CN107707098A - 永磁式直流直线电机 - Google Patents

Abstract

一种永磁式直流直线电机，利用该电机的设计方法可设计多种、不同行程的直线电机，总体上可分为短行程和长行程永磁式直流直线电机。设计特点在于：根据永久磁体的磁场能够将周围的铁磁质物体吸引到永久磁体磁极的表面的属性，而这个吸引过程就是磁场能转化为铁磁质物体动能的过程。本发明是利用永磁体的上述特性设计的。采用的技术方案是将永磁磁场吸引铁磁质的引力变为永磁式直流直线电机的驱动力，从而达到节约能源的目的。结构特征在于：定子部分铁磁质外铁芯(1)、铁磁质凸极、线圈绕组；动子部分为永磁体(2)。动子驱动特征在于：动子永磁体的磁场与定子凸极磁场的相互排斥力(f₂)、动子永磁体的磁场吸引定子凸极产生的引力(f₁)共同产生动子的驱动力。

Description

永磁式直流直线电机

技术领域

本发明涉及直流直线电机领域，涉及一种永磁式直流直线电机、也可以说是一种永磁式直流直线电机的设计方法。

背景技术

目前直流直线电机产品已经系列化，在各领域的用途越来越广泛，正向着结构简单、使用方便、节能、安全可靠的方向发展。基于此设计发明了一种永磁式直流直线电机，以满足目前日趋繁荣的工农业生产的需求。

在磁学领域，磁场是一种特殊形态的物质，所说的磁能、严格地讲应该称之为磁场能。永久磁体是能够长期保持磁性的物体，永久磁体的磁场能够将周围在一定距离内、一定质量的铁磁质物体吸引到永久磁体磁极的表面，而这个吸引过程就是磁场能转化为铁磁质物体的动能的过程。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种永磁式直流直线电机。利用该设计方法可设计多种不同行程长度的直线电机。本发明总体上可分为短行程和长行程永磁式直流直线电机，区别在于短行程电机有四个凸极、长行程电机的凸极数大于四个。永磁式直流直线电机的驱动原理正如背景技术所述：永久磁体的磁场能够将周围在一定距离内、一定质量的铁磁质物体吸引到永久磁体磁极的表面，而这个吸引过程就是磁场能转化为铁磁质物体的动能的过程。本发明所述的永磁式直流直线电机正是利用永磁体上述特点而设计的。所采用的技术方案：是将永磁体磁场吸引铁磁质的吸引力变为永磁式直流直线电机的直线驱动力，从而达到节约能源的目的。

为了说明永磁式直流直线电机的设计方法，下面先做一个简单的物理学实验，然后再根据实验装置的结构形式和实验结果来说明本发明的设计原理。

实验装置参见附图1和附图2，该实验装置分为定子和动子两部分。定子主要由软铁磁质铁芯1和两个软铁磁质凸极1a、1b组成，两个凸极和铁芯1可以是整体结构也可组合而成；动子为永磁体2。铁芯1和铁磁质凸极1a、1b固定不动；永磁体2可左右移动。永磁体2的几何形状为长方体，其上面的几何面为N极下面的几何面为S极。由永磁体吸引铁磁质物体的属性，此时永磁体2会在磁场引力f1的作用下向左运动；当运动到永磁体2的极面对准凸极1a、1b的极面时，动子永磁体2会在磁场引力下而停止。

可见，正如背景技术所述，永磁体2向左运动的动能是由永磁体的磁场吸引铁磁质物体的磁场能转化而来的。本发明所述的永磁式直流直线电机主要是利用该引力f1、并且把它转化为直线电机的直线驱动力。图中的f1表示永磁体2吸引铁磁质铁芯1a、1b的引力，虚线表示磁力线3、空心箭头表示磁力线的方向。

永磁式直流直线电机的结构形式：附图3表示一种短行程永磁式直流直线电机的结构及工作原理示意图。其结构特征在于：主要由定子和动子两部分，定子部分由软铁磁质外铁芯1、四个软铁磁质凸极(1a、1b、1c、1d)、四个线圈(4a、4b、4c、4d)、两个延时开关5a和5b组成。动子部分为永磁体2，永磁体上面的几何面为N极下面的几何面为S极。其中绕在右边上下两个凸极(1a和1b)上的两个线圈(4a和4d)串联为一组绕组、绕在左边上下两个凸极(1c和1d)上的两个线圈(4b和4c)串联为一组绕组。两组绕组当分别接通直流电时，使对应的两个凸极极面显示的磁极极性相反。

