CN101127474B - 高功率密度的动圈式永磁直线电机 - Google Patents
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本发明公开了一种高功率密度的动圈式永磁直线电机。它由线圈组及线圈组骨架、内磁轭、永磁体、外磁轭等组成，线圈组由正向绕组及反向绕组组成，线圈组固定在线圈骨架上，并可在气隙内往复直线运动，线圈骨架与所驱动的运动部件相联接，通过电控系统调节电流的方向和大小，实现所需要的运动规律。永磁体组设置在线圈组的一侧，或两侧同时设置，永磁体组在运动方向上交替采用不同磁化方向的永磁体并构成Halbach阵列。本发明可显著提高电机的功率密度，较常规直线电机的功率密度提高50％以上，同时具有较好的控制特性。可作为执行元件应用在要求直线电机体积和质量较小、同时具有较大的推力和精确度的场合，例如电液比例控制、机器人等领域。
Description
一技术领域
本发明涉及一种可作为各类自动控制系统中的执行元件应用，也可作为直线发电机应用的电磁直线致动器，特别是一种高功率密度的动圈式永磁直线电机。
二背景技术
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过中间任何转换装置的新颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪音低、组合性强、维护方便等优点。旋转电机所具有的品种，直线电机技术几乎都有相对应的品种，也可谓门类齐全，品种繁多，其应用范围正在不断扩大。在一些它所能独特发挥作用的地方，取得了令人满意的效果。从国外有关公司的产品样本以及国内浙江大学、华中科技大学等单位的相关文献可见，目前的动圈式永磁直线电机形式一般均为单线圈，在永磁体的布置上均未考虑采用Halbach阵列。如何进一步提高直线电机的功率密度是直线电机技术发展及得到更广泛应用的关键问题之一。例如作为发动机配气机构中进、排气门的致动器，现有结构形式的直线电机上难以达到其较高的技术要求。
美国的K.Halbach在1979年发现了永磁体的Halbach阵列，提出利用不同磁化方向的永磁体的特殊排列来增强永磁体一侧的磁通密度，而减弱另一侧的磁通密度。这一理论近年来已被应用于电机设计中，但在动圈式永磁直线电机中尚未见到应用。此外，在高功率的要求下需要提高线圈电流，从而可能产生较大的电枢反应(特别在采用单一线圈时)，从而导致磁场畸变，使电机输出功率下降和控制特性变差。这也是高功率密度电机的设计中需解决的技术问题。
三发明内容
本发明的目的在于提供一种具有更高的推力或功率输出，并能够较好地解决电枢反应问题，具有较好的控制特性的高功率密度的动圈式永磁直线电机。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高功率密度的动圈式永磁直线电机，它由线圈组及线圈组骨架、内磁轭、永磁体、外磁轭等组成，其特征在于：线圈组由正向绕组及反向绕组线圈及反向绕组线圈组成，线圈组固定在线圈骨架上，并可在气隙内往复直线运动，线圈骨架与所驱动的运动部件相联接，通过电控系统调节电流的方向和大小，实现所需要的运动规律，永磁体设置在线圈组的一侧，或两侧同时设置，设置在线圈组内侧时构成内永磁体，设置在线圈组外侧时构成外永磁体，永磁体组在运动方向上交替采用不同磁化方向的永磁体并构成Halbach阵列。
