CN108539955A - 短行程开关磁阻直线电机及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种短行程开关磁阻直线电机及应用，所述的“短行程”是指：该直线电机的行程较短，适合设计制造行程距离短的推拉执行元件、也可作为小功率冲床及空气压缩机等设备的动力来源；所述的“开关”是指：利用电子控制系统或机械控制系统，使一个或多个电枢绕组按实际要求的时序，接通或断开直流电路；所述的“磁阻”是指：利用磁阻最小原理使永磁磁场吸引铁磁质凸极产生吸引力，并且使该吸引力成为推动动子作直线运动的驱动力，从而达到节约能源的目的；所述的“应用”，是指本发明在具体实际中的应用方式；本发明具有节能效果好，是因永磁磁场的吸引力变为驱动力并没有消耗输入直线电机的电能；还具有结构简单、噪音和故障率低等优点。

Description

短行程开关磁阻直线电机及应用

技术领域

本发明涉及直线电机领域，涉及一种短行程开关磁阻直线电机及应用，确切地说是一种短行程开关磁阻直流直线往复电机及实际应用方式。

背景技术

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，且展成平面而成。直线电机也称线性电机，线性马达，直线马达，推杆马达。最常用的直线电机类型是平板式和U型槽式，和管式。线圈的典型组成是三相，有霍尔元件实现无刷换相。开关磁阻(旋转)电机和开关磁阻直线电机，其驱动原理是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用齿极间的吸引力拉动转子旋转或动子作直线运动。在实际工农业生产中，具有推拉功能的执行元件、小功率冲剪机床、锻锤、空气压缩机等都是常用的直线运动设备，它们的驱动动力大部分来自旋转电机，都是将电机的旋转运动通过曲轴连杆机构转换为直线运动，从而利用该直线运动带动设备工作。本发明根据直线电机在不同场合下的实际需求和磁阻最小原理，设计发明了一种节能效果明显、结构简单的短行程开关磁阻直线电机，以满足目前日趋繁荣的工农业生产的需求。

发明内容

本发明提供了一种短行程开关磁阻直线电机及应用。所述的“短行程”是指：该直线电机的行程较短，适合设计制造行程距离较短的推拉执行元件、也可作为小功率冲床及空气压缩机等设备的动力来源；所述的“开关”是指：利用电子控制系统或机械控制系统，使一个或多个电枢绕组按实际要求的时序，接通或断开直流电源电路；所述的“磁阻”是指：利用磁阻最小原理使永磁磁场或绕组磁场(线圈电流在凸极上感应产生的磁场)吸引铁磁质凸极产生吸引力，并且使该吸引力成为推动或拉动动子作直线运动的驱动力，从而达到节约能源的目的；所述的“应用”，是指本发明的具体应用方式和应用方法。在实际应用中，利用短行程开关磁阻直线电机的驱动力可设计制造剪冲机床、锻锤设备、推拉执行元件或空气压缩机等装备。本发明具有结构简单、噪音和故障率低等优点。说明本发明时，从短行程开关磁阻直线电机的结构、工作原理以及实际应用两方面进行介绍。

另外，本发明所述的短行程开关磁阻直线电机，分为定子凸极绕组、动子永磁式和定子永磁体、动子凸极绕组式两种结构形式。下面以定子永磁体、动子凸极绕组、四极、两驱动模块短行程开关磁阻直线电机为例来说明。

基本结构

附图1表示四极、两驱动模块短行程开关磁阻直线电机沿轴向剖视的基本结构示意图，附图2表示沿A-A向的剖视示意图，附图3表示沿B-B向的剖视示意图。在图中，定子壳体1内沿轴向左右两侧安装有两组永磁体；沿动子驱动轴3的左右两侧固定安装两组凸极铁芯，凸极铁芯上绕有动子绕组。左右两侧结构完全相同，其中一组定子永磁体和一组动子凸极铁芯称之为一个驱动模块。附图1-3表示的是四极、两个驱动模块的短行程开关磁阻直线电机，所述的“四极”是指一个驱动模块上永磁磁极(或绕组凸极)数。

