CN103560646B - 一种永磁环动子圆筒形直线开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁环动子圆筒形直线开关磁阻电机，它包括定子筒和动子筒，定子筒包括定子导磁环和非导磁定子套筒，定子导磁环固定在定子非导磁定子套筒上，或与定子非导磁套筒同轴拼接构成定子筒；动子筒包括动子铁心，动子铁心一次成型或者有多个部分沿轴向拼接而成，动子铁心上设有动子齿、环形动子槽和动子轭部，环形动子槽内安放有一套动子绕组和一个永磁环。本发明电机采用永磁环与动子绕组共同提供励磁磁场，提高了有效磁通利用率，省去定子轭部，降低了制造电机铁心材料的用量，提高了铁心材料的利用率，动子槽省去相间绝缘，简化了制造工艺，提高了槽利用率，具有推进力密度高和结构简单可靠等优点。

Description

一种永磁环动子圆筒形直线开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及一种圆筒形电机，尤其涉及一种永磁环动子圆筒形直线开关磁阻电机。

背景技术

直线电机将电能直接转化为直线运动的机械能，不仅省略了中间传动机构，而且降低了系统损耗，非常适用于直线直驱式系统。

圆筒形直线电机为封闭的圆筒形机械结构，由于电机铁心是闭合的，没有横向开断，不存在横向边缘效应，电机内磁场沿圆周均匀连续分布，推进力密度高。圆筒形直线电机内定子槽为环形，电机绕组为同心绕组，没有端部绕组，绕组利用率高，运行时铜耗低，有利于提高电机效率。此外，由于圆筒形直线电机为封闭结构，电机内定动子之间的法向磁拉力相互抵消，当电枢绕组通入电流时，定子磁场和动子磁场通过相互作用产生轴向电磁推力，实现电能和机械动能的转化。

圆筒形直线电机与平板形直线电机的工作原理和内在电磁场分布均不相同，与平板形直线电机相比，圆筒形直线电机具有以下显著优点：

1、电机结构简单，密封性能好，运行时不受离心力影响；

2、电机内没有横向开断，磁路连续，没有横向边缘效应，运行性能好；

3、绕组为同心盘式绕组，没有端部绕组，绕组利用率高；

4、电机为封闭的圆筒结构，有效克服法向磁拉力；

5、电机密封性能好，与开放式的平板形直线电机相比，不易受到外界灰尘的干扰，运行稳定性好，维护成本低。

圆筒形直线开关磁阻电机制造成本低，运行可靠性高，具有在各种恶劣条件下运行的优势，维护成本低，整个系统效率高于圆筒形直线感应电动机。但由于磁阻转矩的特性，电机推进力密度较低，因此，提高圆筒形直线电机的推进力密度，是亟待解决的问题。另外，现有圆筒型直线开关磁阻电机存在动子轭部，电机动子重量大，绕组通电时只有一部分磁路被有效利用，电机铁磁材料利用率低，功率密度和推进力密度低。此外，在很多应用场合，直线电机运行速率较低，属于低速大推进力驱动系统，电机运行时漏磁大，铜耗高，导致电机效率较低。

在圆筒形直线开关磁阻电机中，采用导磁环结构可以省去铁心轭部，减小动子质量，提高推进力密度，但依旧存在漏磁大、有效磁通利用率低和铜耗高的缺点。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种永磁环动子圆筒形直线开关磁阻电机，它具有减小电机漏磁，提高有效磁通利用率，提高直线电机的推进力密度，提高绕组利用率和铁心材料利用率，减少动子质量，提高系统动态响应能力等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种永磁环动子圆筒形直线开关磁阻电机，它包括定子筒和动子筒，所述定子筒包括定子导磁环和非导磁定子套筒，所述定子导磁环固定在非导磁定子套筒上，或与非导磁定子套筒同轴拼接构成定子筒；所述动子筒包括动子铁心，所述动子铁心一次成型或者有多个部分沿轴向拼接而成，所述动子铁心上设有动子齿、环形动子槽和动子轭部，环形动子槽内安放有一套动子绕组和一个永磁环，所述永磁环安装在环形动子槽的槽口处，永磁环由高性能永磁材料制成，永磁环沿轴向充磁，相邻两个永磁环的充磁方向相反，所述动子绕组为同心共轴绕组，围绕定子筒中轴线缠绕；

