CN106849592B - 一种内定子永磁型动铁芯式直线振荡电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其包括内、外定子铁芯、动子铁芯、笼型动子铁芯支架、永磁体、电枢绕组及谐振弹簧；内定子铁芯的每个环状定子铁芯的轭部沿圆周方向均匀地嵌入多块永磁体；组成电枢绕组的多个线圈缠绕于外定子铁芯齿上；动子铁芯由多段弧形铁芯组成，各段弧形铁芯用笼型动子铁芯支架紧固连接为整体，该整体居中安装在内、外定子铁芯之间的气隙中，在笼型动子铁芯支架与端盖之间套设有谐振弹簧。本发明中永磁体不参与往复振动，可极大地提高电机的安全性、可靠性和鲁棒性；永磁体与电枢绕组放置在不同定子上，可避免永磁体的高温失磁；动子质量减轻，可降低系统对谐振弹簧刚度的需求，有利于谐振频率的提高。

Description

一种内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，涉及一种在同一电机内采用内、外两套定子，且永磁体和电枢绕组分开放置于内、外定子上，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，各种不同构成的永磁直线振荡电机的介绍如下：

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。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。

而就传统结构的动铁芯式直线振荡电机而言，其动子仅由硅钢片叠压而成，强度与可靠性均较高。但随之而来的问题就是，永磁体与电枢绕组均处于同一个发热单元上，电枢产生的热量极易传导到永磁体上，严重时甚至会导致其不可逆失磁，严重制约的电机的过载能力，削弱其可靠性。另外，铁芯式动子质量偏大，对写真弹簧刚度要求较高，也是制约该类直线振荡电机应用的一大因素。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种内定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其目的在于，将永磁体和电机热源(绕组)分别放置在不同定子上，有效减少了传导到永磁体上的热量，降低高温退磁的风险；通过重新设计动子结构，有效降低了动子质量，使电机在提高可靠性、安全性的同时，降低了对弹簧刚度的要求，更容易提高电机的谐振频率，其在结构上避免永磁体参与往复振动，极大地提高了电机的安全性、可靠性和鲁棒性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种内定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，包括内定子铁芯、外定子铁芯、动子铁芯、笼型动子铁芯支架、传动轴、支撑轴、永磁体、电枢绕组、机壳、轴承、端盖以及谐振弹簧：

其中，所述端盖设置在所述机壳的两端；所述内定子铁芯和外定子铁芯均包括分离式双定子铁芯，分别包括两个环状内定子铁芯和两个环状外定子铁芯，各自的两个环状定子铁芯之间持有间距并且轴向重合地安装于机壳内部，每个环状定子铁芯上均设置有N_t个齿；所述内定子铁芯中的每个环状内定子铁芯的轭部沿圆周等间距地嵌装有N_t块永磁体；组成所述电枢绕组的多个线圈缠绕于外定子铁芯的齿上；所述动子铁芯用笼型动子铁芯支架紧固为一体；所述动子铁芯和所述笼型动子铁芯支架共同组成动子，所述动子居中安装于内、外定子铁芯之间的气隙中；所述笼型动子铁芯支架两端设置有端环，端环与端盖之间套设有谐振弹簧；所述笼型动子铁芯支架端部设置有伸出机壳的传动轴；所述内定子铁芯轴向对称地居中固定于支撑轴上，支撑轴由两侧的端盖支撑固定；所述轴承设置在端盖上，用于支撑所述传动轴。

进一步地，所述内、外定子铁芯、动子铁芯，均由多层无取向硅钢叠片沿轴向叠压而成。

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，所述多块永磁体两两间隔360/N_t度地嵌入每个环状内定子铁芯的轭部的凹槽内，充磁方向沿圆周切向，且同一环状内定子铁芯上任意相邻两块永磁体充磁方向相反。

进一步地，内定子铁芯的每个环状内定子铁芯中固定永磁体的凹槽切断环状内定子铁芯的轭部；或者不切断环状内定子铁芯的轭部，而是在底部保留有一段很窄的隔磁桥。

进一步地，所述动子铁芯由N_t段弧形铁芯组成，每段弧形铁芯上均留有多个定位通孔，方便将多段弧形铁芯紧固于笼型动子铁芯支架上。

进一步地，所述笼型动子铁芯支架，包括笼条与端环，均以非导磁材料加工，通过动子铁芯上的定位通孔将多段弧形铁芯紧固为一体。

进一步地，所述笼条的两端及中段加工有螺纹，利用螺母与螺纹配合的方式分别将端环和组成动子铁芯的多段弧形铁芯固定于两端及中间。

进一步地，所述笼型动子铁芯支架两端的传动轴与端环加工为一体，所述传动轴以轴承支撑。

进一步地，所述机壳由非导磁材料铸造，用以固定外定子铁芯和端盖。

进一步地，所述端盖、支撑轴均由非导磁材料加工，并与内、外定子铁芯同轴装配，用以固定内、外定子铁芯。

进一步地，所述轴承可为滚珠轴承或线性滑动轴承，安装于端盖上。

进一步地，所述谐振弹簧可采用圆柱形压缩弹簧。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明采用内、外双定子结构，且永磁体和绕组分开放置于内、外定子上，使得永磁体远离热源(电枢绕组)，从而可以有效避免其高温退磁，提高了电机的可靠性和过载能力以及使用寿命；

