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Lineargeneratoren

Schüttel-Taschenlampe

Ein einfaches Anwendungsbeispiel für diese Technik ist die Schüttel-Taschenlampe. Dabei bewegt sich durch die Schüttelbewegung ein starker Magnet durch eine Kupferspule. Die hierbei erzeugte Spannung ist ausreichend um einen Kondensator zu laden, der dann eine LED-Lampe für längere Zeit mit Strom versorgen kann.

Schüttel-Taschenlampe

Video: Schüttel-Taschenlampe

Die einfache Bauweise eines Freikolbenmotors in Verbindung mit einem Lineargenerator bedeutet die (theoretisch) einfachste mögliche Konstruktion eines Stromerzeugers. Dass es in der Praxis offenbar doch nicht ganz so einfach ist, das zeigt nachfolgend die lange Geschichte bis in die jüngste Gegenwart.

1923 Eugène Jordan, Frankreich

1923 Eugène Jordan, Frankreich

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1925 Noack, Freudenreich, Schweiz

1925 Noack, Freudenreich, Switzerland

Revolutionärer Vorschlag: Die Kraftabnahme erfolgt sowohl über die Abgase (2, 3) wie auch elektrisch (10, 4) mit Lineargenerator. Der Motor hatte auch eine Aufladung (5). Der Vorschlag wurde nie realisiert.

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1943 Pontus Ostenberg, USA

1943 Pontus Ostenberg, USA: Electric Generator

Früher Vorschlag einer masseneutralen Gegenkolben- Maschine mit Lineargeneratoren.

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1960 Ralph James, Esso Co. USA

1960 Ralph James, Esso Research and Engineering Co. USA

Free-Piston Generator of Electric Current

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1964 Harold Kosoff, USA

1964 Harold Kosoff, USA

Harold Kosoff entwickelte einen Gegenkolbenmotor, bei dem die Kolben pneumatisch statt mechanisch synchronisiert wurden.
Schon 1964 hatte er die Vision eines Lineargenerators, mit dem Autos betrieben und Häuser mit Strom und Wärme versorgt werden können. Der Motor wurde nicht weiter entwickelt.

1962 Stirling A. Colgate, USA

1962 Stirling A. Colgate, Livermore, USA
Free Piston Electrical Generator
Génératrice à moteur a pistons libres

Basierend auf dem Pescara- Freikolbendesign entwarf Colgate diesen Freikolben- Lineargenerator.

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1965 Robert Huber / Jarret, Frankreich

1965 Robert Huber, Société des Générateurs Jarret, Frankreich

Das Patent von Colgate (USA, FR, GB) zwang Robert Huber, auf ein anderes Motorensystem als sein eigenes auszuweichen (Kooperation mit Jarret).

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Elektromagnetischer Oszillator EMO150

1965 Robert Huber, Société des Générateurs Jarret, Frankreich

Robert Huber konstruiert seinen elektromagnetischen Oszillator EMO150. Die enorm schweren elektromagnetischen Bauteile machten es schwierig, eine genügend hohe Frequenz zu erreichen.

1972 Jarret, Frankreich

1972 Jarret Frankreich

Das Colgate Patent verunmöglichte noch immer die Integration der Magnete auf den Rückwurfkolben nach System Pescara. Jarret versuchte es mit dieser Konstruktion.

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1976 Jarret, Frankreich

1976 Jarret Frankreich

Hydraulische Rückfederung, gleiches System

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Der Jarret Motor

Download Jarret Article (English language)
Download Jarret Article (langue français)

Noch war die Zeit nicht reif für Freikolben- Lineargeneratoren, denn noch gab es keine Seltenerd- Magnete mit ausreichend hoher Flussdichte.

Erst diese Hochleistungsmagnete erlauben es, die bewegten Massen in einem akzeptablen Rahmen zu halten.

Jarret Lineargenerator

Das Magnetfeld von Permanentmagneten nimmt mit steigender Temperatur ab. Moderne NdFeB Magnete können bis ca. 130 °C eingesetzt werden, die teureren SmCo Magnete bis ca. 250 °C.