永磁式直流直线电机的工作原理：在附图3中，当电机没有接通电源时，由于永磁体的磁场吸引1a和1d两个凸极，永磁体2会停在两凸极之间而不能左右移动处于静止状态；当接通直流电源时，由于动子的初始位置是永磁体2的右侧的几何面与延时开关5a接触，开关5a处于导通状态，所以此时延时开关5a导通，线圈绕组4a和4d内有直流电流、且该电流在一对凸极1a和1d上产生磁极磁场，其上面的凸极1a显示为N极、下面的凸极1d显示为S极。此时由于绕组内电流的出现，打破了没有电流时永磁体2由于吸引上下两凸极1a和1d的静止状态；由上述的实验结果可知，此时永磁体2的磁极由于吸引左侧的上下两凸极1b和1c而向左产生一个吸引力f1；再由磁极磁场具有相同磁极磁场相互排斥的属性，两凸极1a和1d的磁极磁场与永磁体2的N极和S极的磁场会分别相互排斥，也产生向左的一个作用力f2。所以，在这期间动子永磁体2会同时受到两个力(f1+f2)的作用向左运动。

如附图4所示，当动子运动至永磁体2的极面与凸极1b和1c的两个极面相对应时，动子会因永磁体2的磁场吸引凸极1b和1c而即刻停止。动子到达定子的左侧时延时开关5b启动开关5a关闭，直流电源6便与线圈4b和4c的串联组成闭合回路。同理，在这期间动子永磁体2的磁极由于吸引上下两凸极1a和1d而向右产生一个作用力f1；两凸极1b和1c的磁场会与永磁体2的磁场相互排斥产生一个向右的作用力f2。所以，在这期间动子永磁体2会也同时受到两个力(f1+f2)的作用向右运动。可见，当延时开关5a和5b各开启一次，动子完成一次往复运动。另外，由于两组绕组成并联关系且依次接通和断开电源，所以可利用调节支路电流的大小，控制在每个方向上驱动力的大小。也就说往复运动的驱动力可以相等、也可以不等。

由短行程永磁式直流直线电机的工作原理不难看出：延时开关的延时时间和动子在一个方向上运动的时间必须相匹配，这一点可根据动子的行程、所带负荷的大小选择开关的延时时间。还可以根据不同的需要设计制造去掉延时开关，变为手动操作的短行程永磁式直流直线电机。手动操作的短行程永磁式直流直线电机适合设计制造射钉枪等需要行程较短的直线电机。

附图5表示附图4沿A-A向的剖视图，图中外铁芯1和凸极铁芯为组合体，外铁芯1为方管形。附图6表示靠延时开关控制的短行程永磁式直流直线电机的线路示意图，图中的4a和4d表示右边两个凸极线圈绕组，4b和4c表示左边的两个凸极线圈绕组。

另外，所述的永磁式直流直线电机是指通过绕在凸极上绕组的是直流电流，该电机所用电源可以是直流电源也可是交流电源经整流后再与直线电机的绕组连接。附图7表示由两个二极管控制的短行程永磁式直流直线电机线圈绕组的线路示意图，图中两个二极管代替附图3所示的两个延时开关5a和5b。单相交流电的正向半波和负向半波分别交替通过两个绕组(4a和4d、4b和4c)时、并且使上边的两个凸极(1a和1d)显示为N极、下边两个凸极(1b和1c)显示为S极。所以，动子受到两个方向的驱动力作直线往复运动。其运动属性是动子运动的频率和单相交流电源的频率相同；往复运动的行程较短。该方案适合设计制造空气泵、增氧泵等需要行程较短的直线电机。

永磁式直流直线电机具有可逆性：如附图3所示，当永磁式直流直线电机的动子被其它动力拖动下作往复运动时，会使永磁体2相对应的绕组内穿过的磁通量逐渐减少。根据电磁感应定律，在这期间该绕组内便产生感应电动势。但是，在这期间因为只有穿过每个凸极绕组的磁通量逐渐减小时其延时开关才导通，所以本发明所述的永磁式直流直线电机作为发电机使用时，发出的是脉动直流电。