(2)动子铁芯结构经过改进设计，在不降低可靠性和工艺难度的前提下，质量得到极大的降低，使电机对弹簧刚度的要求降低，有利于提高系统的谐振频率，实现高频振荡；

(3)采用了定子永磁型的结构，避免永磁体承受振动应力，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，延长了电机的使用寿命；

(4)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；

(5)外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。

(6)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，噪音小，效率高；采用横向磁通的磁路设计，简化了硅钢片的叠装工艺；永磁体槽可以切断内定子铁芯的环状定子铁芯的轭部，也可以不切断，选择灵活，当选择后者时，内定子铁芯的环状定子铁芯为一整体，降低了内、外定子铁芯同心安装的难度，方便安装、拆卸、维护，节省制造与维护的成本。

总的来说，与传统电机结构相比，本发明电机中的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；通过将永磁体和绕组分开放置于不同定子铁芯上，可以有效降低传导到永磁体上的热量，避免了永磁体不可逆退磁和延长其使用寿命；通过巧妙的动子铁芯结构设计，在不增加工艺难度的同时，极大地降低了动子的质量，降低了系统对谐振弹簧刚度的要求，间接地提高了电机的谐振频率；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。

本发明的新型电机适用于驱动压缩机、泵类以及其它直线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中内、外定子铁芯冲片、动子铁芯冲片、动子铁芯定通位孔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内定子永磁型动铁芯式直线振荡电机轴向剖面简图；

图3(a)为本发明一个实施实例中，当电枢绕组线圈个数为12时，线圈的绕制方式；

图3(b)为本发明一个实施实例中，当电枢绕组线圈个数为6时，线圈的绕制方式；

图4(a)为本发明一个实施实例中，笼型动子铁芯支架的主视剖面图；

图4(b)为本发明一个实施实例中，笼型动子铁芯支架的左视图；

图4(c)为本发明一个实施实例中，笼型动子铁芯支架端环与笼条连接处的局部放大图；

图4(d)为本发明一个实施实例中，笼型动子铁芯支架笼条中段结构的局部放大图。

其中，相同的附图标记自始至终表示相同的部件或者结构：

1、外定子铁芯冲片；2、线圈；3、内定子铁芯冲片；4、永磁体；5、动子铁芯冲片；6、动子铁芯定位通孔；7、外定子铁芯；8、机壳；9、端盖；10、笼型动子铁芯支架；11、轴承；12、谐振弹簧；13、动子铁芯；14、电枢绕组；15、内定子铁芯；16、传动轴；17、支撑轴；18、定子齿；19、螺母；20、笼条；21、端环；22、螺纹；23、端环上定位通孔。

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例仅仅用以解释本发明，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。

图1为本发明一个实施实例中，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。其包括外定子铁芯冲片1、线圈2、内定子铁芯冲片3、永磁体4、动子铁芯冲片5以及动子铁芯定位通孔6。其中，外定子铁芯冲片1为一整体，内定铁芯冲片3在轭部加工有用于嵌入永磁体4的矩形凹槽，采用凹槽切断环状内定子铁芯轭部的形式。永磁体4沿圆周切向充磁，同一环状内定子铁芯上，任意相邻永磁体充磁方向相反。定子齿上绕制线圈2，任意相邻的线圈中电流正方向相反，即反向串联。动子铁芯冲片5分为六段，每段上均开有多个定位孔，叠压成动子铁芯后形成动子铁芯定位通孔6，动子铁芯定位通孔6用以插入笼型动子铁芯支架笼条，配合螺母居中固定。无论是外定子铁芯冲片1，内定子铁芯冲片3，或者永磁体4亦或动子铁芯冲片5，其形状都相对规则和简单，冲片叠压方式均为轴向叠压，与旋转电机一致，工艺较简单。

