CN103560647B - 一种永磁环定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定子圆筒形直线开关磁阻电机，它包括动子筒和动子筒，动子筒包括动子导磁环和非导磁动子套筒，动子导磁环固定在动子非导磁动子套筒上，或与动子非导磁套筒同轴拼接构成动子筒；动子筒包括定子铁心，定子铁心一次成型或者有多个部分沿轴向拼接而成，所述定子铁心上设有动子齿、环形定子槽和动子轭部。本发明电机采用永磁环与定子绕组共同提供励磁磁通，提高了有效磁通利用率，省去动子轭部，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，环形定子槽内只安放有一套绕组，省去了相间绝缘，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

一种永磁环定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定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。

平板形直线电机为两端开断的开放式平板结构，电机铁心两侧存在横向开断，有明显的横向边缘效应，造成电机内磁场分布不连续，影响电机的运行性能。平板形直线电机的绕组方式与旋转电机类似，存在端部绕组，当铁心长度较长并采用分布式绕组形式时，绕组利用率低，铜耗增加，降低了电机的运行性能。平板形直线电机除了产生直线推进力之外，还会在定子和动子之间产生法向磁拉力，加重导轨负荷，降低导轨的使用寿命。

圆筒形直线电机的机械结构、工作原理和性能特点与平板形直线电机完全不相同，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，因此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。

由于工作原理和内在电磁场分布的不同，适用于平板形直线电机的技术方案不能直接应用于圆筒形直线电机中。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。

在直线开关磁阻电机中，一般将安装有绕组的一侧固定不动，没有绕组的一侧作为动子，可以省去直线运动部分的电源缆线，进而简化电机的结构，提高驱动系统运行的稳定性。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，提供一种永磁环定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：

一种永磁环定子圆筒形直线开关磁阻电机，它包括动子筒和定子筒，所述动子筒包括动子导磁环和非导磁动子套筒，所述动子导磁环固定在非导磁动子套筒上，或与非导磁动子套筒同轴拼接构成动子筒；所述定子筒包括定子铁心，所述定子铁心一次成型或者由多个部分沿轴向拼接而成，所述定子铁心上设有定子齿、环形定子槽和定子轭部，环形定子槽内安放有一套定子绕组和一个永磁环，所述永磁环安放在环形定子槽的槽口处，所述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，所述定子绕组为同心共轴绕组，围绕动子筒中轴线缠绕；

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

所述电机动子极数Ps和定子极数Pt满足以下条件：

Pt＝n*m，Ps＝n*m+n或Ps＝n*m-n；

定子筒所包含的齿数由定子筒的长度决定，定子筒所包含的最少定子齿数Nt满足下列条件：

Nt＝n*m+1；

定子筒所包含的最少环形定子槽数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；

动子筒所包含的动子导磁环数由动子长度决定，

当动子极数Ps＝n*m+n时，动子筒所包含的最少动子导磁环数Ns满足：Ns＝n*m+n+1；

当动子极数Ps＝n*m-n时，动子筒所包含的最少动子导磁环数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。

所述动子筒和定子筒同轴，动子筒安放在定子筒内侧。

所述动子导磁环和非导磁动子套筒沿轴向均匀分布。

所述非导磁动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。

所述动子导磁环由高导磁率材料制成。

所述动子筒和定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。

所述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，所述动子筒包括非导磁动子套筒和若干动子导磁环，动子导磁环沿轴向均匀固定在非导磁动子套筒上或与非导磁动子套筒拼接而成，动子导磁环的形状和相互间距均相等，定子筒包括定子铁心和定子槽，所述定子铁心可以一次成型或由多个部分沿轴向拼接而成。所述定子槽为环形，环形定子槽内安放有永磁环和定子绕组，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，所述线圈为同心线圈，围绕定子轴中心线缠绕，每个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Ps和定子极数Pt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。

定子筒所包含的齿数由定子筒的长度决定，定子筒所包含的最少定子齿数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。

定子筒所包含的最少环形定子槽数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(4)

其中，n为大于等于1的自然数。

动子筒所包含的动子导磁环数由动子长度决定，所包含的最少动子导磁环数Ns满足下列条件：

Ns＝n*m+n+1或Ns＝n*m-n+1(5)

其中，n为大于等于1的自然数。

本发明的工作原理：所述电机环形定子槽内安放有沿轴向充磁的永磁环，永磁环安放在环形定子槽的槽口处，由于相邻两个永磁环的充磁方向相反，当定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定子齿在定子铁心内闭合，只有少部分磁通经过环形空气隙到达动子筒，形成漏磁通。定子绕组为同心绕组，当定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动子筒，由于动子导磁环由高导磁率材料制成，导磁率很高，当所述电机定子绕组所在环形定子槽的中心线与某个动子导磁环中心线对齐时，永磁环所产生的磁通经过定子齿进入空气隙，通过动子导磁环闭合，在此位置下，该永磁环产生的磁通对应的磁路磁阻最小，定子绕组交链的磁链最大；当该定子绕组所在环形定子槽中心线与动子两个导磁环之间的非导磁动子套筒中心线对齐时，此时永磁环产生磁通经由定子齿进入空气隙，通过非导磁动子套筒闭合，由于非导磁动子套筒由非导磁材料制成，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，当持续不断的给定子绕组线圈通电时，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：

