CN102938603A - 模块化c型定子铁芯的圆筒型永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于小型直线推进系统中的模块化C型定子铁芯的圆筒型永磁直线电机，内定子环由电枢绕组、非导磁材料制成的磁障、导磁材料制成的结构相同的两C型铁芯组成，两C型铁芯中间固定夹有磁障、沿轴向排列、与外动子环之间间隙相同；两C型铁芯均具有一个C型槽，C型槽的开口处朝向外动子环，每个C型槽中嵌有一套电枢绕组；两C型铁芯的轴向长度为一个动子极距，磁障的轴向宽度为一个动子极距的1/4；两个模块化C型铁芯结构与动子产生相位相反的定位力，实现定位力抵消；两相绕组之间达到物理上电路、温度的隔离效果，可实现带故障运行；磁障使得两个模块化C型铁芯物理上隔离，磁路上解耦，提高电机运行的容错性。

Description

模块化C型定子铁芯的圆筒型永磁直线电机

技术领域

本发明涉及应用于小型直线推进系统中的直线电机，例如应用于人工心脏泵等。

背景技术

直线电机是直接将电能转化为直线运动的机械能的电机，不需要中间传动机构，在提高可靠性运行的同时节约制造成本，因此能替代旋转电机而广泛应用于直线运动的场合。目前，小型直线电机已应用于人工心脏直线推进系统中，人工心脏狭小的空间对电机的体积有较高要求，需要电机在有限的空间里面具有较高的、较为平稳的推力密度，同时能减小电机的推力脉动，能提供较大、较为平稳的推力。另外，在应用时，对于电机的可靠性要求比较高，因为电机的可靠性直接关系到病人的生命安全，所以，需要设计出高可靠性的直线电机。同时，还要求电机重量轻，以方便病人的日常生活，减轻病人负担。

直线振荡电机和混合式电机已被应用于人工心脏这种小型的直线运动的场合，在文献“Electromagnetic modeling of a novel linear oscillating”中（公开发表于2008年11月IEEE Transactions on Magnetics卷44，期11，页3855-3858），提出了一种单相的振荡电机，振荡电机一般工作于半个极距范围内，其电磁推力在半个极距的中间一段距离中较为平稳，所以单相电机多作为振荡电机使用，但是其缺陷是需要安装弹簧来完成往复运动，而弹簧的使用寿命有限，直接威胁着电机的使用寿命。然后，两相直线电机不同于单相电机，可以在一个极距的距离范围内提供平稳的电磁推力，所以，两相直线电机可以不需要弹簧来完成往复运动，可将两相直线电机应用于需要高可靠性的场合。

参见图1，图1示出了一种传统E型定子铁芯的冗余式圆筒型永磁直线电机的主视半剖视图，该电机由外动子环1’和内定子环2’组成；外动子环1’由Halbach阵列永磁体环3’组成，其中径向充磁的永磁体轴向宽度为轴向充磁的永磁体宽度的2倍；内定子环2’由初级E型铁芯4’和电枢绕组5’组成；E型铁芯4’的两个槽中分别嵌有两套圆饼状的电枢绕组5’，形成A、B两相电机。E型铁芯4’的两个槽的槽距与动子极距的比为5/4，以保证两相绕组之间相差电角度90°。这种传统E型定子铁芯的两相圆筒型永磁直线电机，动子永磁体采用Halbach阵列，由于Halbach阵列的磁场主要在动子的一侧，即图1结构中显示为磁场主要分布于动子（永磁体环）的内侧经过E型定子铁芯形成磁回路，而动子（永磁体环）外侧磁场分布很少，省去了动子（永磁体环）外侧的铁芯，该电机的动子仅由永磁体构成，永磁体外面没有铁芯等导磁材料，从而减小了电机的重量。然而，其内部结构之间不能实现定位力的互补抵消，其定位力较大，严重影响了电机的推力性能。而且，该电机定子中间齿和边端齿的磁路不对称，中间齿上无边端效应，而两端齿上有边端效应，所以使得产生的反电势波形正负半周不对称，导致原本应该相差90°电角度的两相反电势会发生相移，使得两相反电势相差的电角度实际上并不是90°。

