池64和对应的换向器66，将每一自由活塞22的位置调整到对应气缸21的相同位置处。
45.以两个直线发电机3为例，如图3所示，左右两个主轴5上分别安装有位置传感器65，当控制器62通过两个位置传感器65得到左右两个自由活塞22的位置不一致时，控制电池64和与左侧的换向器66，向左侧的线圈32通入相应方向的电流，使左侧的自由活塞22的
位置调整到与右侧的自由活塞22在气缸21中的相同位置处。
46.储能电池64的输入端和电动机61的输入端分别通过换向器66与线圈32电连接，储能电池64的输出端还与电动机61电连接。其中，储能电池可以为三元锂电池。三元锂电池的能量密度高。
47.储能电池64用于存储直线发电机3所发的电量。由于直线发电机3发的电属于交流电，需要利用换向器66将交流电转换成直流电，然后输入储能电池64中存储。通过控制器62控制当前是直接将直线发电机3的电量输送给电动机61使用，还是将储能电池64的电量输送给电动机61使用，当然也可以控制直线发电机3一边给储能电池64充电，一边给电动机61供电，通过控制器62控制分别输入储能电池64和电动机的电量。也可通过控制器62控制电动机61优先使用储能电池64中的电量，以给电动机61提供更稳定的电流，当电量不足时利用直线发电机3的电量进行补充。在直线发电机3本身电流稳定的情况下，如果储能电池64电量已满，则可使直线发电机3直接给电动机61供电。此时将储能电池64作为备用电源，在需要时如动力系统出现故障时，再启动储能电池64给电动机61供电。
48.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。