CN106685168B - 一种定子永磁型混合磁路动铁芯式直线振荡电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种定子永磁型混合磁路动铁芯式直线振荡电机，包括定子铁芯、定子背铁、动子铁芯、轴、永磁体、电枢绕组、机壳以及谐振弹簧；定子轭部沿圆周均匀地嵌入多块矩形永磁体；定子铁芯外部有一环形铁芯构成的定子背铁；定子铁芯与定子背铁同心之间的间隙沿圆周方向均匀地嵌入多块弧形永磁体；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端盖之间套放有谐振弹簧。本发明中永磁体不参与往复振动，极大地提高了电机的安全性、可靠性和鲁棒性；通过合理引入永磁体附加磁路，达到降低成本的目标，同时提高电机可靠性、安全性、可维护性，提高电机功率密度。

Description

一种定子永磁型混合磁路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，涉及一种在同一电机内采用两种类型的永磁体并联励磁，且永磁体嵌于定子上，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。而且电机中稀土永磁体的用量相对较大，仍然有进一步降低稀土材料用量的空间。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种定子永磁型混合磁路动铁芯式直线振荡电机，其目的在于，永磁体不参与往复振动，极大地提高了电机的安全性、可靠性和鲁棒性；通过合理引入永磁体附加磁路，达到降低成本的目标，同时提高电机可靠性、安全性、可维护性，提高电机功率密度。

一种定子永磁型混合磁路动铁芯式直线振荡电机，包括定子铁芯、定子背铁、动子铁芯、轴、永磁体、电枢绕组、机壳、直线轴承、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，单个定子齿数为N_t；每个定子轭部沿圆周等间距地嵌入多块矩形永磁体；每个定子外部有一同心安装的环形定子背铁，背铁内径大于定子铁芯外径；定子铁芯与定子背铁之间的间隙，沿圆周等间距地嵌入多块圆弧形永磁体；组成电枢绕组的多个线圈缠绕于定子铁芯齿上，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，轴由直线轴承支撑固定，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、定子背铁和动子铁芯，均由多层无取向硅钢叠片轴向叠压而成。

进一步地，所述电枢绕组由N_t个线圈或者2N_t个线圈组成。

进一步地，所述多块矩形永磁体两两间隔360/N_t度地嵌入定子铁芯轭部的凹槽内，充磁方向沿圆周切向，且同一定子铁芯上任意相邻两块矩形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切断定子铁芯的轭部；或者不切断定子铁芯轭部，在底部保留有一段很窄的隔磁桥。

进一步地，所述的多块圆弧形永磁体嵌于定子铁芯和定子背铁之间的间隙，每一块的位置限于相邻两块矩形永磁体所夹的360/N_t度的扇区内，充磁方向沿辐射径向，且任意相邻扇区内的圆弧形永磁体充磁方向相反。每扇区圆弧形永磁体之间填充有非导磁材料，将定子铁芯固定于定子背铁上。

进一步地，所述多块圆弧形永磁体，其每个360/N_t度的扇区内的永磁体可由一完整的圆弧体组成；或者可将每个360/N_t度的扇区内的单块圆弧形永磁体等分成k段，k为大于等于2的整数，段与段之间等间距安装，且k段永磁体总弧长不超出所限定的360/N_t度的扇区。

进一步地，所述的等分后的k段圆弧形永磁体，每一段的充磁方向均与等分前的一整块圆弧形永磁体相同。

进一步地，所述机壳由非导磁材料铸造，用以固定电机整体和端盖。

进一步地，所述端盖、轴由非导磁材料加工，并与定子铁芯同心装配。

进一步地，所述直线轴承可为滚珠轴承或线性滑动轴承，同心安装于端盖上。

进一步地，所述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直接驱动机构，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)永磁体槽可以切断定子铁芯轭部，也可以切断定子铁芯轭部，选择灵活，当选择后者时，定子铁芯为一整体，降低了定子铁芯与定子背铁、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)通过在外围增加辐射径向充磁的永磁体，引入了附加的并联磁路，在不损失推力密度，不增加电机体积的前提下，合理充分地利用了空间，通过设计优化，可以极大地节省资源和降低成本；

(5)气隙两侧均为铁芯结构，使得气隙可以不受永磁体限制，在设计上可以通过减小气隙长度来提高气隙磁通密度的幅值，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，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；通过合理采用不同类型永磁体搭配设计并联磁路，并合理优化永磁体用量，在保证推力密度不变，不增加电机体积的同时，极大地节约了资源，降低了成本；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，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。该新型电机适用于驱动压缩机、泵类以及其它双向往复运动的机构。