所述动子绕组一个线圈所在动子槽中心线与一个定子导磁环中心线对齐时，属于同一相的另外一个线圈所在动子槽中心线与另一个定子导磁环中心线对齐；

所述电机动子极数Pt和定子极数Ps满足以下条件：

Pt＝n*m，Ps＝n*m+n或Ps＝n*m-n；

动子筒包含的齿数Nt满足下列条件：

Nt＝n*m+1；

动子筒所包含的环形动子槽数Qs满足下列条件：

Qs＝n*m；

永磁环的个数Nm满足以下条件：

Nm＝n*m；

定子筒所包含的导磁环数由定子筒的长度决定，

当定子极数Ps＝n*m+n时，定子筒所包含的最少导磁环数Ns满足：Ns＝n*m+n+1；

当定子极数Ps＝n*m-n时，定子筒所包含的最少导磁环数Ns满足：Ns＝n*m-n+1；

其中，m为电机的相数，m为大于等于2的自然数；n为大于等于1的自然数。

所述定子筒和动子筒同轴，动子筒安放在定子筒内侧。

所述定子导磁环和非导磁定子套筒沿轴向均匀分布。

所述非导磁定子套筒由非导磁材料制成。

所述非导磁材料为铝合金或有机塑材。

所述定子导磁环由高导磁率材料制成。

所述定子筒和动子筒之间设有环形空气隙。

所述永磁环的材料为钕铁硼或者稀土钴。

本发明电机包括定子筒和动子筒，两者同轴安装，定子筒在外，动子筒在内，两者之间设有均匀的环形气隙，定子筒包括非导磁定子套筒和若干定子导磁环，定子导磁环沿轴向均匀固定在非导磁定子套筒上或与非导磁定子套筒拼接而成，定子导磁环的形状和相互间距均相等，所述动子筒包括动子铁心和动子槽，所述动子铁心可以一次成型或由多个部分沿轴向拼接而成，动子槽为环形，环形动子槽内安放有永磁环和动子绕组，所述永磁环安放在环形动子槽的槽口处，永磁环由高性能永磁材料制成，永磁环沿轴向充磁，相邻两个永磁环的充磁方向相反，所述动子绕组为同心绕组，围绕动子筒的轴中心线缠绕，每个环形动子槽内的绕组为一个线圈，每相绕组由多个线圈组成。

设电机的相数为m，m为大于等于2的自然数，电机动子极数Pt和定子极数Ps满足以下条件：

Pt＝n*m，Ps＝n*m+n或Ps＝n*m-n(1)

其中，n为大于等于1的自然数。

动子筒包含的齿数Nt满足下列条件：

Nt＝n*m+1(2)

其中，n为大于等于1的自然数。

动子筒所包含的环形动子槽数Qs满足下列条件：

Qs＝n*m(3)

其中，n为大于等于1的自然数。

永磁环的个数Nm满足以下条件：

Nm＝n*m(5)

其中，n为大于等于1的自然数。

定子筒所包含的导磁环数由定子筒的长度决定，定子筒所包含的最少导磁环数Ns满足下列条件：

Ns＝n*m+n+1或Ns＝n*m-n+1(4)

其中，n为大于等于1的自然数。

本发明的工作原理：所述电机环形动子槽内安放有沿轴向充磁的永磁环，由于相邻两个永磁环的充磁方向相反，当动子绕组线圈中没有电流通过时，永磁环产生的磁通主要经过动子齿在动子铁心内闭合，只有少部分磁通经过环形空气隙到达定子筒，形成漏磁通。动子绕组为同心绕组，当动子绕组线圈通有电流时，同心线圈中将会产生沿轴向的磁通，所产生的磁通驱使永磁环产生的磁通经环形空气隙进入定子筒，由于定子导磁环由高导磁率材料制成，导磁率很高，当所述电机动子绕组所在环形动子槽的中心线与某个定子导磁环中心线对齐时，永磁环所产生的磁通经过动子齿进入空气隙，通过定子导磁环闭合，在此位置下，该永磁环产生的磁通对应的磁路磁阻最小，动子绕组交链的磁链最大；当该动子绕组所在环形动子槽中心线与定子两个导磁环之间的非导磁定子套筒中心线对齐时，此时永磁环产生磁通经由动子齿进入空气隙，通过非导磁定子套筒闭合，由于非导磁定子套筒导磁率很低，永磁环产生的磁通对应的磁路磁阻最大，绕组交链的磁链最小。根据磁阻最小原理，磁路磁阻的变化会产生推进力，当持续不断的给动子绕组线圈通电时，便可通过在定子和动子之间产生持续的推进力并将电能转换为机械动能。

