CN105990984A - 基于径向磁筒动子的直线电机 - Google Patents

Abstract

一种基于径向磁筒动子的直线电机，由动子和定子两大部分组成，动子的主要构件为安装于动子的径向磁筒和套在动子磁筒内壁的驱动线圈，构成一个成为动子的厚壁筒；定子构造为一个长外磁筒WCT里面套一个等长的内磁轴NCZ，两端部用连接体固定，使外磁筒与内磁轴之间形成一个间隙筒，动子通电后可以在间隙筒中穿行。

Description

基于径向磁筒动子的直线电机

技术领域：

本发明是一种直线电机，属于电机领域。本发明简称径向磁筒动子电机或磁筒电机。

背景技术：

直线电机种类繁多，如：交流直线感应电动机(LIM)，交流直线同步电动机(LSM)，直流直线电动机(LDM)，直线步进电动机(LPM)，直线电磁螺线管电动机(LES)，直线振荡电动机(LOM)，等，其中，交流直线感应电动机在动力驱动中得到了很好的应用，比如高铁、航母的电磁弹射器等，但是，其技术复杂性很高，导致可靠性难以保证。

直线电磁螺线管电动机(LES)的优点是结构简单，直流无刷驱动；直线电磁螺线管电动机(LES)俗称为音圈电机，采用与喇叭中的音圈相同的工作原理，一个外圆筒磁极套一个内圆轴磁极，内外磁极间形成圆筒形空隙，环形音圈套在空隙中可以沿内圆轴滑动。就目前而言，LES的缺点很明显，主要是没有解决长距离大功率驱动的问题。

发明目的：本发明的目的是解决LES式电机无法长距离大功率驱动的问题，经过结构改造，得到一种新型直流直线电机，直流、驱动力大、效率高、驱动力可调的电机。

本发明基本原理：一种基于径向磁筒动子的直线电机，由动子和定子两大部分组成，动子的主要构件为动子磁筒和套在动子磁筒内壁的驱动线圈，构成一个成为动子的厚壁筒；定子构造为一个长外磁筒WCT里面套一个等长的内磁轴NCZ，两端部用连接体固定，使外磁筒与内磁轴之间形成一个间隙筒，动子可以在间隙筒中穿行。为了叙述简便，本文中词汇先给出以下定义和约定：

●单一截面和复合型截面：外磁筒、内磁轴和动子磁筒的截面形状包括单一截面和复合型截面，单一截面包括各种曲线形状截面(圆形截面、椭圆形截面、抛物线截面)和多边形截面(矩形截面、梯形截面)，复合型截面是多个单一截面的组合，典型的为拱门截面，其上部为半圆截面，下部为矩形截面，本文以圆形截面代表所有的单一截面，以拱门截面代表所有的复合型截面。

●筒截面：各种截面的统称，包括：内磁轴截面、间隙筒截面、动子磁筒截面、驱动线圈截面、滑动子截面。X型截面是单一截面和复合型截面的统称。

●主标号与下标：附图中，同类器件或同一器件的不同视图采用相同的主标号和不同的下标，不写下标则表示泛指，如：WCT泛指外磁筒，下标1-4为圆筒形器件下标，下标5-9为拱门型器件下标，如WCT₁、WCT₂、WCT₃、WCT₅、WCT₆、WCT₇、分别表示圆筒形外磁筒外观、圆筒形外磁筒剖视、圆筒形外磁筒截面、拱门型外磁筒外观、拱门型外磁筒剖视、拱门型外磁筒截面。内磁轴(NCZ)：是用铁磁性材料做成的长轴，内磁轴筒截面外表面相同于并微小于动子筒截面内孔表面，微间隙地套在动子内孔表面。

●外磁筒(WCT)：是用铁磁性材料做成的长筒，外磁筒筒截面内表面相同于并微大于动子筒截面外壁表面，微间隙地套在动子外壁表面。由于固定于动子的驱动钩需要穿过外磁筒拖动被加速体加速，所以需要在外磁筒上开驱动槽，统一约定，外磁筒带有驱动槽，以下不再说明。

