CN102306996A - 一种圆筒形直线电机 - Google Patents

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Abstract

一种圆筒形直线电机，由1～50个直线电机单元组成，每个直线电机单元由定子背轭、永磁体、定子铁心、绕组线圈、动子导磁块、动子铁心组成，每个定子铁心由定子齿及定子轭部构成，定子齿上分别放有各相绕组线圈，定子铁心外面是定子背轭，定子背轭与定子铁心相连，两个定子背轭之间是永磁体，永磁体的充磁方向为沿着直线电机的轴线，定子铁心内部为动子，动子铁心表面镶有动子导磁块，定子铁心内表面与动子导磁块表面留有一定的间隙，形成空气隙，动子铁心为导磁介质，可为动子导磁块形成磁通路。本发明具有功率密度高、动子机械强度高、永磁体用量少成本低等优点，可用做油田直线抽油机驱动电机。

Description

一种圆筒形直线电机
技术领域
本发明涉及一种圆筒形直线电机，特别是一种永磁体置于定子上的直线电机，可作为油田直线抽油机驱动电机。
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电机，与“旋转电机+滚珠丝杠”传动方式相比较，可以省去中间转换机构，减少设备占用空间，提高系统效率。作为直线电机的一种结构形式，圆筒形直线电机更具优越性：高运行效率、高功率及力密度、良好的伺服性能、封闭的结构、没有绕组端部及容易克服单边磁拉力、可以做成细长结构。常规的圆筒形直线电机永磁体置于动子上，有效出力的永磁体仅为与定子相对的一小部分，在一个完整的直线电机的冲程中任一块永磁体仅处于定子铁心内部时才会与电枢绕组相互作用产生力矩，在冲程的大部分区域永磁体位于定子区域之外并不会与电枢绕组相互作用产生力矩，如图1所示，永磁体的利用率低，并且永磁体需要一个衬套作为保护，这会导致电机的电磁气隙增大，气隙磁密降低，永磁体置于动子上，绕组产生的磁通要通过永磁体，永磁体磁阻较大，因此绕组产生的磁通受到了很大的削弱；由于存在上述缺陷，因此现有圆筒形直线电机存在永磁体利用率低、功率密度较小等缺点。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供一种永磁体利用率高、功率密度大的圆筒形直线电机。
本发明的技术解决方案为：圆筒形直线电机，由1～50个单体直线电机单元组成，单体直线电机单元由定子背轭、永磁体、定子铁心、绕组线圈、动子导磁块、动子铁心组成，每个定子铁心由定子齿及定子轭构成，每个定子铁心上定子齿的数目为电机相数的2倍，定子齿上分别放有集中式的绕组线圈，定子铁心外部为定子背轭，定子背轭与定子铁心相连，永磁体位于两个定子背轭中间，永磁体为一圆环，沿轴向充磁，采用稀土永磁材料制成，定子铁心内部为动子，定子铁心内表面与动子导磁块外表面留有一定的间隙，形成气隙，动子铁心为导磁介质，可为动子导磁块形成磁通路。
上述方案的原理是：本发明的永磁主磁路为：磁通从永磁体2的N极出发，通过一端定子背轭1、定子铁心3、气隙7、动子导磁块5、动子铁心6到另一端的动子导磁块5、气隙7、定子铁心3、定子背轭1、回到永磁体2的S极，如图2所示。以Y轴上的绕组线圈4产生的磁通为例，其路径为：Y轴方向上的绕组线圈4产生磁通，然后磁通分别穿过与相应定子齿对应的气隙7，然后经过动子导磁块5、动子铁心6，然后到相邻定子齿对应的动子导磁块5，分别穿过气隙后到达相邻的定子齿，最终分别经过定子轭部闭合，如图3所示。绕组线圈所产生的磁通不经过永磁体内部，电枢反应不会影响永磁体，同时绕组线圈磁通的路径中的磁阻变小。圆筒形直线电机产生力矩的原理为：永磁体产生激磁磁通，激磁磁通始终存在且方向不变，但是随着动子位置的变化，激磁磁通切换其路径，使得定子绕组内磁链的大小和方向也发生变化，从而在电机的集中绕组中产生反电势，当绕组接到电源上并根据动子位置适时的控制定子齿上绕组线圈的通断，并产生恒定方向的力矩。动子导磁块排列方式为：动子表面周向相邻两相的动子导磁块沿轴向依次错开τm/m，其中τm为沿轴向相邻2个动子导磁块中心线之间的距离，m为电机绕组相数。以三相电机为例，各相动子导磁块分布如图5所示，相邻两相动子导磁块沿运动方向错开τm/3，沿运动方向A相动子导磁块超前B相动子导磁块τm/3，B相动子导磁块超前C相动子导磁块τm/3，假定A相绕组与A相的动子导磁块相对位置如图4a所示时，此时A相的动子导磁块在运动方向上滞后A相绕组线圈中心线τm/3，B相的动子导磁块在运动方向上超前B相绕组线圈中心线τm/3，如图4c所示，C相动子导磁块中心线与C相绕组线圈中心线对齐，如图4e所示，此时仅A相定子绕组线圈导通，线圈电流产生的磁场使得转子受到沿ωm方向的力，动子沿运动方向平移τm/3后，A相绕组线圈与A相动子导磁块相对位置如图4b所示，此时A相动子导磁块中心线与A相绕组线圈中心线对齐，A相定子绕组线圈关断；B相的动子导磁块在运动方向上滞后B相绕组线圈中心线τm/3，如图4d所示，C相的动子导磁块在运动方向上超前C相绕组线圈中心线τm/3，如图4f所示。在此后的τm/3的动子冲程中，仅B相定子绕组线圈导通，并且在动子沿运动方向再次平移τm/3距离后关断，再接下来的τm/3的动子冲程中仅C相定子绕组线圈导通，三相绕组轮流导通，产生恒定方向的力矩。
本发明与现有技术相比优点在于：本发明将永磁体置于定子上，转子上不再有为保护永磁体而存在的衬套，因此定转子之间的电磁气隙减小，功率密度可得到提高；在传统的圆筒形直线电机中，出力的永磁体仅为动子上与定子相对区域的少数部分，本发明中的永磁体置于定子上，永磁体一直处于与电枢绕组相互作用的状态，永磁体的数量可大大减少，利用率得到提高。
附图说明
图1为常规圆筒形直线电机轴向截面图；
图2为本发明圆筒形直线电机轴向截面图；
图3为本发明圆筒形直线电机轴向端面图；
图4为本发明圆筒形直线电机转矩形成原理图；
图5为本发明圆筒形直线电机动子导磁块分布图；
图6为由2个直线电机单元组成的圆筒形直线电机轴向截面图。
具体实施方式
如图2所示，为本发明的永磁体置于定子上的圆筒形直线电机的单元电机，圆筒形直线电机可由1～50个单元电机组成，一个单元电机组成的圆筒形直线电机由两个定子背轭1、一个永磁体2、2个定子铁心3、1个动子铁心6，以及绕组线圈4和动子导磁块5组成，一个单元电机内的2个定子铁心3的距离为沿轴向相邻2个动子导磁块5距离τm的2倍。单元电机中一个定子铁心相差180度的两个线圈及其在轴向上相应位置的两个线圈(共计4个线圈)构成电机的一相，本实施例中(如图2和图3所示)为一个3相的单元电机，绕组线圈4的数量为12，动子导磁块5的数量根据电机相数、定子极距、电机的冲程确定，为圆筒形直线电机冲程与定子极距的比值的12倍，每个定子铁心3包含定子齿的数量为相数的2倍，分别置有各相绕组线圈4，同属一相的绕组线圈4在定子圆周上相差180°机械角度，同属一相的绕组线圈4的联接方式为串联以保证两个线圈中的电流一致，从而更好的平衡两侧的单边磁拉力；定子铁心3外部为定子背轭1，定子背轭1与定子铁心3相连，在两个定子背轭1中间是永磁体2，定子铁心3的内部是动子，动子表面有动子导磁块5，定子铁心3内表面与动子导磁块5表面留有一定的间隙，形成空气隙7，动子铁心6固定动子导磁块5，并为动子导磁块5提供磁通路。动子表面沿周向相邻两相的动子导磁块5沿运动方向依次错开τm/m，其中τm为沿轴向相邻2个动子导磁块5中心之间的距离，m为电机绕组相数。图6所示的为由2个单元电机组成的圆筒形直线电机。
图3所示为本发明的永磁体置于定子上的圆筒形直线电机的单元电机轴向端面图，本实例以三相电机为例，因此定子齿的数量为6，定子齿上置有绕组线圈4，绕组线圈4为集中式。
图5所示为本发明的永磁体置于定子上的圆筒形直线电机的单元电机动子导磁块5分布图，以三相电机为例，相邻两相的动子导磁块5沿运动方向依次错开τm/3，其中τm为动子表面沿轴向相邻2个动子导磁块5中心线之间的距离。
本发明所用的定子背轭1、动子导磁块5、动子铁心6均用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁，各种碳钢，铸钢，合金钢等磁性材料。定子铁心3可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350等磁性材料冲压叠制而成。永磁体2的材料为磁性能良好的稀土永磁体，永磁体2为一轴向圆环，沿轴向充磁。绕组线圈4用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。