参见附图1-3，从结构上，短行程开关磁阻直线电机可分为定子和动子两大部分，定子部分主要包括：铁磁质壳体1和壳体内壁左侧的、沿内圆周固定安装有一组永磁体2a、2b、2c和2d，壳体内壁的右侧、沿圆固定安装有一组永磁体2e、2f、2g和2h；壳体左侧端盖上固定安装有定位件7a、右侧端盖上固定安装有定位件7b；左侧定位件7a的右侧安装有触碰式电源开关8；右侧定位件7b的右侧安装有弹簧6、壳体右侧安装有护罩10。动子部分主要包括：动子驱动轴3，驱动轴的左右两端分别与定位件7a和定位件7b间隙滑动配合(或通过直线轴承装配)；驱动轴的左侧安装有一组凸极铁芯，该组凸极由四个凸极组成，分别用3a、3b、3c和3d表示；驱动轴的右侧也安装有一组凸极铁芯，也由四个凸极组成，分别用3e、3f、3g和3h表示；两组凸极上绕有八个线圈绕组，分别用4a、4b、4c、4d和4e、4f、4g、4h表示；驱动轴的左右两侧分别固定安装有定位板5a和5b；定位板5b右侧的驱动轴为空心轴，空心轴外侧装有弹簧6、空心部分用于安装螺旋电缆线9。

在附图1中，驱动轴3连同两组凸极铁芯和两组凸极上绕有的八个线圈绕组一起能够左右自由移动。此时由于八个线圈绕组内没有电流、根据磁阻最小原理，两组永磁体分别吸引两组铁磁质凸极使弹簧6被压缩，所以此时动子驱动轴处于收缩状态。

工作原理

参见附图1-7，当动子在附图1所示的位置接通直流电源时，各个线圈电流在各个凸极上感应产生磁场磁极，电流的方向使各凸极产生的磁极极性与之相对应的永磁磁极的极性相同。此时动子受到两个驱动力的属性：一是定子上的永磁磁场与动子上的凸极磁极磁场相互排斥产生的驱动力、二是弹簧6所释放的弹力。当动子运行到左侧电源电路断开、各个线圈的电流以及各个凸极上的磁极磁场同时消失；根据磁阻最小原理，由于此时各个永磁体的磁场吸引相对应的各个铁磁质凸极的吸引力，会立即将动子拉向右侧、同时弹簧6被压缩、使动子再回到附图1所示的位置。以上便是短行程开关磁阻直线电机完成一次往复运动的全过程。如果利用电子控制系统或机械控制系统、并且按设计要求的时序接通或断开直流电源，那么短行程开关磁阻直线电机可实现连续直线往复运动；调节电子控制系统或机械控制系统开与关的频率，即可实现往复运动快与慢的转换；如果调节供电电流的大小，也实现往复运动的快慢与冲击力大小的调节。

动子驱动力的属性：短行程开关磁阻直线电机工作时，其整个运动过程中有两个运动方向，其中一个运动方向(向右)的驱动力完全来自磁阻最小原理，这是一个永磁磁场吸引铁磁质凸极的过程，该过程中弹簧(6)被压缩，是将永磁磁场吸引铁磁质凸极的磁场能储存到弹簧(6)内的过程；而另一个运动方向(向左)有两个不同属性的驱动力，一个来自永磁磁场与绕组磁场之间的相互排斥力、一个来自弹簧释放弹性势能产生的弹力。由此不难发现，弹簧6内储存的弹性势能并没有消耗输入的直流电能，是磁阻最小原理产生的吸引力(这是本发明节约能源的原因所在)。根据铁磁质磁畴理论，当动子处于附图1所示位置、动子电枢绕组没有接通直流电源时，同一驱动模块上、不同极性定子永磁体的磁通通过动子凸极铁芯自行闭合。此时动子凸极(软铁磁质)铁芯的磁畴和永磁体磁场同方向排列；当动子上的凸极线圈绕组接通直流电源时，动子绕组电流在凸极上感应产生的磁场与定子永磁磁极磁场的方向相反，在这期间线圈电流产生的磁场强度逐渐增加，直至铁磁质凸极的所有磁畴都和外场(电流产生磁场)同向。可见，动子铁磁质凸极由被永磁磁极吸引到相互排斥，是一个凸极线圈绕组电流产生的磁场逐渐磁化铁磁质动子凸极的过程、也可以说是一个接通绕组电流逐渐增大的过程。由此不难得到：定子永磁体磁场与动子凸极磁场相互排斥力的大小，与接通绕组电流的大小有关；定子永磁磁场吸引动子铁磁质凸极产生的压缩弹簧6的压力，与永磁体的磁场强度成正比。而永磁体的磁场强度是一个相对不变的参数，也就是动子受到向左的两个推力，弹簧释放的弹力不变、定子永磁磁场与动子凸极磁场相互排斥力与电源电流的大小有关。由此可得以下结论：一是调节直流电流的大小可使动子受到(向左)的推力大小发生变化；二是短行程开关磁阻直线电机的节能效果与接通直流电流的大小有关。

