CN105119458A - 一种柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机，在动子与定子之间通过多片柔性弹簧片相连，且通过柔性弹簧片将动子定位于定子中心，起到轴承作用。除此之外，当动子往复直线运动时，柔性弹簧片相当于弹簧，起到了谐振弹簧作用，通过多片弹簧的组合可以实现任意刚度的谐振弹簧设计。本发明巧妙地利用柔性弹簧轴、径向双向刚度的特性，将轴承与谐振弹簧功能集于一体，不仅消除了摩擦，还提高了系统集成度，为高频一体化直线振荡电机设计提供了便利。

Description

一种柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，涉及一种直线振荡电机，具体来说是一种柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机。

背景技术

直线振荡电机是一种直接输出短行程、高频往复直线运动的电磁作动器，广泛应用于空气压缩机、直线泵、电锤等工业应用中。随着电力电子、控制等技术水平的提高，系统性能也从最初的功能级向性能级转变，要求作动器具有高功率密度的特点。对直线振荡电机而言，功率密度的提升主要体现在效率和工作频率提升方面。针对效率提升问题，目前多数直线振荡电机采用谐振弹簧技术，通过动子动能与弹簧势能的相互转换，避免了传统用电磁力进行加减速所带来的功率损耗，提升了系统效率。对工作频率提升问题，主要研究在于如何提升轴承耐磨性能，使其适应于高速往复运动工况。然而，工作频率的提升所带来的问题是多方面的。首先，对轴承而言，其最大可承受的运动速度并不能无限度的提升，严重受到材料性能的制约，这样高频运动势必会带来轴承的严重磨损，从而降低寿命直至故障；其次，由于摩擦力与运动速度呈正相关关系，高频运动势必会引起动子运动过程中摩擦阻力的增大，从而加剧了轴承磨损、系统能量和效率损失；此外，由于其谐振工作特性，运动频率需与弹簧刚度进行匹配，频率的升高导致弹簧刚度急剧增大，相应地带来体积的明显变化，对系统集成化设计带来了挑战；最后，弹簧、轴承分离式设计导致系统体积不可避免增大、结构复杂，集成度和可靠性也随之降低。

为了解决轴承问题，现有技术主要通过增强润滑性、减少摩擦面两个途径展开。增强润滑性的主要方式包括油脂润滑、材料表面改性等等，但该类方法需要定期维护，也不是适应于往复磨削直线运动工况。减少摩擦面方式主要包括气浮、磁悬浮轴承等方案，其原理是通过气体悬浮力或者磁悬浮力将动子悬浮起来，避免与定子直接接触，这样可以有效地减小摩擦。然而，气浮或磁悬浮技术比较复杂，需要主动控制技术，很难做到集成化设计。因此，目前高频往复运动缺乏有效地动子支撑手段，这也是限制高频化发展的主要因素之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决直线振荡电机动子支撑和集成化设计问题，提出一种柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机，包括电机模块与柔性弹簧模块。

其中，电机模块包括定子、动子两部分；定子部分为保持静止的部分，呈双层磁极结构；动子部分为产生运动输出的部分。动子部分的两端由柔性弹簧模块进行支撑，且通过柔性弹簧模块实现动子部分的谐振。柔性弹簧模块为具有内环、外环与弹簧臂的柔性弹簧片；内环与外环间通过弹簧臂相连。柔性弹簧片通过动子弹簧连接件与动子部分端部相连；动子弹簧连接件的连接端固定于动子端部；柔性弹簧片内环套在动子弹簧连接件连接端上设计的伸出杆上，外环与电机模块端部固定。

本发明的优点在于：

1、本发明柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机，利用柔性弹簧同时实现轴承与谐振弹簧的作用，简化了结构设计，提高了集成度。

2、本发明柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机，柔性弹簧片作为轴承具有无摩擦、高径向刚度的特点，有助于提高系统效率。

3、本发明柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机，通过柔性弹簧片的结构设计，可以方便的实现刚度、寿命的组合设计，为不同工况提供了便利。