●内磁轴(NCZ)：是用铁磁性材料做成的长轴。

●连接体：位于内磁轴与外磁筒的两端，将其两者连接固定，连接体有永磁体和铁磁体两类，永磁体又分径向磁筒和轴向磁筒两种。

●等长：内磁轴与外磁筒的长度差小于连接体的长度，即，可以用连接体将内磁轴与外磁筒连接和固定，就认为内磁轴与外磁筒等长。

●准直线：一根弯曲的定子，当曲率半径为无穷大时就成了直线定子，为了叙述简洁，本文定义曲率半径大于动子长度20倍时，称该曲线称为准直线，所以，准直线包括缓慢弯曲的曲线。

●径向磁筒(JXCT)：其磁力线方向为径向辐射方向的永磁筒，即筒的内壁为一极，而外壁为另一极，以内壁极性标记为径向磁筒的极性，即：内壁为N极的径向磁筒称之为N径向磁筒nJXCT，内壁为S极的径向磁筒称之为S径向磁筒。径向磁筒包括动子磁筒和端部磁筒两种。

●动子磁筒(DZCT)：全称为“安装于动子的径向磁筒”，内壁为N极的动子磁筒称之为N动子磁筒nDZCT，内壁为S极的动子磁筒称之为S动子磁筒sDZCT，动子磁筒可以用包括铁氧体在内的非金属永磁体和包括铷铁硼在内的金属永磁体制造，如果用金属永磁体制造，应该在径向沿轴向切割至少一条绝缘缝，或者采用磁瓦拼接，以避免涡流的形成。

●径向磁筒动子：基于径向磁筒和驱动线圈的动子。

●端部磁筒(DBCT)：全称为“安装于定子端部的径向磁筒”。

●反向磁筒：sDZCT与nDBCT为反向磁筒。

●动子：动子主体由外到内的构件分别为：护套、动子磁筒、驱动线圈、线骨架，护套的外壁即动子的外壁，线骨架的内壁即动子的内壁，护套和线骨架的厚薄根据实验确定，当薄至为零时，就是去掉护套和线骨架了，动子主体和滑动子固定为一体构成动子，附图中驱动方向朝左，回退方向朝右。

●滑动子：包括滑动式滑套和滚轮式滑套，固定于动子主体两端，动子主体在滑动子的支撑下，动子外壁与外磁筒内壁为微间隙，动子内壁与内磁轴外壁为微间隙，动子可零摩擦或微摩擦地在外磁筒与内磁轴形成的间隙筒中穿行，即，滑动子是动子沿轴向运动的载体。

●间隙筒：外磁筒内壁与内磁轴外壁之间形成一个大间隙的间隙筒，动子可以在间隙筒中穿行。

●零间隙：指两邻面紧密接触且无滑动，其间隙视为零。

●微间隙：指两邻面不接触，相对运动时无摩擦但间隙很小，也包括两邻面为润滑式接触，摩擦力很小。

●驱动线圈(QDXQ)：是一个圆筒状或复合筒状螺线管线圈，导线圆周向或复合型周向环绕在称为线骨架XGJ的非磁性材料薄壁筒上，形成圆筒状或复合筒状的驱动线圈，将所述线骨架和线圈粘接固定，合称为线圈体，驱动线圈零间隙地嵌套在动子磁筒内表面，线骨架内壁微间隙地套在内磁轴外表面。本文中导体包括超导体。

●驱动铁芯：在动子磁筒外面加一个护套称为驱动铁芯。

●内环间隙、外环间隙：动子外壁(即驱动铁芯外壁)与外磁筒内壁之间的间隙称外环间隙；动子内壁(即驱动线圈内壁)与内磁轴外壁之间的间隙称内环间隙。

●驱动钩：固定于动子的钩子，伸到驱动槽的外面，勾住被驱动物体。

动子由动子主体和滑动子构成，动子主体由外到内的构件分别为：护套、动子磁筒、驱动线圈、线骨架，动子磁筒的磁力线方向为径向辐射方向，即筒的内壁为一极，而外壁为另一极，动子磁筒在该动子磁筒电机中形成磁回路的路径为：动子磁筒外壁→动子磁筒内壁→驱动线圈→内磁轴→内磁轴端部→连接体→外磁筒→动子磁筒外壁，护套为固定和保护动子磁筒，导线周向环绕在线骨架上，形成筒状的驱动线圈，驱动线圈零间隙地嵌套在动子磁筒内孔中；动子磁筒的磁力线方向正好垂直于驱动线圈筒壁面，线圈通电后受到轴向力，带动整个动子沿着内磁轴在间隙筒中穿行，调节线圈电流大小即可以调节动子受到的轴向力大小，动子上装有驱动钩，驱动钩从外磁筒上的驱动槽中伸出到外面，带动被驱动体运动；为了减小动子穿行时的摩擦力，需要在动子主体两端安装滑动子。