Bei Freikolben-Konstruktionen wie von Jarret werden die Permanentmagnete thermisch stark belastet.

1994 Galileo Research

1997 Galileo Research

1994 Galileo Research

Ein Prototyp von Galileo, unter Verwendung von handelsüblichen Motorzylindern und dem Lineargenerator eines Stirlingmotors. Doppeltwirkende Bauweise.

Die private Firma musste ihre Forschungen aus Geldmangel aufgeben. Im Gegensatz dazu wurden jetzt zwei staatliche Institute aktiv:

West Virginia University
Sandia National Laboratories

Sources:
"A High Specific Energy Output Free Piston Engine-Generator (HISEN-FPEG) for Hybrid Electric Vehicles and Electric Utility Power Generation" by Dr. Robert Law / Kenneth A. Galitello, Jr. March 1996
et al.

1998 West Virginia University

1998 West Virginia University

Erster Prototyp ähnlich dem Galileo-Projekt. Doppeltwirkende Bauweise. Verwendung von Homelite Kettensägenzylindern.

1998 West Virginia University

1999 West Virginia University

Zweiter Prototyp (Diesel), nicht funktionstüchtig.

Sources:
"Optimization of a Brushless Permanent Magnet Linear Alternator for Use With a Linear Internal Combustion Engine", William R. Cawthorne, West Virginia University
"Free-Piston Diesel-Fueled Linear Alternator for Auxiliary Power Unit Applications, 1996-1999", Atkinson, Famouri, Clark, West Virginia University
et al.

2000 FEV Engine Technology

2000 FEV Engine Technology

"Free Piston Engine Its Application and Optimization", Martin Goertz and Lixin Peng

(theoretische Überlegungen)

1998 Sandia National Laboratories

1998-Present Sandia National Laboratories, Livermore, CA

Sandia hat bis heute eine der umfangreichsten Studien zu Freikolbenmotoren erarbeitet. Die Permenentmagnete dieser Variante sind thermisch belastet.

2011 Sandia National Laboratories

2011 Sandia National Laboratories, Livermore, CA

Research status 2012

Research Status 2015

2011 Sandia National Laboratories

1962 Stirling A. Colgate, USA

2011 Sandia National Laboratories, Livermore, CA

Sandia wählt eine Gegenkolben- Konstruktion ähnlich wie Jarret mit thermisch sehr hoch belasteten Permanentmagneten.

Stirling A. Colgate, Livermore, CA erkannte schon knapp 50 Jahre früher: Die Magnete müssen an einem kühlen Ort angeordnet werden.

Sources:
"ADVANCED INTERNAL COMBUSTION ELECTRICAL GENERATOR", Peter Van Blarigan, Sandia National Laboratories, Livermore, USA
"Developing a Thermodynamic Fuel Cell", Peter Van Blarigan, Sandia National Laboratories, Livermore, USA
et al.

2002 Frank Stelzer

2002 Frank Stelzer

Die seit 1980 praktisch unverändert gebaute Maschine wurde mit einem in Chemnitz entwickelten Lineargenerator gekoppelt.
Der Motor brach bei der Leistungsabnahme zusammen. Als Anlasser konnte der Generator nicht verwendet werden, eine Demonstration fand nie statt.

2003 Deutsches Luft- und Raumfahrtzentrum DLR

2003 Deutsches Luft- und Raumfahrtzentrum DLR

Einfachwirkender Freikolbenlineargenerator FKLG mit Rückstossmechanismus, später erweitert zu einem Gegenkolbenmotor.

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Kombinierung zu einem Gegenkolbenmotor mit zentraler Federkammer und zwei äusseren Expansionskammern. Die - rein theoretische - Konstruktion ähnelt dem Jarret Motor von 1972.

Sources:
"Der Freikolbenlineargenerator FKLG Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad", Dr.-Ing. Markus Gräf, Institut für Fahrzeugkonzepte, DLR
et al.

