一种动磁式直线电机.pdf

本发明提供了一种动磁式直线电机，主要包括定子和动子，定子包括两个圆环状的轭铁支撑环，在两轭铁支撑环之间设有至少四个沿圆环均匀分布的条状定子轭铁，定子轭铁的内表面呈齿槽结构，齿槽结构包括N个定子齿；齿槽结构上绕有线圈，线圈通电后相邻的定子齿形成相反的磁极；动子位于定子轭铁围成的圆柱腔内，对于每个定子轭铁动子具有N-1个轴向并行排列的磁极，磁极磁力线呈径向分布，相邻磁极间具有间距，相邻磁极极性相反；动子通过连接轴连接板弹簧。本发明降低了漏磁损耗，提高了永磁效能，散热效果好，结构简单紧凑，便于安

1、  一种动磁式直线电机，从外到内依次包括机壳(10)、定子和动子，其特征在于，所述定子包括两个圆环状的轭铁支撑环(3)，在两轭铁支撑环之间设有至少四个沿圆环均匀分布的条状定子轭铁(1)，定子轭铁(1)的内表面呈齿槽结构，齿槽结构包括N个定子齿，相邻定子齿之间形成定子槽，N≥3；齿槽结构上绕有线圈(2)，线圈(2)通电后相邻的定子齿形成相反的磁极；所述动子位于条状定子轭铁(1)围成的圆柱腔内，对于每个定子轭铁(1)动子具有N-1个轴向并行排列的磁极，磁极磁力线呈径向分布，相邻磁极间具有间距，相邻磁极极性相反；动子通过连接轴(6)连接板弹簧(7)，板弹簧(7)的外环固定于机壳(10)上。

2、  根据权利要求1所述的动磁式直线电机，其特征在于，所述动子的相邻磁极间隔一个定子齿宽。

3、  根据权利要求1或2所述的动磁式直线电机，其特征在于，所述动子包括N-2个轴向并行排列的轴向充磁的永磁环，永磁环的两侧分别装有铁靴，相邻永磁环的磁化方向相反。

4、  根据权利要求1或2所述的动磁式直线电机，其特征在于，所述动子包括N-1个轴向并行排列的径向充磁的永磁环，永磁环在外圆周面上均匀交替出现极性不同的磁极，永磁环外圆周上的的磁极数量等于定子轭铁数量，同一永磁环外圆周上的磁极与定子齿或槽相对；相邻永磁环与同一定子轭铁对应处的磁极极性相反。