定子构造为一个长外磁筒WCT内套一个等长的内磁轴NCZ，两端部用连接体固定，使外磁筒与内磁轴之间形成一个间隙筒，动子可以在间隙筒中穿行；外磁筒沿轴向开有一条驱动槽，驱动钩和动子的导线从驱动槽伸出，连接体可以是永磁材料和铁磁材料，采用与动子磁筒磁力线同方向的永磁材料，可以加强动子磁筒的磁通密度，可加大动子驱力。在定子端部安装缓冲器以减小动子对端部的冲击力。

实施例1：圆筒形磁筒电机。

圆筒形磁筒电机由定子和动子两大部分组成，图1整体为磁筒电机(CTDJ)。

定子结构和原理：(图1、图1.1、图1.2、图1.2.1、图1.2.2)很长的圆筒形外磁筒WCT₁套住等长的圆筒形内磁轴NCZ₁，其端部采用端部磁筒DBCT₁充当连接体，三者构成定子的主体，与动子一起，构成磁回路，连接体的另外一个作用是固定外磁筒和内磁轴的相对位置，使得在外磁筒WCT₁于内磁轴NCZ₁形成一个圆筒形间隙筒JXT₁，动子(或称驱动子)QDZ₁可以在间隙筒中自由滑动，滑行到端部时，缓冲器HCQ用以减小动子与端部的冲击力，位置传感器WZG的作用是切换电动/发电状态，磁筒电机驱动载荷时会产生很高的速度，载荷被发射后，动子还会保留很大的剩余动能，当动子遇到了位置传感器后，磁筒电机由电动机切换成了发电机，利用动子的剩余动能发电，对电源充电；

动子结构和原理：

动子磁筒DZCT为径向磁筒，即磁筒的内壁为一极，而外壁为另一极，动子磁筒可以采用硬磁铁氧体和包括铷铁硼在内的金属硬磁材料，对于金属硬磁材料的动子磁筒，应该在径向沿轴向切割至少一条绝缘缝，以避免涡流的形成，用磁瓦拼接也行，在动子磁筒外壁有一个护套HT₁，用以固定和保护动子磁筒，

驱动线圈QDX：导线按圆周方向环绕在线骨架XGJ上，形成圆筒螺线管状的驱动线圈，称驱动线圈，驱动线圈零间隙地嵌套在动子磁筒内壁，护套、动子磁筒、驱动线圈、线骨架共同构成动子主体，动子主体与滑动子一起组成动子；驱动线圈的导线与驱动钩固定在一起，通过驱动槽伸出到外磁筒外面，与电源和开关接通。

圆盘形滑动子HDZ₁由圆盘形非磁性材料饼FCB₁和外环间隙滚轮GL₁、内环间隙滚轮GL₂组成，圆盘形非磁性材料饼FCB₁固定于动子主体，充当固定滚轮和驱动钩的支撑体，外环间隙滚轮GL₁和内环间隙滚轮GL₂的作用是使动子保持外环间隙和内环间隙的同时避免大的阻力，滑动子采用非磁性材料，所以不会破坏磁路；

在该动子磁筒电机中，端部磁筒(DBCT₁/DBCT₂)与动子磁筒(DZCT)互为反向磁筒，形成磁回路的路径为：动子磁筒外壁→动子磁筒内壁→驱动线圈→内磁轴→内磁轴端部→端部磁筒→外磁筒→动子磁筒外壁，或者反向；动子磁筒的磁力线方向正好垂直于驱动线圈筒壁面，线圈通电后受到轴向力，带动整个动子沿着内磁轴在间隙筒中穿行，线圈反向通电可使动子反向驱动，动子上装有驱动钩，驱动钩从外磁筒上的驱动槽中伸出到外面，带动被驱动体运动；动子主体两端安装滑动子用于减小动子穿行时的摩擦力。