专利公开号为CN 101860174 A中提出了用模块化结构来实现定位力的抵消，利用两个相差180°电角度的模块分别与动子相互作用产生两个相位相差180°的定位力，从而实现定位力的抵消。通过添加与其相位相反的模块来实现抵消功能，就是引入另外一个E型铁芯，使两个E型铁芯相差180°电角度，增加了额外的、与原有结构相位相反的结构，必然导致了电机轴向长度增加一倍以上，造成电机长度的增加，这不适宜于体积限制要求较高的场合。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术缺陷而提供一种模块化C型定子铁芯的圆筒型永磁直线电机，能够在不改变传统的E型定子结构的电机轴向长度的情况下，减小定位力，实现定位力最小化，提高推力性能。

  为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包括外动子环和内定子环，内定子环由电枢绕组、非导磁材料制成的磁障、导磁材料制成的第一、第二C型铁芯组成；第一、第二C型铁芯的结构相同、中间固定夹有磁障、沿轴向排列、与外动子环之间的间隙相同；第一、第二C型铁芯均具有一个C型槽，C型槽的开口处朝向外动子环，每个C型槽中嵌有一套电枢绕组；第一、第二C型铁芯的轴向长度为一个动子极距，磁障的轴向宽度为所述一个动子极距的1/4。

本发明的有益效果是：

 1、本发明将原有E型定子结构电机中的一个E型铁芯拆分为两个模块化的C型铁芯，充分利用原有的铁芯来分隔成两个C型模块，两相绕组仍然置于两个C型槽中，两个模块化C型铁芯结构与动子产生相位相反的定位力，虽然构成两相的两个模块化C型定子铁芯相差90°电角度，但是由于一个模块与动子产生的定位力在一个电周期当中变化两个周期，所以，两个相差90°电角度的模块可以使产生的定位力相差180°电角度，相位相反，两者叠加抵消形成电机总定位力，从而实现定位力抵消，在不改变原有的两相绕组相差90°电角度的基础上，达到减小电机总的定位力的效果，实现两个模块产生的定位力的相互抵消，减小推力脉动，提高电机推力性能，可以满足小体积、大推力密度的应用需求，同时提高了运行的可靠性。 

2、本发明的内定子环上的两套绕组分别嵌在两个槽中，使得两相绕组之间达到物理上电路、温度的隔离的效果，当其中一相因为短路而导致温度急速上升时，另外一相绕组不会受到影响，可实现带故障运行，增强可靠性。

3、本发明的内定子环由两个相同的模块化结构和中间夹磁障构成，磁障的引入使得两个模块化结构物理上隔离，磁路上解耦，形成两个相互独立的模块，提高电机运行的容错性。

4、本发明形成的两个模块化C型结构的4个定子齿都是边端齿，虽然都存在边端效应，但是磁路上是对称的，所以，反电势正负半周是对称的，而且两相反电势相差90°电角度，没有相移的情况发生。

5、本发明的内定子环模块化组装结构方便了生产加工，提高了生产效率，且方便产品使用时的组装。

6、本发明也可应用于动子永磁体结构为轴向充磁的电机。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为背景技术中所述的E型定子铁芯的两相圆筒型永磁直线电机主视半剖视图；

图2为本发明的结构主视半剖视图；

图3是图1所示的传统E型定子铁芯的两相圆筒型永磁直线电机在空载动子速度为0.1m/s时的两相反电势图；

图4是图2所示的本发明在空载动子速度为0.1m/s时的两相反电势图；

图5是图1所示电机和图2所示的本发明的定位力对比图；

图6是图2所示的本发明所产生的定位力及其叠加抵消形成的总定位力的效果图；

图7是图2所示的本发明所产生的定位力和推力的对比图；

图中：1外动子环；2内定子环；3永磁体环；4第一C型铁芯；5电枢绕组；6磁障；8第二C型铁芯。

具体实施方式

参见图2，本发明包括外动子环1和内定子环2，外动子环1由Halbach阵列永磁体环3组成，两块径向充磁方向相反的永磁体中间夹一块轴向充磁的永磁体，且相邻两块轴向充磁的永磁体充磁方向也相反。其中径向充磁的永磁体轴向宽度是轴向充磁的永磁体轴向宽度的2倍。

内定子环2由第一C型铁芯4、第二C型铁芯8、电枢绕组5和磁障6组成。第一C型铁芯4和第二C型铁芯8均由导磁材料制作而成，可采用冲片叠压而成，磁障6由非导磁材料制作而成。 