2013 DLR

2013 DLR

Eine einfachwirkende Bauart mit flachem Lineargenerator. Die Generator-Bauart wurde 2008 von der Shanghai Jiaotong University beschrieben.

Diese Motorenart hat einen Brennraum und eine gegenüber liegende Federkammer. Vergleiche dazu auch die Freikolbenmotoren von INNAS und TU Dresden.

Die Vibrationen dieser Bauart müssen über ein Fundament gedämpft werden, man beachte die seitlichen Halterungen.

2013 DLR

Elektromagnetischer Oszillator EMO150

2013 DLR

Aus der oben beschriebenen Versuchsmaschine soll dieser Apparat entstehen.

Die Maschine ähnelt stark dem EMO150 von Huber/Jarret aus den 1960er Jahren, nur dass die Gasfedern dieses neuen Designs für den Rückhub überraschend klein erscheinen.

Quellen: DLR Homepage

2001 Pempek Systems, Australien

2001 Pempek Systems, Australia

Dieser Motor ist als Zweitakt- Diesel ausgelegt. Die Vibrationen werden eliminiert, indem vier Einheiten paarweise um 180° phasenversetzt betrieben werden.

2001 Pempek Systems, Australien

Pempek Prototyp auf dem Versuchsstand

Sources:
"The Free Piston Power Pack: Sustainable Power for Hybrid Electric Vehicles", Douglas Carter and Edward Wechner, Pempek Systems, Australia
et al.

2003 D. Hagen, Schweiz

2003 D. Hagen, Schweiz

Prototyp mit integriertem Starter / Generator. Thermische Entkopplung des Lineargenerators von den Motorzylindern. 30 ccm Hubraum, Frequenz 160 Hz, Verdichtung 1:24

2004 Volvo Free Piston Energy Converter

2004 Volvo Free Piston Energy Converter (FPEC)
EU finanziertes Projekt

Doppeltwirkender Typ mit dem bekannten thermischen Problem der Permanentmagnete.

Download project paper

Partner: Volvo Technology, SE, ABB SE, NOAX and INNAS, NL, Institut Francais Du Petrole, FR, Chalmers University of Technology, SE, Royal Institute of Technology, SE, University of Sheffield, UK

Sources:
"Analysis and Control of a Hybrid Vehicle Powered by a Free-Piston Energy Converter", Jörgen Hansson, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, Sweden
et al.

2011 Volvo Gegenkolbenmotor

2011 Volvo Gegenkolbenmotor

"Volvo hat bereits einen doppeltwirkenden Freikolbenmotor entwickelt und gebaut und damit diverse Tests durchgeführt. Die Schlussfolgerungen aus dem Prototypen ergaben, dass ein Gegenkolbenmotor verwendet werden würde."

Zitat aus "Development of Linear Bearing for Free Piston Engine", Luleå University of Technology, Department of Engineering, Science and Mathematics

1972 Jarret, Frankreich

2011 Volvo >> 1972 Jarret: Die thermische Entkopplung der Permanentmagnete ist noch nicht gelöst.

2003 Tschechische Technische Universität

2003 Tschechische Technische Universität

Doppeltwirkender Motor ähnlich Galileo und West Virginia University

2003 Tschechische Technische Universität

Sources:
"Modelling and Control of Linear Combustion Engine (LCE)", Pavel Němeček, Ondřej Vysoký, Michal Šindelka, Czech Technical University in Prague
et al.

2006 Malaysia

2006 Malaysia

Source:
"SIMULATION OF A TWO-STROKE SPARK IGNITION FREE PISTON LINEAR ENGINE MOTION", N. A. N. MOHAMED, A. K. ARIFFIN & S. FONNA, Universiti Teknologi Malaysia

2007 Newcastle University

2007 Newcastle University

Freikolben- Projekt in Einfachwirkender Bauart mit Luftfeder

"The design and simulation of a two-stroke free-piston compression ignition engine for electrical power generation", R. Mikalsen, A.P. Roskilly, Newcastle University,UK
(basic research)

2008 Malaysia

2008 Malaysia, Untersuchung des Startverhaltens einer Freikolbenmaschine

Source:
"Starting of a Free-Piston Linear Engine-Generator by Mechanical Resonance and Rectangular Current Commutation", Zulkifli, Karsiti, Rashid A-Aziz, Universiti Teknologi PETRONAS, Malaysia
et al.