有益效果及特点

有益效果：本发明主要是利用磁阻最小原理产生的吸引力，并且使该吸引力成为拉动或推动动子的驱动力，从而达到节约能源的目的；另外从结构上看，整个驱动机构没有复杂的传动部分，所以具有结构简单、、噪音低和故障率低等优点。

以上所述，是以四极、两个驱动模块的短行程开关磁阻直线电机为例来说明其结构和工作原理的，对于单驱动模块或多驱动模块的短行程开关磁阻直线电机来说，其结构和工作原理相同。以上所述，采用的是定子永磁体和动子电枢绕组结构形式，此方案主要考虑动子工作时会产生很强的撞击力，如果采用动子永磁体会造成永磁体退磁现象出现。假如不考虑永磁体退磁现象，可设计为定子电枢绕组、动子永磁体结构形式。总之，本发明的结构特征在于：由一个或多个驱动模块组成，每个驱动模块的永磁磁极和绕组磁极(线圈电流在凸极上感应产生的磁极)其磁极对数相等；利用电子控制系统或机械控制系统，使一个或多个电枢绕组按实际要求的时序，接通或断开直流电源电路；按定子磁极或动子磁极个数可分为两极、四极、六极、八极、十极等不同型号。对于定子永磁体动子电枢绕组的短行程开关磁阻直线电机来说，定子永磁体为瓦片状，沿铁磁质壳体(1)内壁固定安装；动子铁芯凸极是用薄硅钢片叠压而成、且固定装配到驱动轴(3)上；驱动轴(3)的右侧部分为空心管，空心部分用来安装螺旋电缆线(9)。对于动子永磁体定子电枢绕组的短行程开关磁阻直线电机来说，驱动轴(3)上固定安装有永磁体和铁磁质圆环(3i)，动子永磁体也为瓦片状、铁磁质圆环(3i)为软铁磁质环形圆柱体，且沿驱动轴(3)外圆固定安装；定子铁芯凸极是用薄硅钢片叠压而成，固定装配到壳体内壁上。

附图说明

附图1表示四极、两个驱动模块的短行程开关磁阻直流直线电机、沿轴向剖视的结构示意图，在该示意图中动子的驱动轴(3)处于向右运动的末端，弹簧(6)处于被压缩状态、螺旋电缆线(9)处于紧缩状态。

