CN105024519B - 一种无铁芯直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无铁芯直线电机，包括定子和动子，定子包括上背铁、下背铁、固定在上背铁内表面的上排磁铁阵列和固定在下背铁内表面的下排磁铁阵列；上排磁铁阵列和下排磁铁阵列均为交替设置的S极磁铁、海尔贝克磁铁和N极磁铁；上排磁铁阵列和下排磁铁阵列位置相对的磁铁的极性相同；上排磁铁阵列和下排磁铁阵列之间形成气隙；动子在气隙的长度方向作直线运动，动子包括冷却机构以及缠绕在冷却机构上的动子线圈；动子线圈所在平面与动子的直线运动方向垂直。本发明所提供的无铁芯直线电机输出功率大；电机结构紧凑，适合高速、高加速度运行；冷却速度快，效率高，节省空间；由于散热效果更好，所以可以通较大的电流，进而提高电机输出功率。

Description

一种无铁芯直线电机

技术领域

本发明涉及一种电机，特别涉及一种无铁芯直线电机。

背景技术

传统永磁直线电机，如图1所示，包括：定子磁铁阵列1、动子线圈2、定子背铁3。动子线圈2水平布置在定子磁铁陈列1中，即动子线圈2的中心轴垂直于定子磁铁陈列的垂直方向设置，以上动子线圈2的设置方式称之为平板型绕组，而这种平板型绕组方式决定了动子线圈2必须留出一部分尺寸用于绕线，在一定体积条件下，线圈匝数较少，当两个定子磁铁阵列1间距增大时，磁密下降，电机常数下降；结构不够紧凑，输出功率较小，电机强度低，不适合高速、高加速度运行。

现有技术中电机的冷却装置，在动子线圈外面绕水管，这种冷却装置的缺点是动子线圈与水管的有效接触面积小，冷却效果差，制造工艺和装配过程复杂，不利于批量加工制造。

发明内容

为了提高电机的输出功率，增强冷却效果，本发明提供一种无铁芯直线电机。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种无铁芯直线电机，包括定子和相对所述定子运动的动子，所述定子包括上背铁、下背铁、固定在所述上背铁内表面的上排磁铁阵列以及固定在所述下背铁内表面的下排磁铁阵列；所述上排磁铁阵列和所述下排磁铁阵列均为交替设置的S极磁铁、海尔贝克磁铁以及N极磁铁；所述上排磁铁阵列和所述下排磁铁阵列位置相对的磁铁的极性相同；所述上排磁铁阵列和所述下排磁铁阵列之间形成气隙；所述动子在所述气隙的长度方向作直线运动，所述动子包括冷却机构以及缠绕在所述冷却机构的外围轮廓上的动子线圈；所述动子线圈所在平面与所述动子的直线运动方向垂直。

作为优选，所述冷却机构包括冷却腔体和均匀垂直排布在所述冷却腔体外部的散热片，所述动子线圈绕制在相邻两个所述散热片之间的所述冷却腔体上；所述动子线圈缠绕方向与所述散热片平行。