Einen Freikolbenmotor zu starten bedeutet, den/die Kolben aufzuschaukeln unter Ausnützung der kinetischen Energie und der entstehenden Luftpolster.

Die Anlassenergie reicht nicht, um die notwendige Verdichtung direkt zu erreichen, weil der Anlasser keine Getriebeübersetzung hat.
Die malaysische Arbeit beschreibt diesen spezifischen Startvorgang hervorragend.

2008 Korea

2008 Koreanischer Versuchsaufbau

2008 Korea

Quelle:
"The performance characteristics of a hydrogen-fuelled free piston internal combustion engine and linear generator system", Youngmin Woo, Youngjae Lee, Yonggyun Lee, Automobile Energy and Environment Research Center, Korea
et al.

2008 China

2008 China

Quelle:
"Simulation of a Two-Stroke Free-Piston Engine for Electrical Power Generation"
Qingfeng Li, Jin Xiao, Zhen Huang, Shanghai Jiaotong University, China
et al.

2008 China, flat alternator

2008 China: Flat type alternator

Quelle:
"Flat-type permanent magnet linear alternator: A suitable device for a free piston linear alternator", Qingfeng Li, Jin Xiao, Zhen Huang, Shanghai Jiaotong University, China
et al.

2012 General Motors

1962 Stirling A. Colgate, USA

2012 General Motors

Dieses Bild kommt dem Leser vielleicht bekannt vor. Es handelt sich um einen Gegenkolbenmotor mit integriertem Lineargenerator.
50 Jahre früher - 1962 - wurde schon einmal ein Patent auf dieses System angemeldet von Stirling A. Colgate.

Die Arbeit von GM basiert auf deren Geschichte als Lizenznehmer von SIGMA / Pescara, als GM einen Motor für ein futuristisches Auto bestellte, den XP 500 Firebird. Die Idee, den alten Namen "Hyprex" zu reaktivieren, wurde nach kurzer Zeit wieder fallen gelassen.

freikolben.ch wurde in der folgenden Dissertation in Wort und Bild zitiert:

"TURBINE-COMPOUND FREE-PISTON LINEAR ALTERNATOR ENGINE" available on request

2012 Toyota

2012 TOYOTA CENTRAL R&D LABS INC

Im Gegensatz zu GM (derzeit nur Patent) arbeitet Toyota offensichtlich an Hardware: Einfachwirkender Lineargenerator mit Rückstossmechanismus

2012 Toyota

2012 TOYOTA CENTRAL R&D LABS INC

Zwei Vorschläge zur Kombinierung einzelner Maschinen, um die Vibrationen zu eliminieren.

Mainspring Generator

2010 Mainspring (vormals Etagen)

Mainspring verfügt über enorme finanzielle Mittel zur Entwicklung eines Freikolben Lineargenerators vor allem als stationären Stromerzeuger mit hohem Wirkungsgrad. Die Konstruktion ähnelt den Motoren von Volvo und Sandia National Laboratories.

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BEETRON SA

2020 Switzerland

2016 BEETRON SA, Schweiz (vormals BEETRON GmbH)

Im Gegensatz zu den meisten anderen Ansätzen, konzentriert sich BEETRON auf die Smart-Grid und Off-Grid Stromversorgung. Als hocheffizienter Vielstoffmotor verwertet BEETRON nicht nur fossile Energieträger, sondern ermöglicht den Übergang zu einer nachhaltigen Stromerzeugung mit solaren und erneuerbaren Kraftstoffen.