附图2表示沿径向(A-A方向)的剖视示意图，图中动子线圈内没有电流、定子永磁磁极与动子凸极处于一一对应状态。

附图3表示沿径向(B-B方向)的剖视示意图，图中动子线圈内没有电流、定子永磁磁极与动子凸极处于一一对应状态。

附图4表示四极、两个驱动模块的短行程开关磁阻直流直线电机，沿轴向剖视的结构示意图，在该示意图中，动子线圈接通电源、动子处于向左运动的初始位置。

附图5表示沿径向(A-A方向)的剖视示意图，图中动子线圈接通电源、定子永磁磁极与动子凸极磁极处于一一对应相互排斥状态。

附图6表示沿径向(B-B方向)的剖视示意图，图中动子线圈接通电源、定子永磁磁极与动子凸极磁极处于一一对应相互排斥状态。

附图7表示四极、两个驱动模块的短行程开关磁阻直流直线电机，沿轴向剖视的结构示意图，在该示意图中，动子线圈接通直流电流、动子处于向左运动的终止位置。

附图8表示四极、两个驱动模块的短行程开关磁阻直流直线电机冲床、沿轴向剖视的结构示意图，在该示意图中电枢绕组没有接通电源，动子处于向上运动的末端位置。

附图9表示四极、两个驱动模块的短行程开关磁阻直流直线电机冲床、沿轴向剖视的结构示意图，在该示意图中电枢绕组接通电源，动子处于向下运动的末端位置。

附图10表示用本发明作为动力设计的锻锤示意图，该方案采用四极、三个驱动模块，图中，动子处于接通电源下行的初始位置。

附图11表示四极、单驱动模块的单向推拉执行元件的结构和工作原理示意图，该方案采用动子永磁定子为电枢绕组的结构方式，驱动轴上设计有永磁体和铁磁质圆环(3i)装置，图中动子处于最左端、直流电源接近断开的瞬间。

附图12表示单向推拉执行元件沿径向(A-A方向)的剖视示意图，图中定子线圈接通电源、动子永磁磁极与定子凸极磁极处于一一对应相互排斥状态。

附图13表示单向推拉执行元件沿径向(B-B方向)的剖视示意图，图中定子线圈接通电源、定子凸极磁极与铁磁质圆环(3i)装置相对应状态。

附图14表示四极、单驱动模块、单向推拉执行元件的驱动轴3处于刚刚断开电源、驱动轴向右运动的瞬间位置。

附图15表示四极、单驱动模块、双向推拉执行元件的结构和工作原理示意图，该图表示刚刚断开电源、驱动轴向右运动的瞬间位置。

附图16表示四极、单驱动模块、双向推拉执行元件的结构和工作原理示意图，该图表示刚刚接通电源、驱动轴向左运动的初始位置。

附图17表示两极、单驱动模块的短行程开关磁阻直线电机空气泵、沿轴向剖视的结构示意图，在该示意图中电枢绕组4a和4b接通电源、凸极3a显示为N极凸极3b显示为S极、动子处于向左运动的初始位置。

附图18表示两极、单驱动模块的短行程开关磁阻直流直线电机空气泵、沿径向(A-A方向)的剖视示意图，图中两永磁磁极和两凸极磁极处于同极性一一对应相互排斥状态。

附图19表示正方形壳体两极、单驱动模块的短行程开关磁阻直流直线电机的结构示意图，该设计方案永磁体<2a>、<2b>、<2c>、<2d>为长方体形状。

附图20表示正方形壳体两极、单驱动模块的短行程开关磁阻直流直线电机沿A-A向的剖视示意图，图中的20表示中空长方体铁芯。

<1>表示壳体，<2a>、<2b>、<2c>、<2d>、<2e>、<2f>、<2g>、<2h>表示永磁体，<3>表示驱动轴，<3a>、<3b>、<3c>、<3d>、<3e>、<3f>、<3g>、<3h>表示铁芯凸极，<3i>表示铁磁质圆环，<4a>、<4b>、<4c>、<4d>、<4e>、<4f>、<4g>、<4h>表示凸极线圈，<5a>、<5b>分别表示左右两定位板，<6>表示压缩弹簧，<7a>、<7b>分别表示左右定位件，<8>表示电源触碰开关，<9>表示螺旋电缆，<10>表示驱动轴护罩，<11>表示上冲模，<12>表示下冲模工装台、<13>表示冲床的悬臂、<14>表示电控箱、<15>表示冲床底座，<16>表示用非铁磁质材料加工制造的壳体端盖，<17>表示活塞，<18>表示气泵盖，<19>表示排气口，<20>表示铁芯。