本发明的工作原理是：载流线圈在由永磁体组产生的磁场中受到电磁力，产生直线运动，改变线圈中电流方向就可以改变其运动方向，通过调节电流大小就可实现不同大小推力或功率的输出。线圈组固定在线圈组骨架内，可在气隙内往复直线运动。使线圈组中的占1/2总圈数的线圈与占另1/2总圈数的线圈的绕向相反(若分别通反向电流也可达到同样效果)。不同绕向的线圈通电后所产生的电枢反应可在一定程度上可以互相抵消，从而可有效地减小电枢反应。永磁体组由Halbach阵列，即不同磁化方向的永磁体的特殊排列组成。采用Halbach阵列方式排列，可以增强气隙内的磁通密度，降低磁轭中的磁通密度。不同磁化方向的永磁体的几何参数等可根据设计需要优化确定，在运动方向上交替采用不同磁化方向的永磁体并列构成Halbach阵列时，永磁体相互间可为平行关系或成一定角度。例如当直线电机为圆筒形式，单一永磁体的形状可为简单的两侧面平行的圆环形，或沿径向方向不等厚的圆环形。为简化结构与降低成本，也可只在单侧布置永磁体，即Halbach阵列只布置在线圈组的内侧或外侧。
本发明的动圈式永磁直线电机可显著提高电机的功率密度，较常规直线电机的功率密度可提高50％以上，同时具有较好的控制特性。作为各类自动控制系统中的执行元件，在要求直线电机体积和质量较小的同时具有较大的推力和精确度的应用场合，例如电液比例控制、机器人等领域，将可得到广泛应用。
四附图说明
附图1是本发明的高功率密度的动圈式永磁直线电机的结构示意图。
附图2是永磁体仅设置在线圈组外侧的结构示意图。
五具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明的高功率密度的动圈式永磁直线电机，应用于发动机配气机构中进、排气门的致动器。它由线圈组1及线圈组骨架2、内磁轭3、内永磁体4、外永磁体5、外磁轭6等组成，线圈组由2个圈数相同的线圈组成，固定在线圈骨架内，可在内永磁体与外永磁体之间的气隙7内往复直线运动。线圈组2个线圈的绕向相反。不同绕向的线圈通电后所产生的电枢反应可在一定程度上可以互相抵消，从而可有效的减小电枢反应。内永磁体组与外永磁体组均由Halbach阵列，即不同磁化方向的永磁体的特殊排列组成，在运动方向上交替采用不同磁化方向的永磁体并列构成Halbach阵列时永磁体相互间为平行关系。采用Halbach阵列方式排列，可以增强气隙内的磁通密度，降低磁轭中的磁通密度。不同磁化方向的永磁体的几何参数等可根据设计需要通过电磁场有限元分析优化确定。线圈骨架的下部与发动机气阀阀杆相联接，通过电控系统调节电流的方向和大小，实现所需要的气阀运动规律。
本发明的高功率密度的动圈式永磁直线电机可采用圆筒型结构，即线圈组及线圈组骨架、内磁轭、内永磁体组、外永磁体组、外磁轭均采用同轴心线的圆筒形，也可以采用扁平型等结构形式。
本发明的高功率密度的动圈式永磁直线电机的内永磁体组与外永磁体组均采用磁环或磁瓦构成，构成Halbach阵列的永磁体相互间可为平行关系或成一定角度。
附图2是本发明的永磁体仅设置在线圈组外侧的高功率密度的动圈式永磁直线电机的结构示意图。与实施例1的区别在于只采用外永磁体5，不设置内永磁体。
Claims (4)
1.一种高功率密度的动圈式永磁直线电机，它由线圈组[1]及线圈组骨架[2]、内磁轭[3]、永磁体、外磁轭[6]组成，其特征在于：线圈组由正向绕组线圈及反向绕组线圈组成，线圈组固定在线圈组骨架[2]上，并可在气隙[7]内往复直线运动，线圈组骨架[2]与所驱动的运动部件相联接，通过电控系统调节电流的方向和大小，实现所需要的运动规律，永磁体组设置在线圈组的一侧，或两侧同时设置，设置在线圈组[1]内侧时构成内永磁体[4]，设置在线圈组[1]外侧时构成外永磁体[5]，永磁体组在运动方向上交替采用不同磁化方向的永磁体并构成Halbach阵列。
2.根据权利要求1所述高功率密度的动圈式永磁直线电机，其特征在于：线圈组由2-6个线圈构成，固定在线圈组骨架[2]上。
3.根据权利要求1或2所述高功率密度的动圈式永磁直线电机，其特征在于：采用圆筒形结构，即线圈组及线圈组骨架、内磁轭、永磁体组、外磁轭均采用同轴心线的圆筒形，也可以采用扁平型结构形式。
4.根据权利要求1或2所述高功率密度的动圈式永磁直线电机，其特征在于：永磁体采用磁环或磁瓦构成，构成Halbach阵列的永磁体相互间可为平行关系或成一定角度。
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