本发明的有益效果：

本发明电机中的动子上安放有永磁环，由于永磁环安放在环形动子槽的槽口处，当动子绕组通电时，动子绕组产生的磁通将驱使永磁环产生的磁通经过环形空气隙进入定子筒，从而形成有效磁通，由于永磁环的导磁率很低，因此有效减小了电机运行时动子绕组产生的漏磁通，提高了电机有效磁通的利用率。当动子绕组线圈通电时，动子绕组线圈产生的磁通将经由动子绕组线圈所在环形动子槽两侧的动子齿和定子导磁环闭合，由于磁通与环形动子槽两侧的动子齿均产生交链，能够交链更多的有效磁通，与现有圆筒形直线开关磁阻电机相比，本发明电机具有更高的推进力密度。由于本发明电机省去了定子轭部，降低了制造电机铁心材料的用量，提高了材料的利用率；每个环形动子槽内只安放有一套绕组，省去了相间绝缘，与现有直线开关磁阻电机相比，简化了电机制造工艺，提高了槽利用率；动子绕组为同心共轴绕组，围绕定子轴中心线缠绕，省去了绕组端部，提高了铜材料的利用率和电机运行时的效率。本发明电机为圆筒形结构，密封性能好，结构简单可靠，功率密度高，能够满足高速往复驱动的直线运动场合。

附图说明

图1为本发明电机实施方式1轴截面图；

图2为本发明电机实施方式2轴截面图；

图3为本发明电机剖面结构示意图。

其中，1.非导磁定子套筒，2.定子导磁环，3.动子铁心，4.环形动子槽，5.动子绕组，6.环形空气隙，7.永磁环。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

如图1所示，本实施例电机相数m＝3，动子极数Pt＝6，定子极数Ps＝4，动子筒所包含的动子齿数Nt＝7，动子筒所包含的环形动子槽数为Qs＝6，动子筒所包含的永磁环为Nm＝6，定子筒所包含的导磁环数为Nr≥5。本实施例包括非导磁定子套筒1，非导磁定子套筒1内安放有定子导磁环2，定子导磁环2沿轴向均匀固定在非导磁定子套筒1的内部，定子导磁环2的轴向截面为梯形，底部加工成特殊形状以便与非导磁定子套筒1固定，在非导磁定子套筒1的内侧设有动子铁心3，动子铁心3和非导磁定子套筒1同轴安装，动子铁心3由多个部分沿轴向拼接而成，非导磁定子套筒1和动子铁心3之间有环形空气隙6，动子铁心3上有环形动子槽4，环形动子槽4内安放有动子绕组5和永磁环7，永磁环7安放在环形动子槽的槽口处，永磁环7由高性能永磁材料制成，永磁环7沿轴向充磁，相邻两个永磁环的充磁方向相反，动子铁心3和永磁环7以及动子绕组5沿轴向相互拼接形成动子筒，动子绕组5为同心线圈，同一环形动子槽4内的绕组为一个线圈，当该线圈所在环形动子槽4的中心线与一个定子导磁环2的中心线对齐时，与之相邻的同相绕组的另外一个线圈所在动子槽的中心线与另一个定子导磁环2的中心线对齐。