第一C型铁芯4、磁障6、第二C型铁芯8沿轴向排列，并且三者与外动子环1之间的间隙相同，第一C型铁芯4和第二C型铁芯8为模块化结构，两者的结构及布置方式完全相同，第一C型铁芯4和第二C型铁芯8中间固定夹有磁障6，第一C型铁芯4和第二C型铁芯8 均具有一个C型槽7，C型槽7的开口处均朝向外动子环1。电枢绕组5呈圆饼状，嵌于C型槽7中，且每一个C型槽7中嵌有一套绕组，构成A、B两相。第一C型铁芯4和第二C型铁芯8的轴向长度均为一个动子极距L，中间夹着的磁障6的轴向宽度M为一个动子极距L的1/4，中间磁障6的径向高度H与第一C型铁芯4和第二C型铁芯8的径向高度一致，从而使得A、B两相相间电角度为90°。采用这种模块化的定子结构，达到了物理上和结构加工上的模块化，以及磁路上的模块化。

参见图3的传统E型定子铁芯的两相圆筒型永磁直线电机在空载动子速度为0.1m/s时的两相反电势图，从图3可见，反电势的波形正半周和负半周不对称，并且两相反电势之间相差的电角度为65°，不是90°。这是由于每相绕组的相邻两边两个定子齿（如图1所示的定子齿和边端齿）上磁路不对称，一个齿位于定子中部，不受边端效应影响，一个齿位于定子的端部，受到边端效应的影响，使得两个齿上磁路不对称。

参见图4的本发明在空载动子速度为0.1m/s时的两相反电势图，从图4可见，两相反电势的波形正半周和负半周对称，并且两相反电势之间相差90°电角度。这是由于每个C型槽7的中电枢绕组5相邻的两个定子齿均为边端齿，磁路上对称。

参见图5中传统型电机和本发明电机的定位力对比图，从图5可见，传统E型铁芯定子电机产生的定位力较大，而本发明的定位力明显减小，仅为传统型的7.8%，本发明定位力减小的效果很明显，可实现定位力最小化。

参见图6中本发明中两个模块分别产生的定位力和它们叠加抵消形成的电机总定位力的效果图，从图6可见，本本发明总的定位力是两个模块化结构所分别产生的相位相反的定位力相互叠加抵消的结果，所以，本发明的定位力可以实现最小化。

直线电机所产生的推力包括三个部分：电磁推力、定位力和磁阻力。其中，定位力的波动是产生推力脉动的主要因素。那么减小定位力，实现定位力的最小化是电机提供较为平稳推力的一个重要的手段。参见图7中本发明所产生的定位力和推力的对比图，从图7可以看出，推力脉动为18N，定位力脉动为16N，引起推力脉动的主要因素为定位力。

Claims (3)

1.一种模块化C型定子铁芯的圆筒型永磁直线电机，包括外动子环（1）和内定子环（2），其特征是：内定子环（2）由电枢绕组（5）、非导磁材料制成的磁障（6）、导磁材料制成的结构相同的第一、第二C型铁芯（4、8）组成；第一、第二C型铁芯（4、8）的中间固定夹有磁障6、沿轴向排列、与外动子环1之间的间隙相同；第一、第二C型铁芯（4、8）均具有一个C型槽（7），C型槽（7）的开口处朝向外动子环（1），每个C型槽（7）中嵌有一套电枢绕组（5）；第一、第二C型铁芯（4、8）的轴向长度为一个动子极距，磁障（6）的轴向宽度为所述一个动子极距的1/4。

2.根据权利要求1所述的模块化C型定子铁芯的圆筒型永磁直线电机，其特征是：磁障（6）的径向高度与第一、第二C型铁芯（4、8）的径向高度相同。

3.根据权利要求1所述的模块化C型定子铁芯的圆筒型永磁直线电机，其特征是：外动子环（1）由Halbach阵列永磁体环（3）组成，两块径向充磁方向相反的永磁体中间夹有一块轴向充磁的永磁体，且相邻两块轴向充磁的永磁体充磁方向相反，径向充磁的永磁体轴向宽度是轴向充磁的永磁体轴向宽度的2倍。

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