作为优选，所述散热片从所述冷却腔体的外部伸入内部。

作为优选，所述冷却腔体内设有水冷通道，所述冷却腔体设有进水口和出水口。

作为优选，在所述冷却腔体内的所述水冷通道是按S形状排布。

作为优选，相邻两个所述散热片的间距为τ/3；其中，τ为磁铁阵列中水平相邻N、S磁铁中心距离。

作为优选，所述动子线圈是至少一组三相线圈，每组三相线圈包括个绕制的单相线圈，相邻两个所述单相线圈间距为τ/3；其中，τ为磁铁阵列中水平相邻N、S磁铁中心距离。

作为优选，所述冷却机构包括多个冷却模块，每个所述冷却模块包括三个套接式外壳，每个所述套接式外壳对应绕制一个单相线圈。

作为优选，所述冷却机构外表面设置有绝缘镀层。

作为优选，所述动子线圈与所述冷却机构通过树脂胶灌封形成一体。

与现有技术相比，本发明所提供的无铁芯直线电机动子线圈缠绕在所述冷却机构的长度方向上的外围轮廓上，应用洛伦茨原理，在电机体积不变的前提下，能够分布更多组线圈，因此电机输出功率增大；并且电机结构紧凑，适合高速、高加速度运行。本发明所提供的无铁芯直线电机所述上排磁铁阵列和所述下排磁铁阵列均为交替设置的S极磁铁、海尔贝克磁铁以及N极磁铁；所述上排磁铁阵列和所述下排磁铁阵列位置相对的磁铁的极性相同，当上排磁铁阵列与下排磁铁阵列间距增大时，磁密不会变化，电机常数不变，便于根据实际需要调整电机的上排磁铁阵列与下排磁铁阵列间距。此外，动子线圈直接绕在冷却机构上，增大了动子线圈与冷却机构的接触面积，线圈产生的热量可以通过冷却机构最大限度的散发，冷却速度快，效率高，节省空间。由于散热效果更好，所以可以通较大的电流，进而提高电机输出功率。

附图说明

图1是现有技术中永磁直线电机的机构示意图；

图2是本发明所提供的无铁芯直线电机的结构示意图；

图3是本发明所提供的无铁芯直线电机的定子的结构示意图；

图4是本发明所提供的无铁芯直线电机的动子的结构示意图；

图5是本发明所提供的无铁芯直线电机的磁路示意图；

图6是实施例一中冷却腔体的结构示意图；

图7是实施例二中冷却腔体的结构示意图；

图8是一个单相线圈和一个套接式外壳的拆解图；

图9是本发明所提供的无铁芯直线电机产生的推力与无铁芯直线电机运动的距离之间的关系。

现有技术图示：1-定子磁铁阵列、2-动子线圈、3-定子背铁。

本发明图示：10、定子，10-1、上背铁，10-2、下背铁，10-3、上排磁铁阵列，10-4、下排磁铁阵列，10-5、S极磁铁，10-6、海尔贝克磁铁，10-7、N极磁铁，20、动子，20-1、冷却机构，20-2、动子线圈，20-2a、第一单相线圈，20-2b、第二单相线圈，20-2c、第三单相线圈，20-3、冷却腔体，20-4、散热片，20-5-1、进水口，20-5-2、出水口，20-6，水冷通道，20-7，套接式外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：本发明中，所述磁极方向是指在磁铁内部由S磁极指向N磁极的方向，图5中箭头表示电流方向，N、S表示磁体充磁方向。

实施例一

请参考图2、图3和图4，一种无铁芯直线电机，包括定子10和相对所述定子运动的动子20，所述定子10包括上背铁10-1、下背铁10-2、固定在所述上背铁10-1内表面的上排磁铁阵列10-3以及固定在所述下背铁10-2内表面的下排磁铁阵列10-4；所述上排磁铁阵列10-3和所述下排磁铁阵列10-4均为交替的S极磁铁10-5、海尔贝克磁铁10-6以及N极磁铁10-7；所述上排磁铁阵列10-3和所述下排磁铁阵列10-4位置相对的磁铁的极性相同，即所述上排磁铁阵列10-3中的S极磁铁10-5下方对应的是所述下排磁铁阵列10-4中的S极磁铁；所述上排磁铁阵列10-3中的海尔贝克磁铁10-6下方对应的是所述下排磁铁阵列10-4中的海尔贝克磁铁10-6；所述上排磁铁阵列10-3中的N极磁铁10-7下方对应的是所述下排磁铁阵列10-4中的N极磁铁10-7。所述上排磁铁阵列10-3和所述下排磁铁阵列10-4之间形成气隙，所述动子20在所述气隙的长度方向作直线运动，所述动子20包括冷却机构20-1以及缠绕在所述冷却机构20-1的外围轮廓上的动子线圈20-2；所述动子线圈20-2所在平面与所述动子20-2的直线运动方向垂直。