对于护套的要求是导磁性强、强度高、不太厚(太厚会过多的侵占径向磁筒的厚度，损害磁场)、不形成涡流，有多种方法：1、采用卷绕式钢筒，在钢板中夹以绝缘材料，卷绕数圈粘结成筒；2、直接在径向磁筒外壁缠绕和胶结高强度纤维，形成薄的护套，因为这种护套薄，对磁场的损害并不大；3、整体钢套；

动子驱力为F＝I*B*L，(F为驱力，I为驱动电流，B为磁通密度，L线圈导线总长)，其中B和L是固定值，调节I大小即可以调节F的大小，保持I恒定即可以保持F恒定，因为线圈电阻恒定，所以驱动电流大小取决于驱动电势大小，驱动电势为

U_驱＝U_源-U_反；即(驱动电势＝电源电势-动子反电势)；

注意到动子速度越大，产生的反电势会越大，抵消掉的电源电势越大，使得驱动电势变小→驱动电流变小→动子驱力变小，对于飞机类载荷，需要在弹射周期内基本保持驱力大小恒定，即，需要维持驱动电势恒定，必须随着动子速度增加而加大电源电势，同步抵消掉动子反电势，从而保持驱动电流恒定。逐渐增加电源电势的方法有多种，供电单元(包括电池和电容，图5)串联以及逐个接入，是方法之一，供电单元的逐个接入法，包括电刷式和开关式，

电刷式：在驱动钩上安装一个电刷，随着电刷的滑动位置逐渐增加电源电势；

开关式，：随着动子的运动，传感器信号提供给控制电路逐次拨动开关，从而逐渐增加电源电势；控制开关的常闭触点K₁、K₂、……、K_n-2、K_n-1、K_n逐个断开，供电单元的电势逐渐叠加在电源电缆正极DL+和电源电缆负极DL-之间；

开关式1：动子位置控制式开关，在动子的轨迹旁边安装一排传感器，随着动子的运动位置，传感器信号提供给控制电路逐次拨动开关，从而逐渐增加电源电势；

开关式2：动子速度控制式开关，在动子上安装一个测速线圈，该测速线圈就像一个单独的驱动线圈一样，不过导线非常细，顺着驱动线圈绕线沟缠绕，随着动子速度的增加，该测速线圈输出的信号越来越强，该速度信号提供给控制电路逐次拨动开关，从而逐渐增加电源电势；

开关式3：动子驱动电流控制式开关，在电缆线的固定端绕一个线圈，线圈中一个铁芯，铁芯对着一个基于霍尔元件的变送器，当电流小于设定值时，铁芯磁感应强度下降至低于设定值，被变送器测出，提供给控制电路，拨动增加电源电势开关；

反馈发电制动。在载荷发射完成后，必须将动子进行制动，制动时将动子的动能回收成电源电能是很有必要的，位置传感器WZG的作用是切换电动/发电状态，载荷被发射后，动子还会保留很大的动能，当动子遇到了位置传感器后，磁筒电机由电动机切换成了发电机，利用动子的剩余动能发电，对电源充电；

实施例2：拱门型磁筒电机。

拱门型磁筒电机的工作原理与圆筒形磁筒电机相同，不赘述。采用拱门型截面(图2、图2.1、图2.2、图2.2.1、图2.2.2、图2.2.3)，有利于滚轮的承重，将图1、图1.*和图1.*.*(*是通配符)中的圆形筒截面，全部对应换成图2、图2.*和图2.*.*拱门型筒截面(也可以是任何复合截面)，对应关系为：

对于高铁类超长定子，内磁轴会往下垂，需要解决内磁轴居中的问题，有两种办法，一种是支撑柱法，一种是铲起法。

支撑柱法：(图2)隔一段距离立一个支撑柱，将内磁轴撑起，在列车即将过来时，在控制系统控制下，迅速收回支撑柱，待列车过去后再伸出来支撑内磁轴。

铲起法：将图2中的支撑柱去掉，内磁轴会下垂，掉到外磁筒的凹槽中。头一辆车体的动子带有滑动铲HDC(图2.2.3)，当列车过来时，滑动铲将内磁轴铲起，待列车全部动子通过后，内磁轴又自然垂落到凹槽中。