Claims (7)

1.一种圆筒形直线电机，其特征在于：由1～50个直线电机单元组成，直线电机单元由定子背轭(1)、永磁体(2)、定子铁心(3)、绕组线圈(4)、动子导磁块(5)、动子铁心(6)组成，其中定子背轭(1)有两个，两个定子背轭(1)中间为永磁体，定子背轭的径向内侧为定子铁心(3)，每个定子铁心(3)由定子齿及定子轭构成，定子齿上分别放有绕组线圈(4)，定子铁心(3)内侧为动子，动子由动子导磁块(5)和动子铁心(6)组成，定子铁心(3)内表面与动子导磁块(5)外表面留有一定的间隙，形成气隙(7)，动子铁心(6)为导磁介质，可为动子导磁块(5)形成磁通路。
2.根据权利要求1所述的圆筒形直线电机，其特征在于：所述的绕组线圈(4)为集中式。
3.根据权利要求1所述的圆筒形直线电机，其特征在于：所述的定子铁心(3)上定子齿的数量为电机相数的2倍。
4.根据权利要求1所述的圆筒形直线电机，其特征在于：所述的永磁体(2)为一圆环，沿轴向充磁。
5.根据权利要求1所述的圆筒形直线电机，其特征在于：所述的永磁体(2)采用稀土永磁材料制成。
6.根据权利要求1所述的圆筒形直线电机，其特征在于：所述的2个定子铁心(3)在轴向上的距离τ。为沿轴向相邻2个动子导磁块(5)距离τm的2倍。
7.根据权利要求1所述的圆筒形直线电机，其特征在于：所述的动子导磁块(5)排列方式为：动子表面周向相邻两相的动子导磁块(5)沿轴向依次错开τm/m，其中τm为沿轴向相邻2个动子导磁块(5)中心线之间的距离，m为电机绕组相数。
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