CN106451991B - 一种定子永磁型动铁芯式直线振荡电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，包括定子铁芯、动子铁芯、轴、永磁体、线圈、机壳以及谐振弹簧：定子铁芯为分离式双定子铁芯，两个柱状定子铁芯之间持有间距，轴向对齐地安装于机壳内部；每个定子轭部沿圆周均匀地嵌入多块永磁体；组成电枢绕组的多个线圈缠绕于定子铁芯上，任意相邻线圈反向串联；动子铁芯居中安装于轴上，在轴上的动子铁芯与机壳侧壁之间套放有谐振弹簧。本发明永磁体作为易损件不参与往复振动，极大地提高了电机的安全性、可靠性和鲁棒性，且永磁体在定子上，直接通过定子铁芯和机壳散热，散热方便；通过合理的尺寸设计，可使动子在有效行程范围内磁阻力小，静推力平滑，且过载能力强。

Description

一种定子永磁型动铁芯式直线振荡电机
技术领域
本发明属于直线振荡电机领域，更具体地，涉及一种永磁体嵌放于定子上，运动和受力部件为动子铁芯的直线振荡电机。
背景技术
一直以来，直线往复运动主要靠传统的旋转电机+曲柄等传动机构来实现，该种方式因效率和功率因数低下，结构复杂，体积庞大而饱受诟病。采用永磁直线振荡电机实现直线往复运动，不仅可以省去曲柄等中间传动机构，而且在效率和功率因数方面也有显著提升，因而得到了广泛的关注。
永磁直线振荡电机，按运动受力部件的构成不同，可分为动圈式、动磁式、动磁铁式、动铁芯式：
动圈式直线振荡电机，其运动部件为线圈。其主要缺点在于，线圈的固定难度较大，长行程时驱动力相对较小，由于振动部分为线圈，频率太高会使线圈接线处折断，因此，动圈式直线振荡电机的振荡频率不能太高。
动磁式直线振荡电机，其运动受力部件为永磁体。永磁体一般位于内外两个定子之间，永磁体上下均为气隙，为固定永磁体，需要强度高且质量轻的永磁体支架，从而使得其运动部件结构相对复杂，气隙较大，绕组电感值小，气息磁场弱，功率密度低。另外，该种形式的直线振荡电机，其内外铁芯的硅钢片一般为周向叠压，漏磁大，工艺难度高，可靠性和安全性不足。
动磁铁式直线振荡电机，其运动受力部件为永磁体和铁芯。永磁体表贴或内嵌于动子铁芯，随动子铁芯做往复振荡。其缺点是动子质量较高，碍于永磁体为运动部件，考虑到工艺和安全性，气隙无法设计得较小，气隙磁场强度相对较弱。
无论是动磁式还是动磁铁式直线振荡电机，永磁体均参与往复运动。它们共同的缺陷在于，永磁体作为易损件在气隙中参与直线振荡，增加了加工工艺难度，降低了电机的鲁棒性和安全性，特别在高频振荡和恶劣工况下，其可靠性较低。另外永磁体位于交变电磁场中，其涡流损耗产生的热量在运动过程中难以散去，恶化了永磁体的工作环境，造成电机主要性能的损失和使用寿命的缩短。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明提供一种定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其目的在于，提高电机可靠性、安全性、可维护性，提高电机功率密度。
一种定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，包括定子铁芯、动子铁芯、轴、永磁体、线圈、机壳、端盖以及谐振弹簧：
所述定子铁芯为分离式双定子铁芯，两个柱状定子铁芯之间持有间距，轴向对齐地安装于机壳内部；每个定子轭部沿圆周均匀地嵌入多块永磁体；组成电枢绕组的多个线圈缠绕于定子铁芯上，任意相邻线圈反向串联；所述动子铁芯居中安装于轴上，与定子铁芯同心且径向上双边各间隔一段等长的气隙地固定于定子铁芯内圆内，在轴上的动子铁芯与端盖之间套放有谐振弹簧。
进一步地，所述定子铁芯和动子铁芯均由多层无取向硅钢片轴向叠压而成。
进一步地，所述线圈包括6个线圈或12个线圈。
进一步地，嵌放于定子铁芯内的永磁体为规则长方体，按两两间隔60度的方式嵌入定子铁芯轭部的凹槽内，且同一定子上铁芯任意相邻两块永磁体充磁方向相反。
进一步地，定子铁芯中固定永磁体的凹槽不切断定子铁芯的轭部，在底部保留有一段隔磁桥。