附图说明

图1为本发明一个实施实例的定子铁芯冲片、定子背铁冲片、动子铁芯冲片、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轴向剖面图；

图3为实施实例中线圈的不同绕制方式及对应的定子间距设置示意图；

图4为实施实例中单块圆弧形永磁体不分段与均分为2段时的排布图。

图1中：1、定子铁芯冲片；2、动子铁芯冲片；3、矩形永磁体；4、圆弧形永磁体；4、线圈；5、隔磁桥；6、定子铁芯冲片；7、定子背铁冲片。

图2中：8、机壳；9、端盖；10、直线滑动轴承；11、谐振弹簧；12、定子铁芯；13、圆弧形永磁体；14、定子背铁；15、动子铁芯；16、线圈；17、轴。

图3中：18、线圈；19、定子齿；20、定子间距。

图4中：21、圆弧形永磁体。

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相同频率的周期性的往复振动。

本发明的实施实例采用了一种优选的单个定子齿数N_t＝6。

图1为实施实例的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、动子铁芯冲片；3、矩形永磁体；4、线圈；5、隔磁桥；6、圆弧形永磁体；7、定子背铁冲片。定子铁芯冲片1的轭部加工有用于嵌放矩形永磁体3的矩形凹槽，本实例中凹槽不切断定子冲片轭部，而是保留有一段很窄的隔磁桥5；矩形永磁体3沿圆周切向充磁；定子背铁冲片7为环形冲片，其内半径大于定子铁芯冲片1的外半径，长出的部分等于圆弧形永磁体6的径向厚度；圆弧形永磁体6安装位置位于相邻两块矩形永磁体所限定的扇区内，长度不超出扇区长度；圆弧形永磁体6沿辐射径向充磁；无论是矩形永磁体3还是圆弧形永磁体6，任意相邻两块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1，动子铁芯冲片2，定子背铁冲片7或者永磁体(3、6)，其形状都相对规则和简单，且硅钢冲片叠压方式为轴向叠压，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轴向剖面图。所述定子铁芯12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8内部；每个定子铁芯轭部均匀地嵌入6块矩形永磁体3；定子铁芯12外部同心安装定子背铁14；定子铁芯12和定子背铁14之间的间隙嵌入6块圆弧形永磁体13；组成电枢绕组的多个线圈16缠绕于定子齿上；所述动子铁芯15居中安装于轴17上，两者平键联接，与定子铁芯12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12的内圆内；在轴17上的动子铁芯15与端盖9之间套放有谐振弹簧11，起到复位与谐振储能的作用；端盖9安放于机壳两侧，起到固定和保护作用；直线轴承10对称地设置在轴17两端并同心安装在端盖9上，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，8、机壳，可由铸铝或其它不导磁的材料铸造而成，起到固定定子铁芯和屏蔽电磁场的作用；9、端盖，可采用铝合金或其它不导磁材料加工而成，防止电机漏磁，起到固定和保护作用；10、直线轴承，可采用滚珠轴承或线性滑动轴承，起到约束运动方向和支撑的作用；11、谐振弹簧为圆柱压缩弹簧，其弹性系数k_s需与动子铁芯+轴质量m和期望的系统谐振频率f相匹配，具体根据公式确定；12、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8内部，定子间距用以放置线圈的端部和防止不同定子上永磁体的极间漏磁；14、定子背铁，由图1所述的定子背铁冲片轴向叠压而成，与定子铁芯同心安装；15、动子铁芯，由图1所示的动子铁芯冲片1叠压而成，居中固定于轴17上；16、线圈，线圈的绕线为漆包铜线，且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；17、轴，由铝合金或其他非导磁材料加工而成，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。

如图3所示，实际实施过程中构成电枢绕组的线圈18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12个线圈时，如图3中左图所示，12个线圈分别绕制于12个定子齿19上，此时定子间距20需预留出足够空间以容纳线圈18的端部和防止漏磁；当采用6个定子线圈时，如图3中右图所示，每个线圈绕制于两个定子轴向对齐的两个定子齿19上，此时定子间距20中不放置线圈18的端部，其长度可适当减小，仅起到防止漏磁作用。无论采用何种绕制方式，任意相邻线圈须反向串联，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；若通入一定频率交变电流，则可与永磁体磁场合成强度周期性交变的气隙磁场。