附图说明

图1是本发明柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机整体结构剖视图；

图2是本发明柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机中柔性弹簧片结构示意图。

图中：

1-电机模块2-柔性弹簧模块101-内层轴向磁铁

102-内层径向磁铁103-外层轴向磁铁104-外层径向磁铁

105-内层背铁106-外层背铁107-端盖

108-动子支架109-线圈201-弹簧支架

202-动子弹簧连接件203-柔性弹簧片202a-伸出杆

203a-内环203b-外环203c-弹簧臂

203d-防应力集中孔

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机装置，包括电机模块1与柔性弹簧模块2两个部分，如图1所示。

所述电机模块1包括定子、动子两部分。定子部分为保持静止的部分，呈双层磁极结构，包括由内层轴向磁铁101与内层径向磁铁102构成的内层磁极、外层轴向磁铁103与外层径向磁铁104构成的外层磁极，以及内层背铁105、外层背铁106与端盖107。动子部分为产生运动输出的部分，包括动子支架108与线圈109。

上述内层背铁105、动子支架108与外层背铁106均为筒状结构，由内至外依次相套。其中，内层背铁105与动子支架108间，沿内层背铁105轴向交替设置有内层轴向磁铁101与内层径向磁铁102，内层轴向磁铁101与内层径向磁铁102套接在内层背铁105上，相互间贴合，并使两内层轴向磁铁101分别位于内层背铁105两端，且内层轴向磁铁101和内层径向磁铁102的外圆周面与动子支架108内壁间具有一定间隙。所述动子支架108上在各个内层径向磁铁102对应位置处，周向开有凹槽，凹槽内部设置有线圈109，在工况时线圈109可随着动子支架108进行往复直线运动。外层背铁106与动子支架108间，沿外层背铁106轴向交替设置有外层轴向磁铁103与外层径向磁铁104；各个外层轴向磁铁103和外层径向磁铁104的位置与各个内层轴向磁铁101和内层径向磁铁102对应，且使各个外层轴向磁铁103和外层径向磁铁104的内圆周面与动子支架108外壁间具有一定间隙。上述内层径向磁铁与外层径向磁铁充磁方向相同，且在内层轴向磁铁101与内层径向磁铁102的非气隙侧设计了内层背铁，同时在外层轴向磁铁103和外层径向磁铁104的非气隙侧设计了外层背铁，由内层背铁105与外层背铁106实现磁路走向的引导，增强磁场强度。

上述外层背铁106两端设计有连接法兰，分别与两个端盖107固定，通过端盖实现内层背铁105与外层背铁106间的轴向定位，内层轴向磁铁101与内层径向磁铁102的轴向定位，以及外层轴向磁铁103与外层径向磁铁104的在内层背铁105轴向上的定位。

上述电机模块1的两端分别安装有一个柔性弹簧模块2，通过柔性弹簧模块2实现动子部分与定子部分间的相对定位，将动子部分定位于定子部分中心，且通过柔性弹簧模块2还能够实现动子部分的谐振。所述柔性弹簧模块2包括弹簧支架201、动子弹簧连接件202、柔性弹簧片203，如图2所示。其中，动子弹簧连接件202连接端与动子支架108端部通过螺钉固定；动子弹簧连接件202连接端上设计有伸出杆202a，使伸出杆202a与动子支架108同轴，用来安装柔性弹簧片203。所述柔性弹簧片203为板状结构，为由内环203a、外环203b与弹簧臂203c构成的一体结构，内环203a与外环203b间通过周向上等间隔设置的多个弹簧臂203c相接，且弹簧臂203c与内环203a、外环203b间的相接处采用圆弧过渡，防止应力集中。所述弹簧臂203c为长细比较大的板状结构。多个弹簧臂203c呈辐射状结构排列，自柔性弹簧片203中心等角度辐射开来。弹簧臂203c的个数及结构参数与弹簧臂203c构成的弹簧结构刚度密切相关，应根据实际应用进行设计。为了避免应力集中，在柔性弹簧片203的内环203a周向上开有多个防应力集中孔203d，且使防应力集中孔203d靠近内环203a的中心孔，有效地削弱了应力集中现象，提高了柔性弹簧片203的使用寿命。上述柔性弹簧片203由薄金属片经线切割加工制成，金属通常采用铍青铜等高刚度、高屈服强度、耐疲劳金属材料。为了减少变形范围内的应力集中现象，柔性弹簧片203通常厚度在1mm以下。柔性弹簧片203通过内环203a的中心孔套在动子弹簧连接件202的伸出轴202a上。所述弹簧支架201用来提供电机模块1与柔性弹簧模块2的连接接口；弹簧支架201一端固定安装在电机模块1中的端盖107上，另一端与柔性弹簧片203外环通过螺栓固定，具体方式为：由螺栓依次穿过柔性弹簧片203的外环203b、弹簧支架201、端盖107与外层背铁106端部连接法兰后，通过螺母锁紧，实现柔性弹簧片203的固定，由此当动子弹簧连接件202随动子部分往复运动时，柔性弹簧片203随之往复弯曲变形，起到弹簧的作用。上述柔性弹簧片203的内环203a与动子弹簧连接件202的连接端之间设置有内垫片，内垫片螺纹套接在动子弹簧连接件202的伸出轴202a上；且柔性弹簧片203的外环203b与弹簧支架201间设置有外垫片，通过螺栓螺母配合压紧固定。通过上述结构，由弹簧臂203c将动子部分定位于定子部分中心，起到轴承作用；当动子部分往复直线运动时，弹簧臂203c相当弹簧，起到了谐振弹簧作用。