具体实施方式

具体实施应用结合附图作进一步说明

具体设计制造短行程开关磁阻直流直线电机以及具体使用时，首先应根据具体使用情况和要求，合理地选择直线电机的结构形式。需要注意一下几点：第一是直线电机行程的长短，第二是驱动模块的数量，第三是选择定子永磁体还是动子永磁体形式，第四是选择电子控制形式还是机械控制形式。另外，以上所述的动子凸极是用薄硅钢片叠压而成；所述的定子磁极和动子磁极，其特征在于：可以是定子永磁磁极和动子绕组磁极(线圈电流在凸极上感应产生的磁极)，也可以是动子永磁磁极和定子绕组磁极；所述的一个驱动模块，其特征在于：一组定子永磁体(动子永磁体)和一组动子绕组(或一组定子绕组)称之为一个驱动模块；所述的一组定子永磁体(动子永磁体)，其特征在于：在同一径向位置、沿壳体内壁(或驱动轴的外圆周)安装的永磁体；所述的一组动子绕组(或一组定子绕组)，其特征在于：在同一径向位置且与永磁体相对应固定安装；所述的电子控制系统的作用是进行顺序、定位控制的检测，实现电路的接通和断开；所述的机械控制系统是指，实现电路的接通与断开由机械旋转装置的滑环和碳刷来完成。

应用例一

短行程开关磁阻直线电机冲床：根据冲床的工作环境状况和工作原理特征，在具体设计一种型号的冲床时应注意以下结构形式的选择：第一是支撑结构的选择，冲床的支撑结构有两种形式，一是如附图8所示的悬臂结构形式、一种是龙门结构形式，至于选择哪种形式可根据要求所冲件的大小而定。一般加工冲件较大的采用龙门结构形式、加工冲件较小的采用悬臂结构形式。第二是驱动模块数量的选择，一般要求冲击力大的采用多驱动模块形式、要求冲击力较小的采用单驱动模块或双驱动模块形式。第三是选择定子永磁体还是动子永磁体，这一点根据冲床冲击大的特点而定，然后选择永磁磁极的数量及磁场强度的材质及性能牌号。一般情况下，永磁体的几何尺寸和性能牌号确定后，可根据冲床壳体1的磁导率及机械强度来选定加工制造壳体的材质及厚度；再根据永磁体的磁场强度和要求冲击力的大小来确定电磁线的线规、及每个凸极上绕电磁线的匝数。第四是根据永磁体吸引动凸极吸引力的大小来确定弹簧6的各个参数值。

附图8表示采用悬臂结构形式、四极双驱动模块、且动子驱动轴(3)处于向上运动末端、没有接通电源的示意图。图中的11表示上冲模，12表示下冲模工装台、13表示悬臂机身、14表示电控箱、15表示冲床底座。附图9表示该冲床沿轴向、接通电源时剖视的结构示意图，图中动子驱动轴(3)处于向下运动的末端。该冲床工作时，其整个运动过程中一个是提模工序、一个是冲压工序；其“开关”可采用电子控制系统也可以采用机械控制系统。所述的提模工序，是指动子向上运行将上模提高到最高点；所述的冲压工序，是指动子向下运行将上模冲压向被冲压工件(动子运行到最低点)。其中，提模工序的驱动力完全来自磁阻最小原理产生的吸引力，在该工序中，是定子永磁体的磁场吸引铁磁质动子凸极的过程，该过程弹簧6被压缩、吸引力的能量储存在弹簧6内。冲压工序的驱动力：一是来自定子永磁体的磁场与动子凸极磁场之间的相互排斥力、一个是来自弹簧6内储存弹力、再就是动子自身的重力。不难发现，弹簧6内储存的能量和动子的重力作用并没有消耗输入的直流电能，是由于磁阻最小原理产生的吸引力转化为弹簧的弹性势能和重力势能的结果。所以短行程开关磁阻直线电机冲床具有良好的节能效果。

应用例二

参见附图10，该图表示用四极、三驱动模块短行程开关磁阻直线电机作为动力的锻锤示意图，附图表示锻锤的锤头向下运行的初始位置，空心箭头表示锻锤的运动方向。该方案采用悬臂结构形式，属于动载撞击的锻造设备，驱动力由三个驱动模块共同产生；对于要求较大吨位的锻锤时，可以采用多驱动模块驱动、也可以采用两个或多个短行程开关磁阻直线电机并联在一起、并组成一个直线电机来驱动锻锤的方法。工作原理和“应用例一”相同，同样采用该设计方案同样具有节约能源、结构简单、噪音低、故障率低等优点。