请参考图5，所述上排磁铁阵列10-3的S极磁铁10-5、海尔贝克磁铁10-6以及N极磁铁10-7构成磁回路；所述下排磁铁阵列10-4的S极磁铁10-5、海尔贝克磁铁10-6以及N极磁铁10-7构成磁回路。

请参考图2，动子线圈20-2缠绕在所述冷却机构20-1的长度方向上的外围轮廓上，应用洛伦茨原理，在电机体积不变的前提下，能够分布更多组线圈，因此电机输出功率增大；并且电机结构紧凑，适合高速、高加速度运行。

请参考图2和图6，所述冷却机构20-1包括冷却腔体20-3和均匀垂直排布在所述冷却腔体20-3外部的散热片20-4，所述动子线圈20-2绕制在相邻两个所述散热片20-4之间的所述冷却腔体20-3上；所述动子线圈20-2缠绕方向与所述散热片20-4平行。增加了动子线圈20-2与所述冷却机构20-1的有效接触面积，冷却机构20-1吸收动子线圈20-2产生的热量，动子线圈20-2冷却速度快，效率高，冷却效果增强。由于散热效果更好，所以无铁芯的电机可以通较大的电流，进而提高电机输出功率。冷却腔体20-3的结构形成无铁芯的电机结构，降低磁阻力带来的波动。

请参考图7，所述散热片20-4从所述冷却腔体20-3的外部可以伸入内部，增大了水冷液与所述冷却腔体20-3接触面积，提高了冷却效果。

所述冷却腔体20-3内设有水冷通道20-6，所述冷却腔体20-3设有一个进水口20-5-1，一个出水口20-5-2；低温水从进水口20-5-1流入所述冷却腔体20-3，低温水不断吸收动子线圈20-2产生的热量；吸收了动子线圈20-2产生的热量，水温度升高，高温水从出水口20-5-2流出，如此持续不断低温水持续带走动子线圈20-2产生的热量，提高冷却效果。

在所述冷却腔体20-3内的所述水冷通道20-6是按S形状排布，同样体积的水流经的路径更长，增大了水冷液与所述冷却腔体20-3接触面积，充分吸收动子线圈20-2产生的热量同样，提高冷却效率。

每个所述散热片20-4的间距为τ/3；其中，τ为磁铁阵列中水平相邻N、S磁铁中心距离，τ为设定值。

所述动子线圈20-2是至少一组三相线圈，每组三相线圈包括3个绕制的单相线圈，相邻两个所述单相线圈间距为τ/3。，根据τ的数值确定三相线圈的中心距，当相邻的两个三相线圈中心间距为τ/3时，才能保证相邻的两个三相线圈通电角度相差120°，使电机正常运转。三相线圈通电角度不同，根据导线在磁场中受力的左手定则，所述动子线圈20-2在磁力作用下运动。

所述冷却机构20-1外表面设置有绝缘镀层，防止动子线圈20-2漏电。

所述动子线圈20-2与所述冷却机构20-1通过树脂胶灌封形成一体，提高动子线圈20-2的稳定性，提高无铁芯直线电机的强度，使无铁芯直线电机适合高速度、高加速度运行。

实施例二：

请参考图8，所述冷却机构20-1包括多个冷却模块，冷却模块互相套接，胶合密封以后形成一个腔体，在腔体通水冷液。每个所述冷却模块包括三个套接式外壳20-7，每个所述套接式外壳20-7对应绕制一个单相线圈；其中，第一个套接式外壳20-7上绕制第一单相线圈20-2a，第二个套接式外壳20-7上绕制第二单相线圈20-2b，第三个套接式外壳20-7上绕制第三单相线圈20-2c。可以根据实际需要调整冷却模块的数量；维修时，也可以拆除若干个冷却模块，便于制造和维修，能够适应多种实际情况。