实施例3：轴向磁场的端部磁筒定子。

图3中的定子端部，连接体由拼接盘PJP、和外磁筒法兰盘FLP₁构成，纵向永磁筒ZXCT₁的磁筒的磁场为轴向。

实施例4：电磁炮和火箭发射初级的磁筒电机。

图4中的电磁炮，由磁筒电机CTDJ和炮弹筒PDT构成，磁筒电机CTDJ驱动炮弹筒PDT中的炮弹，由水平方向逐渐变为指向天空方向，因为电磁炮可以做得很长，所以曲率半径很大，弯曲很平缓，相当于准直线，安装在炮台PT上。

对于火药发射的炮弹，因为要考虑到接收爆炸的推力，炮弹尾部是平的，飞行中受到的空气阻力很大；而电磁炮的炮弹是推出去的，可以做成流线型，飞行中受到的空气阻力比平尾炮弹小得多，使射程加大。

如果将磁筒电机和炮弹筒都抽成准真空，动子和炮弹受到空气的阻力会大大降低，方法是：将磁筒电机和炮弹筒置于一个密封管中，将密封管抽成准真空，为此，需要采取几条措施，1、用密封管密封整个磁筒电机和炮弹筒，只留下炮口另外处理；2、将炮口用一圈封口条像门帘一样，阻挡空气进入炮弹筒，炮弹可以通过封口条射出；3、电缆车与驱动钩连接并被密封在密封管中，其电缆的一端穿过密封管接到电源，另一端穿过驱动槽向动子供电。

这种方法也可以用于火箭发射的初级。

理论分析

实验表明，将驱动线圈置于驱动铁芯内圆和置于外圆是不等效的，前者动子可以驱动，而后者动子无法驱动，简而言之，驱动线圈与内磁轴之间不能够用铁磁性材料隔离，否则失去驱力，驱动线圈与内磁轴之间为非磁性材料才能够产生好的驱动效果。

物理解释：驱动线圈产生磁场，与定子及动子中的永磁场相互作用，驱动线圈是一个螺线管，其管内磁场集中，所以很强，管外磁场发散，所以很弱。

当驱动线圈置于驱动铁芯内部时，螺线管内部的磁力线与内磁轴产生很大的作用力，对于动子而言是外力，可以驱动动子，而螺线管外部的磁力线与驱动铁芯之间的作用力是动子的内力，对动子没有驱动作用(可以把驱动线圈从驱动铁芯中推出来)，螺线管外部的磁力线被驱动铁芯形成拦截，很少到达外磁筒，会产生叠加的作用力，但是很小，可以忽略。

当驱动线圈置于驱动铁芯外部时，螺线管外部的磁力线很弱，与外磁筒会产生作用力，但是很小，可以忽略；螺线管内部的磁力线与驱动铁芯产生很大的作用力，对于动子而言是内力，对动子没有驱动作用(可以把驱动线圈从驱动铁芯中推出来)，螺线管内部的磁力线被驱动铁芯形成拦截，很少到达内磁轴，到达的磁力线会产生叠加的作用力，但是很小，可以忽略。

关于电磁力，有一种理论A认为是载流导体在磁场中受力，有一种理论B认为是磁通量变化率决定了电磁力。看来，理论A难以解释这个实验，但可以用于计算。

附图说明：

图1－－圆筒形动子磁筒电机(CTDJ)整体示意图。WCT₁－－圆筒形外磁筒外观局部；WCT₂－－圆筒形外磁筒剖面局部；DBCT₁－－端部磁筒1；HCQ－－缓冲器；WZG－－位置传感器；HDZ₁－－圆盘形滑动子；HT₁－－圆筒形护套外观局部；HT₂－－圆筒形护套剖面局部；DZCT₁－－圆筒形动子磁筒外观局部，DZCT称为动子磁筒；DZCT₂－－圆筒形动子磁筒剖面局部；QDX₁－－圆筒形驱动线圈外观；QDX₂－－圆筒形驱动线圈剖视；QDZ₁－－驱动子或称动子，(虚线框围住的部分)圆柱形动子；JXT₁－－圆筒形间隙筒；NCZ₁－－圆筒形内磁轴；JYF－－绝缘缝；DBCT₂－－端部磁筒2；DKX－－断开线；QDG－－驱动钩；WJX₁－－动子磁筒外壁间隙；