应用例三

以上所述的利用磁阻最小原理，是指永磁体的磁通，总沿磁阻最小路径闭合时产生的吸引力、并且将该吸引力转化为有益的驱动力。下面介绍一种既有永磁磁场吸引铁磁质产生的吸引力、也有绕组磁极磁场吸引铁磁质产生的吸引力，并且将两种吸引力都转化为动子驱动力的实施应用。

参见附图11、12和13，该图表示某装备上的一个四极、单驱动模块短行程开关磁阻直线电机驱动的，单向推拉执行元件的示意图。该方案采用动子永磁体、定子电枢绕组凸极，采用一个驱动模块的设计方案。其中动子驱动轴3的左侧安装有永磁体2a、2b、2c和2d，右侧安装有铁磁质圆环3i；定子四个凸极3a、3b、3c和3d上绕有4a、4b、4c和4d四个绕组线圈。此设计方案接通直流电源、动子向左运动时，产生三个不同属性的推动力。一个是四个绕组磁极3a、3b、3c和3d的磁场分别与相同极性的永磁体2a、2b、2c和2d的磁场之间的相互排斥力；二是四个绕组磁极磁场分别吸引铁磁质圆环3i、使驱动轴3向左拉动的拉力；三是动子受到弹簧6向左的弹力。当断开直流电源时，根据磁阻最小原理永磁体2a、2b、2c和2d的磁场分别吸引四个凸极3a、3b、3c和3d、使驱动轴3向右运动，在这期间弹簧6被压缩，将永磁磁场吸引力的能量储存到弹簧内。附图11表示绕组线圈刚刚接通电源的瞬间、动子向左运动的初始位置，附图14表示刚刚断开电源向左运动到达终点的位置。以上所述是单向推拉执行元件完成一个工作循环的全过程。

由此可见，短行程开关磁阻直线电机在实际应用时，可以设计为定子永磁体动子为电枢绕组、也可以设计成定子电枢绕组动子为永磁体。附图11-14所示的设计方案，其动子受到三种不同属性的作用力。所述的利用磁阻最小原理是指：可以是永磁体磁场吸引铁磁质产生的吸引力、也可以是线圈绕组电流产生的磁极磁场吸引铁磁质产生的吸引力。另外，以上所述的单向推拉执行元件，也可以看作是一个单向弹射装置。也就是当接通直流电源时，弹射装置执行弹射工作；当断开直流电源时，弹射装置执行复位程序。而且弹射力的大小可通过调节输入直流电的大小来实现。

应用例四

在应用例三中，所述的单向推拉执行元件，当接通直流电源时元件进入做功程序、断开电源时执行复位程序，也就是做功程序产生的推力远大于复位工序的拉力。下面介绍一种两个程序都是做功程序的双向推拉执行元件。参见附图15和16，该设计方案与应用例三所不同的是：驱动轴3的左右两端都装有推拉杆、弹簧6的作用不是用来被压缩储存能量的，而是用来控制启动时的运动方向。该方案可以使推拉执行元件在左右两个方向上都具有推拉功能。如附图15和16所示，向左的推力由定子凸极磁场与动子永磁磁场之间的相互排斥力，以及定子凸极磁场吸引铁磁质圆环3i的吸引力共同产生；向右的推力由永磁体磁场吸引定子铁磁质凸极产生。显然向左的推力和向右的推力其大小不同。

附图15表示双向推拉执行元件的示意图，该图中驱动轴3处于最左端、表示直流电源没有接通的瞬间。附图16表示驱动轴3处于最右端、表示直流电源刚刚接通的瞬间。

应用例五

以上所述是本发明接通直流电源时的实际应用，下面介绍一种用单相半波为电源的两极、单驱动模块短行程开关磁阻直线电机空气泵。本发明接通直流电源时靠的是电子控制系统或机械控制系统来实现对电源的“开关”；而单相半波电源本身就是一个间歇直流电源，所述的“间歇”相当于“断开”和“接通”电路。单相半波直流电源的供电属性是：“接通”与“断开”的时间相等。可见，以单相半波为电源的短行程开关磁阻直线电机空气泵，其打气频率与单相交流电源的频率有关，且成正比关系。要调节打气快慢速度，只有靠改变单相交流电的频率来实现。