进一步地，谐振弹簧为圆柱形压缩弹簧。
本发明的有益技术效果体现在：
(1)采用永磁直线振荡电机作为往复运动的驱动机构，省去了复杂的曲柄连杆，结构紧凑，传动损耗低，效率高；
(2)采用横向磁通的磁路设计，简化了硅钢片的叠装工艺；
(3)采用了一体化的定子铁芯，永磁体槽不切断定子铁芯轭部，降低了定子铁芯与动子铁芯的同心安装难度，方便安装、拆卸、维护、更换，节省制造与维护的成本；
(4)采用了定子永磁型的结构，且永磁体固定位置远离运动机构，保护了永磁体，使得受力振动部件仅由铁芯构成，提高了电机的可靠性，同时永磁体靠近机壳，提高了永磁体的散热能力，延长了电机的使用寿命；
(5)气隙两侧均为铁芯，使得气隙可以不受永磁体限制，从而在设计上可以通过减小气隙长度来提高气隙磁密的幅值，从而提升功率密度；
(6)双定子间距以及动子铁芯长度经过优化设计，可使动子在行程范围内所受磁阻力较小，出力更平滑。
总的来说，与传统结构相比，本发明永磁体作为易损件不参与往复振动，极大地提高了电机的安全性、可靠性和鲁棒性，且永磁体在定子上，直接通过定子铁芯和机壳散热，散热方便；通过合理的尺寸设计，可使动子在有效行程范围内磁阻力小，静推力平滑，且过载能力强。该新型电机适用于压缩机、泵类以及其它双向往复运动的应用场合。
附图说明
图1为定子动子冲片、以及永磁体排布方式和线圈绕向示意图
图2为本发明一个实施实例的剖面图
图中：1、定子铁芯冲片；2、动子铁芯冲片；3、永磁体；4、线圈；5、隔磁桥；6、定子铁芯；7、机壳；8、端盖；9、直线滑动轴承；10、谐振弹簧；11、动子铁芯；12、线圈；13轴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明电机技术原理是磁通反向原理：当电机定子绕组通入电流，其中一个定子的电枢磁场对永磁体磁场去磁，而另一个定子的电枢磁场对永磁磁场增磁，从而造成不同定子下，合成的气隙磁场强度的不等分布，从而驱使动子向气隙磁场强度高的一侧移动；若通入周期性的交流电，则不同定子下气隙磁场强度周期性交替，驱使动子在双定子间做周期性的往复振动。
图1为定子和动子铁芯冲片、以及永磁体排布方式和线圈绕向示意图。其中包括：1、定子铁芯冲片；2、圆环形动子铁芯冲片；3、永磁体；4、线圈；5、隔磁桥。定子铁芯冲片1的轭部加工有用于嵌放永磁体3的矩形凹槽，且凹槽不切断定子轭部，而是保留有一段很窄的隔磁桥5；任意相邻永磁体充磁方向相反；定子齿上绕制线圈4，任意相邻的线圈中电流正方向相反，即反向串联。无论是定子铁芯冲片，动子铁芯冲片，或者永磁体，其形状都相对规则和简单，且铁芯叠压方式与旋转电机一致，工艺简单。
图2为本发明的一种直线振荡电机较佳实施实例的纵向剖面图。所述定子铁芯6为分离式双定子铁芯，两个柱状定子铁芯之间持有间距，轴向对齐地安装于机壳7内部；每个定子轭部沿周均匀地嵌入多块永磁体3；组成电枢绕组的多个线圈4缠绕于定子铁芯6上，任意相邻线圈反向串联；所述动子铁芯11居中安装于轴13上，与定子铁芯6同心且径向上双边各间隔一段等长的气隙地固定于定子铁芯内圆内，在轴13上的动子铁芯11与端盖8之间套放有谐振弹簧10，起到复位与提供谐振能量的作用；端盖8安放于机壳两侧，起到固定和保护作用；直线滑动轴承9对称地设置在轴13两端，在动子运动过程中起到约束其运动轴线和减小摩擦阻力的作用。
其中，6、定子铁芯，由图1所示定子铁芯冲片轴向叠压构成柱状定子铁芯，两个柱状定子铁芯之间持有间距，轴向对齐地安装于机壳7内部，定子间距用以嵌放线圈和防止不同定子上永磁体极间漏磁；7、机壳，可由铸铝或其它隔磁的高强度金属材料铸造而成，起到固定定子铁芯和屏蔽电磁场的作用；8、端盖，可采用铝合金或其它高强度型材加工而成，防止电机漏磁，起到固定和保护作用；9、直线滑动轴承，可采用滚珠轴承；10、谐振弹簧为圆柱压缩弹簧，其弹性系数k需与动子铁芯+轴质量m和期望的系统谐振频率f相匹配，具体根据公式
Figure BDA0001125993180000051