图1.1－－圆筒形动子磁筒电机截面示意图。JYF－－绝缘缝；HT₃－－圆筒形护套截面；DZCT₃－－动子磁筒截面，由数片瓦状径向永磁铁嵌在护套中，形成筒状；NCZ₃－－内磁轴截面；WCT₃－－外磁筒截面；QDC－－驱动槽；QDG－－驱动钩；QDX₃－－驱动线圈截面；XGJ₃－－线圈骨架截面；NJX₃－－动子磁筒内壁间隙截面；WJX₃－－外壁间隙截面；

图1.2－－圆筒形动子磁筒放大示意图。与图1相同的标号有：NCZ₁、WCT₂、QDG、HT₁、HT₂、JYF、DZCT₁、DZCT₂、QDX₁、QDX₂、WJX₁；HDZ₁；

增加的有：XGJ₁－－线圈骨架；NJX₁－－动子磁筒内壁间隙；

图1.2.1－－圆盘形滑动子侧视图；HDZ₁－－圆筒形滑动子(虚线框内)；GL₁－－滑动子外环间隙滚轮；FCB₁－－圆盘形非磁性材料饼；

图1.2.2－－圆盘形滑动子轴向示意图；与前图相同的符号有：HDZ₁；GL₁；NCZ₃；NJX₃；新增的符号有：GL₂－－内环间隙滚轮；FCB₃－－圆盘形非磁性材料饼截面；

以下拱门形状截面简称拱门，如拱门形状径向磁筒简称拱门径向磁筒，拱门形状是复合形状的一种，可以用其它复合形状置换拱门形状。

图2－－拱门动子磁筒电机整体示意图。WCT₅－－拱门外磁筒外观局部；WCT₆－－拱门外磁筒剖面局部；HDZ₂－－拱门盘形滑动子；HT₅－－拱门护套外观局部；HT₆－－拱门护套剖面局部；DZCT₅－－拱门动子磁筒外观局部；DZCT₆－－拱门动子磁筒剖面局部；QDX₅－－拱门驱动线圈外观；QDX₆－－拱门驱动线圈剖视；QDZ₅－－拱门驱动子或称动子，(虚线框围住的部分)；JXT₅－－拱门间隙筒；NCZ₅－－拱门内磁轴；JYF－－绝缘缝；QDG－－驱动钩；WJX₅－－拱门动子磁筒外壁间隙；DBCT₅－－拱门端部磁筒5；DBCT₆－－拱门端部磁筒6；ZCZ－－支撑柱；JYF－－绝缘缝；

图2.1－－拱门动子磁筒电机截面示意图。JYF－－绝缘缝；HT₇－－拱门护套截面；DZCT₇－－拱门动子磁筒截面；NCZ₇－－拱门内磁轴截面；WCT₇－－拱门外磁筒截面；QDC－－驱动槽；QDG－－驱动钩；QDX₇－－拱门驱动线圈截面；XGJ₇－－拱门线圈骨架截面；NJX₇－－拱门动子磁筒内壁间隙截面；WJX₇－－拱门外壁间隙截面；AC－－凹槽；

图2.2－－拱门动子磁筒放大示意图。与图2相同的标号有：NCZ₅、WCT₆、QDG、HT₅、HT₆、JYF、DZCT₅、DZCT₆、QDX₅、QDX₆、WJX₅；HDZ₅；

增加的有：XGJ₅－－拱门线圈骨架；NJX₅－－拱门动子磁筒内壁间隙；

图2.2.1－－拱门滑动子侧视图；与前图相同的符号有：GL₁、GL₂、新的符号有：HDZ₅－－拱门滑动子(虚线框内)；FCB₅－－拱门非磁性材料饼；

图2.2.2－－拱门滑动子轴向示意图；与前图相同的符号有：HDZ₅；GL₁；GL₂；NCZ₇；NJX₇；新增的符号有：FCB₇－－拱门非磁性材料饼截面；

图2.2.3－－带滑动铲的拱门滑动子侧视图；在图2.2.1的基础上增加了HDC－－滑动铲(朝着运动方向，高铁的内磁轴采用下垂式结构时，用滑动铲将内磁轴铲起来)；

图3－－法兰盘式连接体定子示意图。PJP－－拼接盘；ZXCT₁－－纵向永磁筒；FLP₁－－外磁筒法兰盘；WCT₁－－外磁筒；ZXCT₂－－纵向永磁筒截面；FLP₂－－外磁筒法兰盘截面；