结构特征：参见附图17和18，该方案的定子为凸极线圈绕组、动子为永磁体结构。其中定子部分包括，定子凸极3a和3b、凸极线圈绕组4a和4b，以及弹簧6、气泵盖18和排气口19。动子部分包括，驱动轴3、活塞17、安装在驱动轴左侧的永磁体2a和2b，以及安装在驱动轴右侧的铁磁质圆环3i。活塞17安装在驱动轴的左侧，驱动轴的右侧套装有弹簧6。附图17表示空气泵沿轴向的剖视示意图，附图18表示空气泵沿A-A向的剖视。其中，两块永磁体为瓦片状镶嵌在驱动轴3上，定子凸极的极面为内圆弧状且与永磁体的外弧面相对应。当凸极线圈绕组4a和4b接通单相交流电源时，在两凸极上产生的磁极极性与相对应的永磁体的磁性相同。所述的单相半波电源，是指定子凸极线圈上串联一个二极管；所述的与相对应的永磁体的磁性相同，是指经过二极管后的单相半波同向电流在凸极上感应产生的磁极极性与相对应的永磁体的磁性相同；所述的凸极线圈绕组4a和4b为串联连接。

工作原理：如附图17所示，该图表示活塞17处于气缸吸气的终点位置。当凸极线圈绕组接通电源时，根据同性磁极磁场相互排斥的性质，活塞受到一个向右(气缸压缩排气)的排斥力；同时根据磁阻最小原理，定子凸极磁极磁场吸引铁磁质圆环3i产生一个向右的拉力；还受到一个弹簧6向右的弹力。当半波电流结束，线圈绕组内的单相电源处于另一半波、也就是二极管处于截止状态时，定子凸极磁性消失。根据磁阻最小原理此时驱动轴上两块永磁体的磁场吸引定子的两个凸极，使活塞17向吸气方向移动同时弹簧6被压缩，活塞再回到附图17所示的位置。至此，单相交流电完成一个周期、短行程开关磁阻直线电机空气泵完成一次吸气一次压缩排气冲程。可见，所述的二极管在空气泵中，相当于起到“开关”作用，输入空气泵电枢绕组的电源属于同向脉动直流电；空气泵打气时受到三个不同属性的作用力，而传统的电磁空气泵打气时只受到弹簧的弹力。

应用例六

下面介绍一种壳体、永磁体都是正方体的短行程开关磁阻直线电机。如附图19和附图20所示，该图表示一个正方体、四极、单驱动模块短行程开关磁阻直线电机的结构示意图。该方案的工作原理和上述的短行程开关磁阻直线电机相同，图中的20表示长方体铁芯。该方案的优点在于：永磁体的几何形状为长方体其制造成本较低；容易实现多台短行程开关磁阻直线电机并联在一起、组合成一台直线电机，该组合式直线电机具有较好的同步性且体积小。缺点是动子的驱动轴需要沿轴向定位，防止沿轴向转动。该方案适合设计制造要求驱动力较大的直线推拉或弹射设备。