所述柔性弹簧片203的数量可以根据刚度需求进行调整，通过采用多个柔性弹簧片203的组合可以实现任意刚度的谐振弹簧设计。当采用弹簧数量大于1时，所有柔性弹簧片203均通过内环203a的中心孔套在动子弹簧连接件202的伸出轴202a上，且通过螺栓依次穿过各个柔性弹簧片203的外环203b、弹簧支架201、端盖107与外层背铁106端部连接法兰后，通过螺母锁紧，实现所有柔性弹簧片203的固定。为了避免相邻柔性弹簧片203变形后相互间的干涉，相邻柔性弹簧片203之间留有一定的间隙，间隙的大小应需保证相邻柔性弹簧片203变形后不会发生相互干涉；相邻柔性弹簧片203之间的间隙是通过在相邻柔性弹簧片203间设置内垫片来保证的，即相邻柔性弹簧片203之间通过设置内垫片间隔开并压紧，同样内垫片采用螺纹套接在动子弹簧连接件202的伸出轴202a上。上述柔性弹簧片203的数量与所有柔性弹簧片203叠堆后的整体刚度呈正比例关系，即整体刚度等于各个弹簧片刚度之和。

Claims (8)

1.一种柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机装置，包括电机模块，所述电机模块1包括定子、动子两部分；定子部分为保持静止的部分，呈双层磁极结构；动子部分为产生运动输出的部分；其特征在于：动子部分的两端由柔性弹簧模块进行支撑；柔性弹簧模块为具有内环、外环与弹簧臂的柔性弹簧片；内环与外环间通过弹簧臂相连；柔性弹簧片通过动子弹簧连接件与动子间相连；动子弹簧连接件的连接端固定于动子端部；柔性弹簧片内环套在动子弹簧连接件连接端上设计的伸出杆上。

2.如权利要求1所述一种柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机装置，其特征在于：所述柔性弹簧模块的内环与外环间的弹簧臂呈辐射状结构排列，自柔性弹簧片中心等角度辐射开来。

3.如权利要求1所述一种柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机装置，其特征在于：所述弹簧臂与内环、外环间的连接处采用圆弧过渡。

4.如权利要求1所述一种柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机装置，其特征在于：所述柔性弹簧片的内环周向上，靠近内环的中心孔处开有防应力集中孔。

5.如权利要求1所述一种柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机装置，其特征在于：还具有弹簧支架，用来提供电机模块与柔性弹簧模块的连接接口。

6.如权利要求1所述一种柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机装置，其特征在于：所述柔性弹簧片的内环与动子弹簧连接件的连接端之间设置有内垫片；柔性弹簧片的外环与电机模块间设置有外垫片。

7.如权利要求1所述一种柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机装置，其特征在于：所述柔性弹簧片数量大于1个，此时，相邻柔性弹簧片间具有间隙。

8.如权利要求1所述一种柔性弹簧轴承支撑的直线振荡电机装置，其特征在于：所述柔性弹簧片采用铍青铜材料，厚度小于1mm。