图4－－电磁炮示意图。PDT－－炮弹筒；CTDJ－－磁筒电机；SP－－山坡；PT－－炮台；

图4.1－－电磁炮截面示意图。PDT－－炮弹筒；CTDJ－－磁筒电机；QDC－－驱动槽；MFG－－密封管；DLC－－电缆车；

图5－－分级式电容或蓄电池式电源示意图。C₀～C_n－－分级电容或蓄电池；K₁～K_n－－分级开关；DL+－－电源电缆正极；DL-－－电源电缆负极；LXG－－螺线管；DLT－－电流监测铁芯；HEY－－霍尔元件；BSQ－－变送器；XHX－－信号线。

Claims (10)

1.一种基于径向磁筒动子的直线电机，由动子和定子两大部分组成，其特征是：

动子的主要构件为动子磁筒和套在动子磁筒内壁的驱动线圈，构成一个成为动子的厚壁筒，动子磁筒即安装于动子的径向磁筒，其磁力线方向为径向辐射方向的永磁筒，即筒的内壁为一极，而外壁为另一极；

定子的主要构件为外磁筒和内磁轴以及用于固定两者的连接体，外磁筒是一个钢筒，沿轴向开有一个驱动槽，内磁轴是一根钢轴，定子长度为任意长。

2.根据权利要求1所述的基于径向磁筒动子的直线电机，其进一步的特征是：动子由动子主体和滑动子构成，动子主体由外到内的构件分别为：护套、动子磁筒、驱动线圈、线骨架，动子磁筒的磁力线方向为径向辐射方向，即筒的内壁为一极，而外壁为另一极，动子磁筒在该动子磁筒电机中形成磁回路的路径为：动子磁筒外壁→动子磁筒内壁→驱动线圈→内磁轴→内磁轴端部→连接体→外磁筒→动子磁筒外壁，护套为固定和保护动子磁筒，导线周向环绕在线骨架上，形成筒状的驱动线圈，驱动线圈零间隙地嵌套在动子磁筒内孔中，驱动线圈的导线与驱动钩固定在一起，通过驱动槽伸出到外磁筒外面，与电源和开关接通；动子磁筒的磁力线方向正好垂直于驱动线圈筒壁面，线圈通电后受到轴向力，带动整个动子沿着内磁轴在间隙筒中穿行，调节线圈电流大小即可以调节动子受到的轴向力大小，动子上装有驱动钩，驱动钩从外磁筒上的驱动槽中伸出到外面，带动被驱动体运动；为了减小动子穿行时的摩擦力，需要在动子主体两端安装滑动子。

3.根据权利要求1所述的基于径向磁筒动子的直线电机，其进一步的特征是：定子构造为一个长外磁筒WCT里面套一个等长的内磁轴NCZ，两端部用连接体固定，使外磁筒与内磁轴之间形成一个间隙筒，动子可以在间隙筒中穿行；外磁筒沿轴向开有一条驱动槽，驱动钩和动子的导线从驱动槽伸出，连接体可以是永磁材料和铁磁材料，采用与动子磁筒磁力线同方向的永磁材料，可以加强动子磁筒的磁通密度，可加大动子驱力；

在定子端部安装缓冲器以减小动子对端部的冲击力。

4.根据权利要求1所述的基于径向磁筒动子的直线电机，其进一步的特征是：动子磁筒可以用包括铁氧体在内的非金属永磁体和包括铷铁硼在内的金属永磁体制造，如果用金属永磁体制造，应该在径向沿轴向切割至少一条绝缘缝，或者采用磁瓦拼接，以避免涡流的形成。

5.根据权利要求2所述的基于径向磁筒动子的直线电机，其进一步的特征是：筒截面包括圆形在内的单一截面，和包括拱门截面在内的复合型截面。

6.根据权利要求2所述的动子，其进一步的特征是：其滑动子由非磁性材料饼和外环间隙滚轮、内环间隙滚轮组成，非磁性材料饼固定于动子主体，充当固定滚轮和驱动钩的支撑体，外环间隙滚轮和内环间隙滚轮的作用是使动子保持外环间隙和内环间隙的同时避免大的阻力，滑动子采用非磁性材料，