本发明电机中的定子安放有永磁环，当定子绕组通电时，定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动子筒，由于永磁环的导磁率很低，因此有效减小了电机运行时的漏磁通，提高了电机有效磁通的利用率。当定子绕组线圈通电时，定子绕组线圈产生的磁通将经由定子绕组线圈所在环形定子槽两侧的定子齿和动子导磁环闭合，由于绕组产生的磁通与环形定子槽两侧的定子齿均产生交链，因此绕组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动子轭部，降低了制造电机铁心材料的用量，提高了材料的利用率；每个环形定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；定子绕组为同心共轴绕组，围绕定子筒轴中心线缠绕，省去了绕组端部，提高了铜材料的利用率；采用圆筒形结构，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.非导磁动子套筒，2.动子导磁环，3.定子铁心，4.环形定子槽，5.定子绕组，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，定子极数Pt＝6，动子极数Ps＝4，定子筒所包含的齿数为Nt＝7，定子筒包含的环形定子槽数为Qs＝6，永磁环数Nm＝6，动子筒所包含的导磁环数为Ns≥5。本实施例包括非导磁动子套筒1，非导磁动子套筒1内安放有动子导磁环2，动子导磁环2沿轴向均匀固定在非导磁动子套筒1的内部，动子导磁环2的轴向截面为梯形，底部加工成特殊形状以便与非导磁动子套筒1固定，在非导磁动子套筒1的外侧设有定子铁心3，定子铁心3和非导磁动子套筒1同轴安装，定子铁心3由多个部分沿轴向拼接而成，非导磁动子套筒1和定子铁心3之间有环形空气隙6，定子铁心3上有环形定子槽4，环形定子槽4内安放有定子绕组5和永磁环7，永磁环7安放在定子槽的槽口处，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，定子绕组5为同心线圈，同一环形定子槽4内的绕组为一个线圈，当该线圈所在环形定子槽4的中心线与一个动子导磁环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定子槽的中心线与另一个动子导磁环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)电机的动子和动子极数不相同；2)动子导磁环和非导磁动子套筒的安装方式不同；3)定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，定子极数Pt＝8，动子极数Ps＝6，定子筒所包含的定子齿数Nt＝9，动子筒包含的环形定子槽数Qs＝8，永磁环数Nm＝8，动子筒所包含的导磁环数为Ns≥7，本实施例包括非导磁动子套筒1，动子导磁环2与非导磁动子套筒1沿轴向拼接而成，动子导磁环2的轴向截面为梯形，在非导磁动子套筒1的外侧设有定子铁心3，定子铁心3和非导磁动子套筒1同轴安装，定子铁心3由模具一次成型，非导磁动子套筒1和定子铁心3之间有环形空气隙6，定子铁心3上有环形定子槽4，环形定子槽4内安放有定子绕组5和永磁环7，永磁环7安放在环形定子槽4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定子绕组5为同心线圈，同一环形定子槽4内的绕组为一个线圈，当该线圈所在环形定子槽4的中心线与一个动子导磁环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定子槽的中心线与另一个动子导磁环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筒和动子筒是为了描述方便定义，本发明电机的定子筒和动子筒做相对直线运动，实际应用中，可以将动子筒固定，定子筒作直线运动，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)

1.一种永磁环定子圆筒形直线开关磁阻电机，它包括动子筒和定子筒，其特征是，所述动子筒包括动子导磁环和非导磁动子套筒，所述动子导磁环固定在非导磁动子套筒上，或与非导磁动子套筒同轴拼接构成动子筒；所述定子筒包括定子铁心，所述定子铁心一次成型或者由多个部分沿轴向拼接而成，所述定子铁心上设有定子齿、环形定子槽和定子轭部，环形定子槽内安放有一套定子绕组和一个永磁环，所述永磁环安放在环形定子槽的槽口处，所述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，所述定子绕组为同心共轴绕组，围绕动子筒中轴线缠绕；

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

所述电机动子极数Ps和定子极数Pt满足以下条件：

Pt＝n*m，Ps＝n*m+n或Ps＝n*m-n；

定子筒所包含的齿数由定子筒的长度决定，定子筒所包含的最少定子齿数Nt满足下列条件：

Nt＝n*m+1；

定子筒所包含的最少环形定子槽数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；

动子筒所包含的动子导磁环数由动子长度决定，

当动子极数Ps＝n*m+n时，动子筒所包含的最少动子导磁环数Ns满足：Ns＝n*m+n+1；

当动子极数Ps＝n*m-n时，动子筒所包含的最少动子导磁环数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所述的一种永磁环定子圆筒形直线开关磁阻电机，其特征是，所述动子筒和定子筒同轴，动子筒安放在定子筒内侧。

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

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

5.如权利要求4所述的一种永磁环定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所述的一种永磁环定子圆筒形直线开关磁阻电机，其特征是，所述动子导磁环由高导磁率材料制成。

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

8.如权利要求1所述的一种永磁环定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。