分体式铁心结构直线启动发电机及其驱动控制系统.pdf

分体式铁心结构直线启动发电机及其驱动控制系统。它涉及电机领域，它解决了现有直线电机电枢铁心采用硅钢片叠成的结构加工工艺复杂，成本高，如采用实心铁心的结构会产生较大的涡流损耗问题，以及现有驱动控制系统体积大、难以集成的缺点，电机的电枢铁心是由i+1个圆环形铁心环与i个铁心间隔环沿轴向依次间隔排列在铁心筒内壁上，电枢绕组由i个圆环形线圈串联而成，每个圆环形线圈嵌放于圆环形铁心环与铁心间隔环构成的凹槽内，每相邻两个圆环形线圈的绕向相反；圆环形铁心环与铁心间隔环轴向厚度之和La

1、  分体式铁心结构直线启动发电机，它包括初级、次级、气隙和动子支撑板簧；次级包括永磁体(1)和轴筒(2)；初级包括电枢(3)和机壳(4)；电枢(3)包括电枢铁心(5)和电枢绕组(6)；其特征在于电枢铁心(5)包括1个铁心筒(51)、i+1个圆环形铁心环(52)和i个铁心间隔环(53)，其中，i为正整数；i+1个圆环形铁心环(52)与i个铁心间隔环(53)沿轴向依次间隔排列在铁心筒(51)内，铁心筒(51)的内径等于圆环形铁心环(52)的外径和铁心间隔环(53)的外径，圆环形铁心环(52)的外表面和铁心间隔环(53)的外表面紧密贴合在铁心筒(51)的内表面；电枢绕组(6)由i个圆环形线圈(61)串联而成，每个圆环形线圈(61)嵌放于圆环形铁心环(52)与铁心间隔环(53)构成的凹槽内，每相邻两个圆环形线圈(61)的绕向相反；圆环形铁心环(52)与铁心间隔环(53)轴向厚度之和L_a＝τ_p～1.25τ_p；相邻的两个圆环形铁心环(52)中心线之间的距离τ_t与永磁体(1)极距τ_p之间满足关系：τ_t＝τ_p。

2、  根据权利要求1所述的分体式铁心结构直线启动发电机，其特征在于铁心间隔环(53)的内径等于圆环形线圈(61)的外径。

3、  根据权利要求1所述的分体式铁心结构直线启动发电机，其特征在于永磁体(1)为圆环形径向充磁永磁体(11)，圆环形径向充磁永磁体(11)沿轴向方向依次套于轴筒(2)上，每相邻的两个圆环形径向充磁永磁体(11)的充磁方向相反。

4、  根据权利要求1所述的分体式铁心结构直线启动发电机，其特征在于永磁体(1)为圆环形径向充磁永磁体(11)和圆环形轴向充磁永磁体(12)，圆环形径向充磁永磁体(11)与圆环形轴向充磁永磁体(12)沿轴向方向依次相间套于轴筒(2)上，每相邻两个圆环形径向充磁永磁体(11)的充磁方向相反；每相邻两个圆环形轴向充磁永磁体(12)的充磁方向相反，并且与上表面为N极的圆环形径向充磁永磁体(11)相邻的两个圆环形轴向充磁永磁体(12)的充磁方向均指向所述圆环形径向充磁永磁体(11)；与上表面为S极的圆环形径向充磁永磁体(11)相邻的两个圆环形轴向充磁永磁体(12)的充磁方向均为背向所述圆环形径向充磁永磁体(11)。

5、  根据权利要求1所述的分体式铁心结构直线启动发电机，其特征在于次级还包括圆环形导磁轭(7)，永磁体(1)为圆环形轴向充磁永磁体(12)，圆环形轴向充磁永磁体(12)沿轴向方向依次套于轴筒(2)上，每相邻两个圆环形轴向充磁永磁体(12)的充磁方向相反，每相邻两个圆环形轴向充磁永磁体(12)之间轴筒(2)上还套有圆环形导磁轭(7)。

6、  根据权利要求1所述的分体式铁心结构直线启动发电机，其特征在于次级还包括j+1个圆环形导磁轭(7)和j个隔磁环(8)，其中j为正整数；j+1个圆环形导磁轭(7)和j个隔磁环(8)沿轴向方向依次相间套于轴筒(2)上，永磁体(1)为瓦片形永磁体或平板形永磁体，瓦片形永磁体为径向充磁，平板形永磁体为沿厚度方向水平充磁，所述的瓦片形永磁体或平板形永磁体沿轴向嵌入圆环形导磁轭(7)的轴向槽(9)中，沿圆周方向相邻的两个永磁体(1)的充磁方向相反，即同为径向向内充磁或同为径向向外充磁；沿轴向方向相邻的两个永磁体(1)的充磁方向相反。