对于高铁类超长定子，内磁轴会往下垂，需要解决内磁轴居中的问题，其中一种是铲起法，内磁轴下垂掉到外磁筒的凹槽中，头一辆车体的动子带有滑动铲，当列车过来时，滑动铲将内磁轴铲起，待列车全部动子通过后，内磁轴又自然垂落到凹槽中。

7.根据权利要求2所述的动子，其进一步的特征是：其护套的要求是导磁性强、强度高、不太厚、不形成涡流，有多种方法：1、采用卷绕式钢筒，在钢板中夹以绝缘材料，卷绕数圈粘结成筒；2、直接在径向磁筒外壁缠绕和胶结高强度纤维，形成薄的护套；3、整体钢套。

8.根据权利要求1所述的基于径向磁筒动子的直线电机，其进一步的特征是：注意到动子速度越大，产生的反电势会越大，抵消掉的电源电势越大，使得驱动电势变小→驱动电流变小→动子驱力变小，对于飞机类载荷，需要在弹射周期内基本保持驱力大小恒定，即，需要维持驱动电势恒定，必须随着动子速度增加而加大电源电势，同步抵消掉动子反电势，从而保持驱动电流恒定。逐渐增加电源电势的方法有多种，供电单元串联以及逐个接入，是方法之一，供电单元的逐个接入法，包括电刷式和开关式，

电刷式：在驱动钩上安装一个电刷，随着电刷的滑动位置逐渐增加电源电势；

开关式，：随着动子的运动，传感器信号提供给控制电路逐次拨动开关，从而逐渐增.加电源电势；控制开关的常闭触点K₁、K₂、……、K_n-2、K_n-1、K_n逐个断开，供电单元的电势逐渐叠加在电源电缆正极DL+和电源电缆负极DL-之间；

开关式1：动子位置控制式开关，在动子的轨迹旁边安装一排传感器，随着动子的运动位置，传感器信号提供给控制电路逐次拨动开关，从而逐渐增加电源电势；

开关式2：动子速度控制式开关，在动子上安装一个测速线圈，该测速线圈就像一个单独的驱动线圈一样，不过导线非常细，顺着驱动线圈绕线沟缠绕，随着动子速度的增加，该测速线圈输出的信号越来越强，该速度信号提供给控制电路逐次拨动开关，从而逐渐增加电源电势；

开关式3：动子驱动电流控制式开关，在电缆线的固定端绕一个线圈，线圈中一个铁芯，铁芯对着一个基于霍尔元件的变送器，当电流小于设定值时，铁芯磁感应强度下降至低于设定值，被变送器测出，提供给控制电路，拨动增加电源电势开关。

9.根据权利要求1所述的基于径向磁筒动子的直线电机，其进一步的特征是：反馈发电制动。在载荷发射完成后，必须将动子进行制动，制动时将动子的动能回收成电源电能是很有必要的，位置传感器WZG的作用是切换电动/发电状态，载荷被发射后，动子还会保留很大的动能，当动子遇到了位置传感器后，磁筒电机由电动机切换成了发电机，利用动子的剩余动能发电，对电源充电。

10.根据权利要求1所述的基于径向磁筒动子的直线电机，其进一步的特征是：电磁炮和火箭初级发射的磁筒电机，电磁炮，由磁筒电机CTDJ和炮弹筒PDT构成，磁筒电机CTDJ驱动炮弹筒PDT中的炮弹，由水平方向逐渐变为指向天空方向，因为电磁炮可以做得很长，所以曲率半径很大，弯曲很平缓，安装在炮台PT上。对于火药发射的炮弹，因为要考虑到接收爆炸的推力，炮弹尾部是平的，飞行中受到的空气阻力很大；而电磁炮的炮弹是推出去的，可以做成流线型，飞行中受到的空气阻力比平尾炮弹小得多，使射程加大；

将磁筒电机和炮弹筒置于一个密封管中，将密封管抽成准真空，为此，需要采取几条措施，1、用密封管密封整个磁筒电机和炮弹筒，只留下炮口另外处理；2、将炮口用一圈封口条像门帘一样，阻挡空气进入炮弹筒，炮弹可以通过封口条射出；3、电缆车与驱动钩连接并被密封在密封管中，其电缆的一端穿过密封管接到电源，另一端穿过驱动槽向动子供电。

这种方法也可以用于火箭发射的初级。