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，由图可知，所述内定子铁芯15、外定子铁芯7均为分离式双定子铁芯，各自的环状定子铁芯之间持有间距，其中，外定子铁芯7轴向对齐地安装于机壳8内部，内定子铁芯15轴向对齐地居中固定于支撑轴17上，支撑轴17则与端盖9固定为一体。每个内定子铁芯15轭部均匀地嵌入六块永磁体4。组成电枢绕组14的多个线圈缠绕于外定子铁芯7齿上(该实施实例中，环状的内、外定子铁芯的齿数N_t＝6)。所述动子铁芯13安装于笼型动子铁芯支架10笼条的中间，所述动子铁芯13和笼型动子铁芯支架10共同构成动子，所述动子径向上居中安装于内定子铁芯15与外定子铁芯7之间的气隙中。笼型动子铁芯支架10两侧的端环上一体设置有若干传动轴16，传动轴16通过设置在端盖9上的轴承11支撑。端盖9设置在机壳8两端，两端的端盖9上均设置有用于支撑传动轴16的轴承11。笼型动子铁芯支架10两侧的端环与端盖9之间套放有谐振弹簧12；端盖9安放于机壳两侧，与机壳8紧固为一体；轴承11同心对称地安装在端盖9上。

具体的，外定子铁芯7是由图1所示外定子铁芯冲片1轴向叠压构成的环状定子铁芯，两个环状外定子铁芯之间持有间距，轴向对齐地安装于机壳8内部，两个环状外定子铁芯间的间距一方面用于放置线圈2的端部，另一方面可以减轻不必要的铁芯质量，阻断轴向磁路，减少内定子上永磁体沿轴向的漏磁。机壳8可由铸铝或其它不导磁的材料铸造而成，起到固定外定子铁芯7和屏蔽电磁场的作用。端盖9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。笼型动子铁芯支架10可用铝合金材料加工，主要由笼条和端环两部构成，笼条的两端及中段加工有螺纹，利用螺母与螺纹配合紧固的方式分别将端环和动子铁芯13固定于两端及中间，端环上一体设置有若干向外输出推力的传动轴16。轴承11可采用滚珠轴承或线性滑动轴承，起到减小摩擦，约束运动方向和支撑笼型动子铁芯支架的作用。谐振弹簧12可采用圆柱压缩弹簧，其弹性系数k_s需要与动子整体质量m和期望的系统谐振频率f相匹配，具体根据公式确定。

更具体的，动子铁芯13由图1所示的动子铁芯冲片5轴向叠压而成，其包括六段弧形铁芯，其六段弧形铁芯之间圆周上间隔适当距离以削弱漏磁，同时所述六段段弧形铁芯需用笼型动子铁芯支架10通过螺纹和螺母配合紧固的方式将其固定和设置成整体。构成电枢绕组14的线圈绕线为漆包铜线，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。内定子铁芯15由图1所示内定子铁芯冲片3轴向叠压构成环状内定子铁芯，两个环状内定子铁芯之间持有间距，轴向对齐地固定于支撑轴17上，并且是居中固定于支撑轴17上，两个环状内定子铁芯之间的间距用以防止不同环状内定子铁芯上永磁体的极间漏磁。传动轴16与笼型动子铁芯支架10的端环一体加工成型，利用端盖上的轴承11支撑，用以连接后级负载。支撑轴17由铝合金或其他非导磁材料加工而成，用于固定内定子铁芯15。

图3为本发明一个实施例中线圈的不同绕制方式及对应的定子间距设置示意图，如图3所示，实际实施过程中构成电枢绕组14的线圈2有两种绕制方式：采用六个定子线圈或十二个定子线圈。当采用十二个定子线圈时，如图3(a)所示，十二个线圈分别绕制于十二个定子齿18上，此时外定子间距需预留出足够空间以容纳电枢绕组线圈2的端部。当采用六个定子线圈时，如图3(b)所示，每个线圈绕制于两个定子轴向对齐的两个定子齿18上，此时外定子间距中不放置线圈2的端部，其长度可适当减小，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，其中一个外定子铁芯的电枢磁场对内定子铁芯上的永磁磁场进行削弱，而另一个外定子铁芯的电枢磁场对内定子铁芯上的永磁磁场进行增强。若通入一定频率交变电流，则可与内定子铁芯的永磁磁场合成强度周期性交变的气隙磁场。

在本发明的一个实施例中，嵌于环状内定子铁芯轭部的永磁体，按两两间隔60度的方式嵌入环状内定子铁芯轭部的凹槽内，沿圆周切向平行充磁，且同一内定子铁芯上任意相邻两块永磁体充磁方向相反。

在本发明的又一实施实例中，笼型动子铁芯支架10的具体结构和连接部位局部放大图分别如图4(a)、图4(b)、图4(c)和图4(d)所示，由图可知，笼型动子铁芯支架10主要由笼条20和端环21组成，端环上同心加工有用于对外输出推力的传动轴16和用于插入笼条20的定位通孔23，笼条20的两端和中段加工有螺纹22，通过螺母19和螺纹22旋合紧固的方式将端环和动子铁芯分别固定于笼条20的两端和中间。