实施例二：

如图2所示，实施例二与实施例一的区别在于：1)电机的定子和动子极数不相同；2)定子导磁环和非导磁定子套筒的安装方式不同；3)动子铁心的成型方式不同；4)永磁环的形状不相同。本实施例电机相数m＝4，动子极数Pt＝8，定子极数Ps＝6，动子筒所包含的动子齿数Nt＝9，动子筒所包含的环形动子槽数为Qs＝8，动子筒所包含的永磁环为Nm＝8，定子筒所包含的导磁环数为Nr≥7。本实施例包括非导磁定子套筒1，非导磁定子套筒1内安放有定子导磁环2，定子导磁环2与非导磁定子套筒1沿轴向拼接而成，定子导磁环2的轴向截面为梯形，在非导磁定子套筒1的内侧设有动子铁心3，动子铁心3和非导磁定子套筒1同轴安装，动子铁心3由模具一次成型，非导磁定子套筒1和动子铁心3之间有环形空气隙6，动子铁心3上有环形动子槽4，环形动子槽4内安放有动子绕组5和永磁环7，永磁环7安放在动子槽的槽口处，永磁环7由高性能永磁材料制成，永磁环7沿轴向充磁，相邻两个永磁环的充磁方向相反，动子绕组5为同心线圈，同一环形动子槽4内的绕组为一个线圈，当该线圈所在环形动子槽4的中心线与一个定子导磁环2的中心线对齐时，与之相邻的同相绕组的另外一个线圈所在动子槽的中心线与另一个定子导磁环2的中心线对齐。

图3所示为本发明的电机剖面示意图。

本说明书中提及的定子和动子是为了描述方便定义，本发明电机的定子和动子做相对直线运动，实际应用中，可以将动子固定，定子作直线运动，其机械结构和工作原理与本发明完全一致，也在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种永磁环动子圆筒形直线开关磁阻电机，它包括定子筒和动子筒，其特征是，所述定子筒包括定子导磁环和非导磁定子套筒，所述定子导磁环固定在非导磁定子套筒上，或与非导磁定子套筒同轴拼接构成定子筒；所述动子筒包括动子铁心，所述动子铁心一次成型或者有多个部分沿轴向拼接而成，所述动子铁心上设有动子齿、环形动子槽和动子轭部，环形动子槽内安放有一套动子绕组和一个永磁环，所述永磁环安装在环形动子槽的槽口处，永磁环由高性能永磁材料制成，永磁环沿轴向充磁，相邻两个永磁环的充磁方向相反，所述动子绕组为同心共轴绕组，围绕定子筒中轴线缠绕；

所述动子绕组一个线圈所在动子槽中心线与一个定子导磁环中心线对齐时，属于同一相的另外一个线圈所在动子槽中心线与另一个定子导磁环中心线对齐；

所述电机动子极数Pt和定子极数Ps满足以下条件：

Pt＝n*m，Ps＝n*m+n或Ps＝n*m-n；

动子筒包含的齿数Nt满足下列条件：

Nt＝n*m+1；

动子筒所包含的环形动子槽数Qs满足下列条件：

Qs＝n*m；

永磁环的个数Nm满足以下条件：

Nm＝n*m；

定子筒所包含的导磁环数由定子筒的长度决定，

当定子极数Ps＝n*m+n时，定子筒所包含的最少导磁环数Ns满足：Ns＝n*m+n+1；

当定子极数Ps＝n*m-n时，定子筒所包含的最少导磁环数Ns满足：Ns＝n*m-n+1；

其中，m为电机的相数，m为大于等于2的自然数；n为大于等于1的自然数。

2.如权利要求1所述的一种永磁环动子圆筒形直线开关磁阻电机，其特征是，所述定子筒和动子筒同轴，动子筒安放在定子筒内侧。

3.如权利要求1所述的一种永磁环动子圆筒形直线开关磁阻电机，其特征是，所述定子导磁环和非导磁定子套筒沿轴向均匀分布。

4.如权利要求1所述的一种永磁环动子圆筒形直线开关磁阻电机，其特征是，所述非导磁定子套筒由非导磁材料制成。

5.如权利要求4所述的一种永磁环动子圆筒形直线开关磁阻电机，其特征是，所述非导磁材料为铝合金或有机塑材。

6.如权利要求1所述的一种永磁环动子圆筒形直线开关磁阻电机，其特征是，所述定子导磁环由高导磁率材料制成。

7.如权利要求1所述的一种永磁环动子圆筒形直线开关磁阻电机，其特征是，所述定子筒和动子筒之间设有环形空气隙。

8.如权利要求1所述的一种永磁环动子圆筒形直线开关磁阻电机，其特征是，所述永磁环的材料为钕铁硼或者稀土钴。