确定；11、动子铁芯，由图1所示圆环形动子铁芯冲片叠压而成，居中固定于轴上；12、线圈，相邻线圈中电流正方向相反，即相邻线圈反向串联构成定子电枢绕组；13、轴，由铝合金或其他高强度轻质材料加工而成，以减轻运动部件质量，提高谐振频率，用于固定动子铁芯和连接后级负载。
构成电枢绕组的线圈4有两种绕制方式：采用6个定子线圈或12个定子线圈；当采用6个定子线圈时，每个线圈绕制于两个定子轴向对齐的两个齿上；当采用12个线圈时，12个线圈分别绕制于12个定子齿上。无论采用何种绕制方式，任意相邻线圈均须反向串联，构成电枢绕组。对绕组通入直流电流后，其中一个定子的电枢磁场对永磁体磁场进行削弱，而另一定子的电枢磁场对永磁体磁场进行增强，从而驱动动子向磁场增强的一侧做直线运动；若通入周期性交变电流，则可驱动动子在双定子间做振荡往复运动。
嵌放于定子铁芯6内的永磁体为规则长方体，按两两间隔60度的方式嵌入定子铁芯6轭部的凹槽内，且同一定子上任意相邻两块永磁体充磁方向相反。
工作时，由两柱状定子、内嵌于定子铁芯上的永磁体以及定子齿上的线圈组成电机的驱动单元，驱动动子铁芯做周期性的往复运动。具体的说，当定子电枢绕组中通以一定频率的单相正弦交流电，定子电枢磁场与永磁磁场在气隙合成为一个往复振动的气隙磁场，气隙磁场振动频率与供电频率相同，从而驱动动子铁芯以同样的频率压缩弹簧，在设计的有效行程范围内做直线往复运动，动子铁芯固定于轴上，通过轴连接后级负载，从而向外输出功率。
仿真分析以及样机实验证明，本发明所述定子永磁型动铁芯式直线振荡电机加工工艺简单，装配、拆卸、维护成本低，安全性、可靠性、鲁棒性强，散热良好，使用寿命长，在设计的有效行程范围内，磁阻力小，输出静推力平滑，适合于压缩或泵类等双向往复直线运动的应用场合。

Claims (6)

1.一种定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，包括定子铁芯(6)、动子铁芯(11)、轴(13)、永磁体(3)、线圈 (4)、机壳 (7)，端盖(8)，直线滑动轴承(9)以及谐振弹簧(10)：
所述定子铁芯(6)为分离式双定子铁芯，两个柱状定子铁芯之间持有间距，轴向对齐地安装于机壳(7)内部；每个定子轭部沿圆周均匀地嵌入多块永磁体(3)，且永磁体正对定子铁芯(6)的槽上；组成电枢绕组的多个线圈(4)缠绕于定子铁芯(6)的齿上，任意相邻线圈反向串联；所述动子铁芯(11)居中安装于轴(13)上，与定子铁芯(6)同心且径向上双边各间隔一段等长的气隙地固定于定子铁芯内圆内，轴(13)由直线滑动轴承(9)支撑固定，在轴(13)上的动子铁芯(11)与端盖(8)之间套放有谐振弹簧(10)。
2.根据权利要求1所述的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述定子铁芯(6)和动子铁芯(11)均由多层无取向硅钢片轴向叠压而成。
3.根据权利要求1所述的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述线圈(4)包括6个线圈或12个线圈。
4.根据权利要求1所述的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，嵌放于定子铁芯内的永磁体为规则长方体，按两两间隔60度的方式嵌入定子铁芯(6)轭部的凹槽内，且同一定子上铁芯任意相邻两块永磁体充磁方向相反。
5.根据权利要求1至4任一项所述的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述定子铁芯(6)中固定永磁体的凹槽不切断定子铁芯(6)的轭部，在底部保留有一段隔磁桥(5)。
6.根据权利要求1至4任一项所述的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，其谐振弹簧(10)为圆柱形压缩弹簧。
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