综上所述，不管是短行程开关磁阻直线电机空气泵的压缩排气冲程，还是短行程开关磁阻直线电机推拉执行元件，其驱动轴都受到三个不同属性的作用力。所述的三个驱动力是指：在直线电机驱动轴的工作过程中有两个运动方向，其中一个运动方向的驱动力完全来自磁阻最小原理，是一个永磁磁场吸引铁磁质凸极的过程，该过程弹簧(6)被压缩，这是一个将永磁磁场吸引铁磁质凸极时，将磁场能储存到弹簧(6)内的过程；而另一个运动方向的驱动力，一个来自永磁磁场与电枢绕组电流产生的凸极磁场之间的相互排斥力，一个来自弹簧(6)释放弹性势能产生的弹力，还一个作用力来自电枢绕组电流产生的凸极磁场吸引动子铁磁质圆环(3i)产生的吸引力。不难看出，由于弹簧(6)释放弹性势能产生的弹力并没有消耗电源输入的电能，所以本发明所述的短行程开关磁阻直线电机在实际应用中，具有明显的节能效果。另外，本发明所述的直线电机的行程长短，与驱动模块的个数无关、与其中一个驱动模块永磁体或凸极在沿轴向的长度成正比，与永磁体和凸极磁极的磁场强度成正比；直线电机作直线往复运动的快慢，与接通和断开电源的频率有关。总之，利用短行程开关磁阻直线电机为驱动力而设计制造的相关装备同样具有节能功能；同样具有结构简单、噪音小、故障率低等优点。另外，根据实际需要用同样的设计原理，不但可以设计制造具有推拉功能的执行元件、小功率冲剪机床、空气压缩机、隔膜泵，还可以设计制造射钉枪等不同功率的直线弹射装置；根据要求设计制造大功率短距离开关磁阻直线电机时，可以采用多驱动模块驱动、也可以采用两个或多个短行程开关磁阻直线电机并联在一起、组成一个直线电机来驱动的方法。

Claims (7)

1.一种短行程开关磁阻直线电机及应用，该直线电机的结构特征在于：由一个或多个驱动模块组成，每个驱动模块的永磁磁极和绕组磁极(线圈电流在凸极上感应产生的磁极)其磁极对数相等；利用电子控制系统或机械控制系统，使一个或多个电枢绕组按实际要求的时序，接通或断开直流电源电路；按定子磁极或动子磁极个数可分为两极、四极、六极、八极、十极等不同型号；对于定子永磁体动子电枢绕组的短行程开关磁阻直线电机来说，定子永磁体为瓦片状，沿铁磁质壳体(1)内壁固定安装；动子铁芯凸极是用薄硅钢片叠压而成，固定装配到驱动轴(3)上；驱动轴(3)的右侧部分为空心管，空心部分用来安装螺旋电缆线(9)；对于动子永磁体定子电枢绕组的短行程开关磁阻直线电机来说，驱动轴(3)上固定安装有永磁体和铁磁质圆环(3i)，动子永磁体也为瓦片状、铁磁质圆环(3i)为软铁磁质环形圆柱体，且沿驱动轴(3)外圆固定安装；定子铁芯凸极是用薄硅钢片叠压而成，固定装配到壳体内壁上；本发明的工作原理在于：其整个工作过程中有两个运动方向，其中一个运动方向的驱动力完全来自磁阻最小原理，是一个永磁体的磁场吸引铁磁质凸极的过程，该过程弹簧(6)被压缩，这是一个将永磁体的磁场吸引铁磁质凸极的磁场能储存到弹簧(6)内的过程；而另一个运动方向的驱动力，一个来自永磁体的磁场与电枢绕组电流产生的凸极磁场之间的相互排斥力、一个来自弹簧(6)释放的弹力，还一个作用力来自电枢绕组电流产生的凸极磁场吸引动子铁磁质圆环(3i)产生的吸引力。

2.根据权利要求1所述的定子磁极和动子磁极，其特征在于：可以是定子永磁磁极和动子绕组磁极，也可以是动子永磁磁极和定子绕组磁极。

3.根据权利要求1所述的一个驱动模块，其特征在于：一组定子永磁体(动子永磁体)和一组动子绕组(或一组定子绕组)称之为一个驱动模块。

4.根据权利要求3所述的一组定子永磁体(动子永磁体)，其特征在于：在同一径向位置、沿壳体内壁(或驱动轴的外圆周)安装的永磁体。

5.根据权利要求3所述的一组动子绕组(或一组定子绕组)，其特征在于：在同一径向位置且与永磁体相对应固定安装。

6.根据权利要求1所述的电子控制系统，其特征在于：作用是进行顺序、定位控制的检测，实现电路的接通和断开。

7.根据权利要求1所述的机械控制系统，其特征在于：是指实现电路的接通与断开由机械旋转装置的滑环和碳刷来完成。