综上所述，短行程永磁式直流直线电机的驱动原理是：动子磁场与定子磁场之间的相互排斥力f₂、动子磁场吸引软铁磁质定子的引力f₁共同产生直线电机的驱动力(f₁+f₂)。其中斥力f₂产生动子的动能是由直流电能转换而来；而吸引力f₁产生的动能则是利用了永磁体吸引铁磁质的属性，是将永磁体的磁场能转化为动子的直线运动的动能。永磁式直流直线电机正是利用了这一特性而设计的。本发明所述的永磁式直流直线电机与传统的直线电机比较其有益效果在于：结构简单，节能效果好。另外，由于本发明所述的短行程和长行程永磁式直流直线电机的工作原理基本相同，所以，以上所述是以短行程永磁式直流直线电机为例说明本发明的工作原理的。

附图说明

附图1表示实验所用装置的基本结构和工作原理示意图。

附图2表示实验所用装置的基本结构和工作原理示意图。

附图3表示短行程永磁式直流直线电机沿动子运动方向上的剖视示意图。

附图4表示短行程永磁式直流直线电机完成第一个二分之一行程时、沿动子运动方向上的剖视示意图。

附图5表示附图4沿A-A方向的剖视示意图。

附图6表示短行程永磁式直流直线电机线圈绕组的线路示意图。

附图7表示由二极管控制的短行程永磁式直流直线电机线圈绕组的线路示意图。

附图8表示长行程永磁式直流直线电机的结构和工作原理示意图。

附图9表示长行程永磁式直流直线电机的线圈绕组的线路示意图。

<1>外铁芯，<1a>、<1b>、<1c>、<1d>、<1e>、<1f>、<1g>、<1h>软铁磁质凸极，<2>永磁体，<3>磁力线，<4a>、<4b>、<4c>、<4d>、<4e>、<4f>、<4g>、<4h>表示绕在凸极上的线圈，<5a>、<5b>延时开关，<6>直流电源，<7a>、<7b>、<7c>、<7d>、<7e>、<7f>磁力开关，<8a>、<8b>联动开关，<f₁>表示永磁体吸引铁磁质凸极的引力，<f₂>表示永磁体磁场与电流产生的磁场之间的相互排斥力，<⊙>表示导线电流流出，表示导线电流流进。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做作进一步说明。

短行程永磁式直流直线电机的启动特性：为了确保该电机具有良好的启动性能，必须做到动子在静止状态下能够接通电源时即可启动。如附图3所示，在电机没有接通电源时，根据永磁体磁场吸引铁磁质凸极的特性和由于沿动子运动方向的两个凸极之间存在一定的间隙，所以动子可能停在定子的右侧，即永磁体2与凸极1a和1d对应；或着停在定子的左侧，即永磁体2与凸极1b和1c对应。要使电机接通电源时能即可启动，动子如果停在左侧那么此时必须使左侧延时开关5b处于导通状态、开关5a处于断开状态；动子如果停在右侧那么此时必须使右侧延时开关5a处于导通状态、开关5b处于断开状态。只有这样才能做到电机接通电源后立刻启动。

短行程永磁式直流直线电机的行程设计：在实际应用中，要求直线电机行程的长短不同。如附图3和附图4所示，该方案设有两对相同几何尺寸的凸极<1a>、<1b>和<1c>、<1d>，动子的行程与每个凸极及永磁体的长度相同，即每个凸极或永磁体在运动在方向上的长度就是该直线电机的行程长度。根据短行程永磁式直流直线电机的特性，一般用于空气压缩机、电动射钉枪等要求工作行程较短的设备上。