7、  根据权利要求1所述的分体式铁心结构直线启动发电机，其特征在于动子支撑板簧的弹性系数K_t、动子总质量m_t与动子往复运动频率f_e之间满足关系fe=Kt/mt/2π.]]>

8、  分体式铁心结构直线启动发电机驱动控制系统，其特征在于它由分体式铁心结构直线启动发电机、功率变换器和系统控制器组成；系统控制器的控制端连接功率变换器的受控端，功率变换器的输出端连接分体式铁心结构直线启动发电机的启动端。

9、  根据权利要求8所述的分体式铁心结构直线启动发电机驱动控制系统，其特征在于功率变换器为H桥变换器或电容分压半桥变换器。

分体式铁心结构直线启动发电机及其驱动控制系统
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种短行程直线启动发电机系统。
背景技术
短行程直线电机的一种常见结构如图11所示。电机的运动部分是永磁体，通过动子支架与弹簧连接在一起。工作磁场由两部分组成，一部分是励磁线圈产生的交变磁场，另一部分是由永磁体产生的恒定磁场。该结构为环状，外铁轭及内铁轭都为固定部分，永磁体安装在非导磁、非导电支架上，永磁体外圆周面的极性相同，当绕组通入交变电流，绕组磁场会与永磁体磁场相作用产生交变的推力，推动永磁体沿轴向做往复直线运动。
当电枢铁心采用硅钢片叠成时，由于叠片方向为周向，铁心叠片工艺复杂，加工成本高；如果采用实心铁心，虽然工艺简单、成本低，但铁心会产生更大的涡流损耗，大大降低电机的效率。永磁体支架的制作、加工上，难度较大。而且当次级极距较小时，电机的材料利用率低，性能变差。不适合做成大功率直线启动发电机系统。
发明内容
本发明为了解决现有直线电机电枢铁心采用硅钢片叠成的结构加工工艺复杂，成本高，如采用实心铁心的结构会产生较大的涡流损耗；同时还存在永磁体支架制作、加工难度大，次级极距要求大的问题，以及现有电机驱动控制系统体积大、难以集成的缺点，而提出的分体式铁心结构直线启动发电机及其驱动控制系统。
分体式铁心结构直线启动发电机，它包括初级、次级、气隙和动子支撑板簧；次级包括永磁体和轴筒；初级包括电枢和机壳；电枢包括电枢铁心和电枢绕组；电枢铁心包括个铁心筒、i+1个圆环形铁心环和i个铁心间隔环，其中，i为正整数；i+1个圆环形铁心环与i个铁心间隔环沿轴向依次间隔排列在铁心筒内，铁心筒的内径等于圆环形铁心环的外径和铁心间隔环的外径，圆环形铁心环的外表面和铁心间隔环的外表面紧密贴合在铁心筒的内表面；电枢绕组由i个圆环形线圈串联而成，每个圆环形线圈嵌放于圆环形铁心环与铁心间隔环构成的凹槽内，每相邻两个圆环形线圈的绕向相反；圆环形铁心环与铁心间隔环轴向厚度之和L_a＝τ_p～1.25τ_p；相邻的两个圆环形铁心环中心线之间的距离τ_t与永磁体极距τ_p之间满足关系：τ_t＝τ_p。动子支撑板簧的弹性系数K_t、动子总质量m_t与动子往复运动频率f_e之间满足关系
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分体式铁心结构直线启动发电机驱动控制系统，分体式铁心结构直线启动发电机、功率变换器和系统控制器组成；系统控制器的控制端连接功率变换器的受控端，功率变换器的输出端连接分体式铁心结构直线启动发电机的启动端。
本发明中电枢铁心采用了分体式结构，分体式铁心结构直线启动发电机具有电枢铁心加工工艺简单，涡流损耗低的优点，以及动子支撑板簧制作简单以及对次级极距要求低的优点。本发明的分体式铁心结构直线启动发电机及其驱动控制系统的结构简单、效率高、温升低，可实现模块化。本发明的分体式铁心结构直线启动发电机及其驱动控制系统在直线压缩机及斯特林发电机系统中具有广阔的应用前景。本发明可广泛适用于各种需要大功率直线启动发电机的系统。
附图说明
图1是本发明的电机结构示意图；图2是永磁体在具体实施三中平面展开示意图；图3是永磁体在具体实施四中平面展开示意图；图4是永磁体在具体实施五中平面展开示意图；图5具体实施方式六中本发明的电机结构示意图；图6是具体实施方式六中次级结构示意图；图7是具体实施方式六中永磁体为瓦片形永磁体的次级轴向示意图；图8是具体实施方式六中永磁体为平板形永磁体的次级轴向示意图；图9是H桥变换器的拓扑结构示意图；图10是电容分压半桥变换器的拓扑结构示意图；图11是现有短行程直线电机结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括初级、次级、气隙和动子支撑板簧；次级包括永磁体1和轴筒2；初级包括电枢3和机壳4；电枢3包括电枢铁心5和电枢绕组6；电枢铁心5包括1个铁心筒51、i+1个圆环形铁心环52和i个铁心间隔环53，其中，i为正整数；i+1个.