实施实例中，嵌于定子铁芯轭部的矩形永磁体，按两两间隔60度的方式嵌入定子铁芯轭部的凹槽内，沿圆周切向平行充磁，且同一定子上任意相邻两块永磁体充磁方向相反。

实施实例中，圆弧形永磁体21嵌于定子铁芯和定子背铁之间的间隙，每个由相邻的矩形永磁体所限定的60度的扇区内嵌入一整块的圆弧形永磁体，如图4中左图所示；或者可以将一整块圆弧形永磁体等分为k段等长的弧形多段体，k为大于等于2的整数，本实施实例给出了k＝2的示意图，如图4中右图所示。充磁方式均为辐射径向充磁。如图4所示，无论是每块圆弧形永磁体为单一整体或是多段体的形式，其总长度均不超过所在扇区的长度，且同一扇区内的圆弧形永磁体的充磁方向相同，相邻扇区的圆弧形永磁体充磁方向相反。

此设计下，矩形永磁体与圆弧形永磁体磁路为并联结构，为电机提供恒定的永磁体励磁磁场。工作时，由两柱状定子及其背铁、矩形永磁体、圆弧形永磁体、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强度周期性交变的气隙磁场，气隙磁场振动频率与供电频率相同，根据虚位移定理，动子铁芯将受到周期性的驱动力，方向始终指向气隙磁场强度高的地方。因此，动子铁芯将以与电源频率相同的频率压缩弹簧，在设计的有效行程范围内做相同频率的直线往复运动。动子与轴以平键联接，轴与后级负载相连接，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混合磁路动铁芯式直线振荡电机加工工艺简单，结构紧凑，材料用量低，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，适用于驱动压缩机或泵类等双向往复直线运动机构。

Claims (9)

1.一种定子永磁型混合磁路动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，包括定子铁芯、动子铁芯、定子背铁、轴、永磁体、电枢绕组、机壳、端盖、直线轴承以及谐振弹簧；

所述定子铁芯为分离式双定子铁芯，两个环状定子铁芯之间持有间距，轴向对齐地安装于机壳内部；每个定子有N_t个齿，每个定子轭部沿圆周等间距地嵌入N_t块矩形永磁体；每个定子外部有一同心安装的环形定子背铁，背铁内径大于定子铁芯外径；定子铁芯与定子背铁之间的间隙中沿圆周等间距地嵌入多块圆弧形永磁体；所述的多块圆弧形永磁体嵌于定子铁芯和定子背铁之间的间隙，每一块的位置限于相邻两块矩形永磁体所夹的360/N_t度的扇区内，充磁方向沿辐射径向，且任意相邻扇区内的圆弧形永磁体充磁方向相反，相邻两块矩形永磁体与其两者之间的圆弧形永磁体相向的三面极性相同；组成电枢绕组的多个线圈缠绕于定子铁芯齿上；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，轴由直线轴承支撑固定，在轴上的动子铁芯与端盖之间套放有谐振弹簧。

2.根据权利要求1所述的定子永磁型混合磁路动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述定子铁芯、动子铁芯及定子背铁，均由多层无取向硅钢片轴向叠压而成。

3.根据权利要求1所述的定子永磁型混合磁路动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述电枢绕组包括N_t个线圈，N_t为定子齿数，即不同定子上轴向对齐的两个齿绕一个线圈；或者所述电枢绕组包括2N_t个线圈，即两个定子的每个齿均绕一个线圈。

4.根据权利要求1所述的定子永磁型混合磁路动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述多块矩形永磁体两两间隔360/N_t度地嵌入定子铁芯轭部的凹槽内，充磁方向沿圆周切向，且同一定子铁芯上任意相邻两块矩形永磁体充磁方向相反。

5.根据权利要求1所述的定子永磁型混合磁路动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，每扇区圆弧形永磁体之间填充有非导磁材料，将定子铁芯固定于定子背铁上。

6.根据权利要求1或5所述的定子永磁型混合磁路动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述多块圆弧形永磁体，其每360/N_t度扇区内的永磁体可由一完整的圆弧体组成；或者可将同一扇区内的单块圆弧形永磁体等分成k段，k为大于等于2的整数，每一段充磁方向与不分段时保持一致，段与段之间等间距安装，且k段永磁体总弧长不超出所限定的360/N_t度的扇区长度。

7.根据权利要求1或4所述的定子永磁型混合磁路动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述定子铁芯中固定永磁体的凹槽切断定子铁芯轭部；或者不切断定子铁芯的轭部，在底部保留有一段隔磁桥。

8.根据权利要求1所述的定子永磁型混合磁路动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述端盖为非导磁材料铸造，与定子铁芯同心装配；所述轴以非导磁材料加工，与动子铁芯平键连接。

9.根据权利要求1所述的定子永磁型混合磁路动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述直线轴承可采用线性滑动轴承或滚珠轴承，所述谐振弹簧为圆柱形压缩弹簧。