电机可由三相pwm驱动器(也就是脉冲宽度调制驱动器)驱动，控制简单方便。如A、B、C，分别通以三相电，可以输出恒定功率。

请参考图9，在电机尺寸相同、通电电流幅值相同的条件下，M是传统永磁直线电机的输出力；N是本发明所提供的无铁芯直线电机的输出力，从图9中可以看出本发明所提供的无铁芯直线电机的输出力是传统永磁直线电机的输出力的2～3倍。

本发明所提供的无铁芯直线电机在相同功率条件下体积较小；相同体积条件下，缠绕的线圈匝数更多，输出功率较大；结构紧凑，适合高速、高加速度运行；制造工艺和装配过程简单，便于批量加工制造。当上排磁铁阵列与下排磁铁阵列间距增大时，磁密不会变化，电机常数不变，便于根据实际需要调整电机的上排磁铁阵列与下排磁铁阵列间距。此外，动子线圈直接绕在冷却机构上，增大了动子线圈与冷却机构的接触面积，线圈产生的热量可以通过冷却机构最大限度的散发，冷却速度快，效率高，节省空间。由于散热效果更好，所以可以通较大的电流，进而提高电机输出功率。

本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种无铁芯直线电机，包括定子(10)和相对所述定子(10)运动的动子(20)，所述定子(10)包括上背铁(10-1)、下背铁(10-2)、固定在所述上背铁(10-1)内表面的上排磁铁阵列(10-3)以及固定在所述下背铁(10-2)内表面的下排磁铁阵列(10-4)；所述上排磁铁阵列(10-3)和所述下排磁铁阵列(10-4)均为交替设置的S极磁铁(10-5)、海尔贝克磁铁(10-6)以及N极磁铁(10-7)；所述上排磁铁阵列(10-3)和所述下排磁铁阵列(10-4)位置相对的磁铁的极性相同；所述上排磁铁阵列(10-3)和所述下排磁铁阵列(10-4)之间形成气隙；所述动子(20)在所述气隙的长度方向作直线运动，其特征在于，所述动子(20)包括冷却机构(20-1)以及缠绕在所述冷却机构(20-1)的外围轮廓上的动子线圈(20-2)；所述动子线圈(20-2)所在平面与所述动子(20-2)的直线运动方向垂直；所述冷却机构(20-1)包括若干个冷却腔体(20-3)和均匀垂直排布在所述冷却腔体(20-3)外部的散热片(20-4)，所述动子线圈(20-2)绕制在相邻两个所述散热片(20-4)之间的所述冷却腔体(20-3)上；所述动子线圈(20-2)缠绕方向与所述散热片(20-4)平行，若干个所述冷却腔体(20-3)内设有水冷通道(20-6)，所述冷却腔体(20-3)设有进水口(20-5-1)和出水口(20-5-2)。

2.根据权利要求1所述的无铁芯直线电机，其特征在于，所述散热片(20-4)从所述冷却腔体(20-3)的外部伸入内部。

3.根据权利要求1所述的无铁芯直线电机，其特征在于，在所述冷却腔体(20-3)内的所述水冷通道(20-6)是按S形状排布。

4.根据权利要求1所述的无铁芯直线电机，其特征在于，相邻两个所述散热片(20-4)的间距为τ/3。

5.根据权利要求1所述的无铁芯直线电机，其特征在于，所述动子线圈(20-2)是至少一组三相线圈，每组三相线圈包括3个绕制的单相线圈，相邻两个所述单相线圈间距为τ/3。

6.根据权利要求1所述的无铁芯直线电机，其特征在于，所述冷却机构(20-1)包括多个冷却模块，每个所述冷却模块包括三个套接式外壳(20-7)，每个所述套接式外壳(20-7)对应绕制一个单相线圈。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的无铁芯直线电机，其特征在于，所述冷却机构(20-1)外表面设置有绝缘镀层。

8.根据权利要求1至6任意一项所述的无铁芯直线电机，其特征在于，所述动子线圈(20-2)与所述冷却机构(20-1)通过树脂胶灌封形成一体。