本发明所述的短行程永磁式直流直线电机，定子的外铁芯1同时可作为电机的壳体；一般为方管形状；材质为软铁磁质材料。

本发明所述的永磁式直流直线电机的软铁磁质凸极，其材质一般用薄硅钢片叠压而成。

本发明所述的永磁式直流直线电机的永磁体2，其几何形状为长方体或正方体形状；其材质为稀土永磁材料。

长行程永磁式直流直线电机的基本结构和工作原理：长行程永磁式直流直线电机的工作原理和短行程永磁式直流直线电机的工作原理基本相同，其结构特征在于：长行程电机的定子凸极数大于四个、每个凸极上线圈直流电的接通与断开都由磁力开关来控制；动子在两个行程的终止点处设有联动开关8a和8b。在附图8中，绕在1a和1h两个凸极上的两个线圈4a和4h串联为一组绕组、绕在1b和1g两个凸极上的两个线圈4b和4g串联为一组绕组、绕在1c和1f两个凸极上的两个线圈4c和4f串联为一组绕组、绕在1d和1e两个凸极上的两个线圈4d和4e串联为一组绕组。该型号的直线电机一共有四组线圈绕组。当接通直流电源时联动开关8a导通(8b断开)、磁力开关7a导通、同时将绕在1a和1h两个凸极上的一组绕组与电源连接。此时，动子永磁体的磁场与定子两个凸极(1a和1h)上的磁场产生相互排斥力f₂、动子永磁体的磁场吸引软铁磁质定子两个凸极(1b和1g)产生吸引力f₁，这两个作用力共同产生直线电机的驱动力(f₁+f₂)，动子向左运动。以此类推，当动子运动到定子的左端，动子停止、联动开关8a断开、8b导通，同时磁力开关7d导通、绕在1d和1e两个凸极上的一组绕组接通电源，此时动子受到向右的驱动力向右运动。当动子运动至定子的右端，动子便完成一个往复运动周期。所以，当本发明所述的长行程永磁式直流直线电机接通直流电源后，动子便连续作往复直线运动。

在附图8中，除了最左端的1d和1e两个凸极、最右端的1a和1h两个凸极，其中间的凸极和磁力开关可设计成模块化。即每个模块由上下各一个凸极、一个磁力开关组成，每个模块单元具有独立性。增加或减少模块单元，可增加减少直线电机的行程；也有利于电机的维修保养。利用本发明所述的长行程永磁式直流直线电机的工作原理可设计制造永磁式弹射直线电机，且不受长度的限制。

附图9表示长行程永磁式直流直线电机的线路示意图。在图中，磁力开关7a、7b、7c并联，并且与联动开关8a、电源6以及对应的线圈绕组串联；磁力开关7d、7e、7f并联，并且与联动开关8b、电源6以及对应的线圈绕组串联。所述的磁力开关也可采用其它具有相同功能的接触开关。

所述的联动开关是指，开关8a导通时开关8b断开；开关8b导通时开关8a断开。

本发明所述的永磁式直流直线电机，在每个凸极的几何尺寸确定的情况下，通过增加或减少凸极个数的方法可调节动子的行程长度。

对于要求大驱动力的永磁式直流直线电机，可通过将两个或两个以上永磁式直流直线电机并联成一台直线电机的方法来实现，这样能成倍的增加驱动力。

Claims (6)

1.本发明提供了一种永磁式直流直线电机，利用该设计方法可设计短行程和长行程永磁式直流直线电机；短行程永磁式直流直线电机的结构特征在于：主要由定子和动子两部分，定子部分由软铁磁质外铁芯(1)、四个软铁磁质凸极(1a、1b、1c、1d)、四个线圈(4a、4b、4c、4d)、两个延时开关(5a和5b)组成；动子部分为永磁体(2)，永磁体上面的几何面为N极下面的几何面为S极；其中绕在右边上下两个凸极(1a和1b)上的两个线圈(4a和4d)串联为一组绕组、绕在左边上下两个凸极(1c和1d)上的两个线圈(4b和4c)串联为一组绕组；串联后的两组绕组当分别接通直流电时，使对应的两个凸极极面显示的磁极极性相反；长行程永磁式直流直线电机的结构特征在于：长行程电机的定子凸极数大于四个、通过每个凸极上的线圈电流都由磁力开关来控制；动子在两个行程的终止点处设有联动开关(8a和8b)；动子的驱动特征在于：动子磁场与定子磁场之间的相互排斥力(f₂)、动子磁场吸引软铁磁质定子的引力(f₁)共同产生直线电机的驱动力。

2.根据权利要求1所述的短行程永磁式直流直线电机，其定子的外铁芯1同时可作为电机的壳体使用，一般为方管形状；材质为软铁磁质材料。

3.根据权利要求1所述所述的定子软铁磁质铁芯凸极，一般是用薄硅钢片叠压而成。

4.根据权利要求1所述的动子永磁体(2)，其几何形状为长方体或正方体形状。

5.根据权利要求1所述的动子永磁体(2)，其材质为稀土永磁材料。

6.根据权利要求1所述的磁力开关，也可采用其它具有相同功能的接触开关。