一种动磁式直线电机
技术领域
本发明属于电机技术领域，特别是涉及一种动磁式直线电机。
背景技术
传统的动磁式直线振荡电机如图1所示，具有圆桶状轴对称的外铁轭11和内铁轭12，电枢线圈2镶嵌在外铁轭11的槽中。四块永磁环41、42、43、44位于内外铁轭的气隙中。当永磁动子从图示位置运动到行程的右端时，主磁通经过内外铁轭11、12和永磁41和43形成回路，永磁磁通沿顺时针方向；当永磁动子从图示位置运动到行程的左端时，主磁通经过内外铁轭11、12和永磁42和44形成回路，永磁磁通沿逆时针方向。动子往复运动时，线圈2中将感应出交变的电动势，当线圈接上负载时，电机将输出电功率，此时，电机系统作为发电机使用。当线圈2中通入交变的电流时，在内外铁轭11、12中感应出电磁场，与永磁体相互作用，使与永磁构成的动子往复运动，这时电机系统作为电动机应用。这种结构的电机在电磁结构方面，常常将极性相异的永磁磁环紧邻布置，如图1中的永磁41与42相邻、永磁43和44相邻，使得相当部分的永磁磁通不经过电枢铁心直接闭合，增大了漏磁损耗，降低了永磁的效能；电枢线圈2处于半封闭的轭铁盒1中，增加了轭铁的加工、安装及维护的难度；并且不利于电枢的散热；在根据应用需求改变电磁功率时，缺少简洁有效的方法。
发明内容
为解决现有直线电机存在的上述问题，本发明提出了一种动磁式直线电机，降低了漏磁损耗，提高了永磁效能，散热效果好，结构简单紧凑，便于安装和维护。
一种动磁式直线电机，从外到内依次包括机壳10、定子和动子，其特征在于，所述定子包括两个圆环状的轭铁支撑环3，在两轭铁支撑环之间设有至少四个沿圆环均匀分布的条状定子轭铁1，定子轭铁1的内表面呈齿槽结构，齿槽结构包括N个定子齿，相邻定子齿之间形成定子槽，N≥3；齿槽结构上饶有线圈2，线圈2通电后相邻的定子齿形成相反的磁极；所述动子位于条状定子轭铁1围成的圆柱腔内，对于每个条状定子轭铁1动子具有N-1个轴向并行排列的磁极，磁极磁力线呈径向分布，相邻磁极间具有间距，相邻磁极极性相反；动子通过连接轴6连接板弹簧7，板弹簧7的外环固定于机壳10上。
所述动子的相邻磁极间隔一个定子齿宽。
所述动子包括N-2个轴向并行排列的轴向充磁的永磁环，永磁环的两侧分别装有铁靴，相邻永磁环的磁化方向相反。
所述动子包括N-1个轴向并行排列的径向充磁的永磁环，永磁环在外圆周面上均匀交替出现极性不同的磁极，永磁环外圆周上的的磁极数量等于定子轭铁数量，同一永磁环外圆周上的磁极与定子齿或槽相对；相邻永磁环与同一定子轭铁对应处的磁极极性相反。
本发明的技术效果体现在：
1、传统形式的直线电机的定子轭成圆桶状结构，不仅加工工艺复杂，若要将定子线圈装入定子轭腔中，则必须将定子轭铁分成两部分这将增加磁路磁阻，意味着定子磁路上的漏磁将增加。采用长条状定子，无需将定子轭铁剖分成多段，有利于降低漏磁损耗。同时，本发明长条状的定子轭铁条1加工容易，定子线圈2的安装同样方便，并且在定子轭铁条之间具有间隔，电枢上产生的热很容易通过流动的空气带走，大大改善了电机的散热。
2、由于相同磁极并不紧挨，磁力线将大部分通过轭铁形成回路，提高了永磁利用率。
3、本发明直线电机在功率调节方面可以通过两种方法进行，一种是通过调整定子轭铁条的数量从而调整线圈的数量，另一种是拓展定子磁极和动子磁级数，相对传统的直线电机功率调整具有更灵活更方便的优点。
附图说明
图1为一种典型结构的永磁直线电机横截面示意图；
图2为采用轴向充磁永磁环的直线电机透视图；
图3为直线电机定子透视图；
图4为直线电机定子轭铁透视图；
图5为直线电机支撑环透视图；
图6为采用轴向充磁永磁环的直线电机动子透视图；
图7为轴向充磁的永磁环示意图；
图8直线电机驱动方式示意图，图8(a)为直线电机动子位置示意图，图8(b)为直线电机动子位置与激励电流对应关系示意图；
图9为采用不同永磁环的直线电机剖视图，图9(a)为采用轴向充磁永磁环的直线电机，图9(b)为采用径向充磁永磁环的直线电机；
图10为带有软磁铁心的径向充磁永磁环示意图；
图11为无需软磁铁心的径向充磁永磁环示意图；
图12为齿数扩展的定子电枢条横截面图；
图13为第一种绕线方式的定子电枢条侧视图；
图14为第二种绕线方式的定子电枢条侧视图；
图15为第三种绕线方式的定子电枢条侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