本发明中，内定子上的永磁体为电机提供恒定的永磁体励磁磁场。工作时，内、外定子铁芯、永磁体、以及电枢绕组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，外定子铁芯的电枢磁场与内定子的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，动子铁芯将带动笼型动子铁芯支架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，通过笼型动子铁芯支架上的传动轴连接后级负载，从而向外输出功率。

本发明电机运行原理如下：当位于外定子上的电枢绕组通入电流，其中一个外定子的电枢磁场对内定子上永磁磁场去磁，而另一个外定子上的电枢磁场对另外一个内定子上的永磁磁场增磁，从而造成不同内、外定子之间，合成的气隙磁场强度差异，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，驱使动子在内、外的双定子间的气隙中，做相同频率的周期性的往复振动。

本发明中，在同一电机内采用内、外两套定子，且永磁体和电枢绕组分开放置于内、外定子铁芯上，本发明电机中运动和受力部件为动子铁芯。

仿真分析以及样机实验证明，本发明所述内定子永磁型动铁芯式直线振荡电机相比于动磁式直线振荡电机，工艺简单，结构紧凑，材料用量低，装配、拆卸、维护方便，安全性、可靠性、鲁棒性强，可以有效降低永磁体温升，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。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种内定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，包括内定子铁芯(15)、外定子铁芯(7)、动子铁芯(13)、笼型动子铁芯支架(10)、传动轴(16)、支撑轴(17)、永磁体(4)、电枢绕组(14)、机壳(8)、端盖(9)、轴承(11)以及谐振弹簧(12)，其中，

所述端盖(9)设置在所述机壳(8)的两端，

所述内定子铁芯(15)和外定子铁芯(7)分别包括两个环状内定子铁芯和两个环状外定子铁芯，各自的环状定子铁芯之间持有间距且轴向重合地安装于机壳内部，每个环状内定子铁芯和环状外定子铁芯均设置有N_t个齿，

所述内定子铁芯(15)中的每个环状内定子铁芯的轭部沿圆周等间距地嵌入N_t块永磁体；组成电枢绕组(14)的多个线圈(2)缠绕于外定子铁芯(7)的齿上；所述动子铁芯(13)以笼型动子铁芯支架(10)紧固为一体，所述动子铁芯和所述笼型动子铁芯支架共同组成动子，动子居中安装于内定子铁芯(15)、外定子铁芯(7)之间的气隙中，

所述笼型动子铁芯支架(10)两端设置有端环(21)，端环与端盖(9)之间套设有谐振弹簧(12)，笼型动子铁芯支架端部设置有伸出的传动轴(16)，

所述内定子铁芯(15)轴向居中地固定于支撑轴(17)上，支撑轴由两侧的端盖(9)支撑固定，

所述轴承(11)设置在端盖(9)上，用于支撑传动轴(16)，

所述内定子铁芯(15)、外定子铁芯(7)、动子铁芯(13)均由多层无取向硅钢片沿轴向叠压而成，

所述电枢绕组(14)包括N_t个线圈(2)，外定子铁芯(7)的不同环状外定子铁芯上轴向对齐的两个齿上绕制一个线圈；或

所述电枢绕组(14)包括2N_t个线圈(2)，外定子铁芯(7)的两个环状外定子铁芯的每个齿均绕制一个线圈，

N_t块永磁体(4)两两间隔360/N_t度地嵌装在单个环状内定子铁芯轭部设置的凹槽内，永磁体的充磁方向沿圆周的切向方向，且同一环状内定子铁芯上任意相邻两块永磁体的充磁方向相反。

2.根据权利要求1所述的内定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述内定子铁芯(15)中固定永磁体(4)的凹槽切断其环状内定子铁芯的轭部；或

不切断环状内定子铁芯的轭部，在不切断时会在环状内定子铁芯的轭部底部保留有一段隔磁桥。

3.根据权利要求1所述的内定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述动子铁芯(13)包括N_t段弧形铁芯，每段弧形动子铁芯上均留有多个定位通孔(6)。

4.根据权利要求3所述的内定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述笼型动子铁芯支架(10)还包括笼条(20)和端环(21)，所述笼条和端环固定为一体，

所述笼条(20)和端环(21)均以非导磁材料制造，笼条穿过每段弧形动子铁芯上的定位通孔(6)将动子铁芯紧固为一体。

5.根据权利要求4所述的内定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述笼型动子铁芯支架(10)的两个端环(21)上均设置有传动轴(16)，该传动轴与端环为一体成型以形成整体。

6.根据权利要求5所述的内定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述端盖(9)以非导磁材料铸造，并与内定子铁芯(15)、外定子铁芯(7)同轴装配，

所述支撑轴(17)以非导磁材料制造，并与内定子铁芯(15)以平键连接。

7.根据权利要求6所述的内定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述轴承(11)为线性滑动轴承或滚珠轴承，

所述谐振弹簧(12)为圆柱形压缩弹簧。