圆环形铁心环52与i个铁心间隔环53沿轴向依次间隔排列在铁心筒51内，铁心筒51的内径等于圆环形铁心环52的外径和铁心间隔环53的外径，圆环形铁心环52的外表面和铁心间隔环53的外表面紧密贴合在铁心筒51的内表面；电枢绕组6由i个圆环形线圈61串联而成，每个圆环形线圈61嵌放于圆环形铁心环52与铁心间隔环53构成的凹槽内，每相邻两个圆环形线圈61的绕向相反；圆环形铁心环52与铁心间隔环53轴向厚度之和L_a＝τ_p～1.25τ_p；相邻的两个圆环形铁心环52中心线之间的距离τ_t与永磁体1极距τ_p之间满足关系：τ_t＝τ_p。铁心筒51采用软磁复合(SMC-Soft Magnetic Composite)材料，圆环形铁心环52的材质采用软磁复合材料或硅钢片；机壳4采用铝合金、钛合金等轻质材料。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于铁心间隔环53的内径等于圆环形线圈61的外径。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于永磁体1为圆环形径向充磁永磁体11，圆环形径向充磁永磁体11沿轴向方向依次套于轴筒2上，每相邻的两个圆环形径向充磁永磁体11的充磁方向相反。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。轴筒2采用导磁材料。
具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于永磁体1为圆环形径向充磁永磁体11和圆环形轴向充磁永磁体12，圆环形径向充磁永磁体11与圆环形轴向充磁永磁体12沿轴向方向依次相间套于轴筒2上，每相邻两个圆环形径向充磁永磁体11的充磁方向相反；每相邻两个圆环形轴向充磁永磁体12的充磁方向相反，并且与上表面为N极的圆环形径向充磁永磁体11相邻的两个圆环形轴向充磁永磁体12的充磁方向均指向所述圆环形径向充磁永磁体11；与上表面为S极的圆环形径向充磁永磁体11相邻的两个圆环形轴向充磁永磁体12的充磁方向均为背向所述圆环形径向充磁永磁体11。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于次级还增加了圆环形导磁轭7，永磁体1为圆环形轴向充磁永磁体12，圆环形轴向充磁永磁体12沿轴向方向依次套于轴筒2上，每相邻两个圆环形轴向充磁永磁体12的充磁方向相反，每相邻两个圆环形轴向充磁永磁体12之间轴筒2上还套有圆环形导磁轭7。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图5、图6、图7和图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于次级还增加了j+1个圆环形导磁轭7和j个隔磁环8，其中j为正整数；j+1个圆环形导磁轭7和j个隔磁环8沿轴向方向依次相间套于轴筒2上，永磁体1为瓦片形永磁体或平板形永磁体，瓦片形永磁体为径向充磁，平板形永磁体为沿厚度方向水平充磁，所述的瓦片形永磁体或平板形永磁体沿轴向嵌入圆环形导磁轭7的轴向槽9中，沿圆周方向相邻的两个永磁体1的充磁方向相反，即同为径向向内充磁或同为径向向外充磁；沿轴向方向相邻的两个永磁体1的充磁方向相反。轴筒2和隔磁环8都采用非导磁材料。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同点在于动子支撑板簧的弹性系数K_t、动子总质量m_t与动子往复运动频率f_e之间满足关系fe=Kt/mt/2π.]]>其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图9和图10说明本实施方式，本实施方式为分体式铁心结构直线启动发电机驱动控制系统，它由分体式铁心结构直线启动发电机、功率变换器和系统控制器组成；系统控制器的控制端连接功率变换器的受控端，功率变换器的输出端连接分体式铁心结构直线启动发电机的启动端。
具体实施方式九：结合图9和图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式八不同点在于功率变换器为H桥变换器或电容分压半桥变换器。其它组成和连接方式与具体实施方式八相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。