本发明包括机壳10以及位于其内部的定子和动子。如图2和图3所示，定子包括两个圆环状的轭铁支撑环3，在两轭铁支撑环之间设有八个沿圆环均匀分布的条状定子轭铁1，定子轭铁1的内表面呈齿槽结构，齿槽结构包括三个定子齿102，相邻定子齿间形成两个定子槽103。齿槽结构上安放有定子线圈2，定子线圈2通电后，相邻定子齿的磁极相反。参考图4和5，定子轭铁1两端具有凸台结构101，而轭铁支撑环3沿着外圆周方向均匀分布着凹槽结构301，通过二者的配合安装，定子轭铁可以简单方便的在机壳内沿着机壳周向固定。定子线圈2可以事先绕成线圈状，然后嵌套入定子齿102上，也可以在定子齿102上直接缠绕导线制作。定子齿的端部为定子磁极104，它既可以通过机械加工成为圆弧状，也可以安装具有圆弧面的极靴。为避免涡流效应，定子轭铁1采用薄的硅钢叠压而成，相邻硅钢片之间应该用绝缘材料隔开。工作频率越高，所用硅钢片也应该越薄。当然规格较小的直线电机也可采用软磁材料粉末压铸成型的方法做成轭铁，磁性材料之间应该用绝缘材料隔开。
图6给出了采用轴向充磁永磁环的直线电机动子，永磁环40为轴向充磁的永磁环。永磁环40通常采用整体式轴向充磁的稀土永磁环制作，磁力线均匀，其磁力线示意图参考图7。永磁环两端分别装有铁靴51，52，铁靴由软磁性材料制作，例如采用软铁，或者硅钢。铁靴截面呈“L”型以改变永磁磁力线的方向，在铁靴面向定子磁极104的方向上形成径向且极性相反的动子磁极。两个极面应间隔一定距离，优选一个定子齿宽的距离。铁靴52通过连接轴6与柔性板弹簧7相接，板弹簧7的外环固定于机壳10上。柔性板弹簧的作用有：在动子静止的时候保持动子磁极与定子轭铁的槽相对；对动子提供一定的径向支撑；电机将工作在机械谐振原理下，弹簧将提供一定的机械弹性刚度。
图8给出了本发明直线电机驱动方式的一个实例，图中标号a、b、c、d为动子运行的关键位置点，动子经历a-b向左行程，b-c向右行程，c-d继续向右行程，d-a向左行程，完成一个运动周期，过程周而复始。功率驱动器发出矩形波电流，输入定子线圈，中间线圈与两侧线圈绕向相反，从而构成极性相间隔的电磁铁。根据位移传感器检测到动子位置，控制输入电流的方向。动子位置与输入电流对应关系如图8(b)所示。例如若动子向左的行程输入电流方向为正，则动子向右运动时电流方向相反。当动子在a-b向左行程，定子磁极1041，1043为N极，1042为S级，磁力线主要通过经过动子永磁S极、定子磁极1043、1042和动子永磁N极形成回路；当动子做c-d向右的行程时，定子磁极1041，1043为S极，1042为N极，磁力线主要通过动子永磁S极、定子磁极1042，1041和动子永磁N极形成回路。由于相同磁极并不紧挨，磁力线将大部分通过轭铁形成回路，提高永磁的利用率。
图9给出了采用径向充磁永磁环的动子结构，其与图2所示动子的区别在于动子永磁的充磁方式和动子的结构形式不同。图9中的动子永磁采用径向充磁的永磁环41和42。永磁环41和42在外圆周面上均匀交替出现极性不同的磁极，磁极数量等于定子轭铁数量即八个，磁极与定子齿或槽相对；相邻永磁环与同一定子轭铁1对应的磁极极性相反。通过调整角度使永磁环41和42与同一定子轭铁相对的位置永磁极性相反，。定子电枢电流的方向应使同一定子条上相邻电枢的电流方向相反，相邻定子条上对应位置的电枢电流方向也相反。根据永磁环加工方式的不同，永磁环内侧可加软磁衬铁，也可不加软磁衬铁。永磁环41，42之间间距为一个定子齿宽的距离，可在两者之间填充非导磁材料6。
采用径向磁环代替轴向磁环和铁靴可以减轻动子质量，提高电机的性能，此外可以提高气隙磁密，但磁环的加工比轴向充磁困难。图10和图11给出了两种采用不同加工方式获得的径向充磁永磁环。图10为各向异性粘接磁环，磁粉沿特定方向磁化，永磁内部无横向分量，故磁环内侧需衬以铁磁性材料的内磁轭环。图11为烧结铷铁硼径向磁环，磁场具有横向分量分布于永磁内，磁环内无须内衬铁磁性的内磁轭环。
本发明直线电机在功率调节方面可以通过两种简单有效的方法进行，相对传统的直线电机具有突出的优点。一种调节方法为：本发明直线电机具有多个定子轭铁条，定子轭铁条沿圆周方向扩展和均匀分布，直径越大，轭铁条的宽度越小，圆周方向可以容纳的轭铁数量越多，则相应的定子线圈也可越多，可输出功率越大。另一种调节方法为：直线电机的定子磁极和动子磁级数可以沿着轴向拓展，拓展的原则是定子齿数每增加一则动子磁极相应增加一，定子和动子的磁极越多电机的可输出功率越大，参考图12。
定子绕组的绕线方法有三种：
第一种可行的绕线方法如图13所示，定子的每个齿上均有线圈。通过电流时相邻线圈在铁心中形成的磁通方向应该相反，为此若线圈的绕向相同，则应通过接线保证相邻线圈在同一时刻的电流方向相反。绕线方法可以有多种选择，但应符合以上线圈的通电原则。
第二种可行的绕线方法如图14所示，当定子齿数为奇数时，所有线圈集中绕在中间的轭铁齿上，两边的齿上不绕线。
第三种可行的绕线方法如图15所示，在定子槽上嵌套线圈。
不管哪一种方式，都是需要保证同一时刻相邻线圈在铁心中形成的磁通方向相反，以使铁心中的磁场相互叠加而增强。图13、图14和图15所表示的绕线方法并不局限于定子齿数为三槽数为二的情形，当电机定子在轴向方向拓展出多个齿槽结构时，同样适用。