CN108880185A - 一种线性驱动装置及线性电机 - Google Patents

Abstract

一种线性驱动装置，包括空心线圈和永久磁铁，其特征是：空心线圈是由n组线圈沿轴向排列而成，中央形成筒状空腔，n为自然数，永久磁铁和空心线圈设置在同一轴线上，永久磁铁能进出空心线圈的筒状空腔，两者之间有缝隙；该线性驱动装置使用直流电，是利用电磁场的内磁场与永久磁铁的外磁场直接耦合产生的吸引力来驱动，通电线圈产生的电磁场的内磁场的方向，与永久磁铁的外磁场的方向相反。利用该线性驱动装置设计的线性电机，行程精准，结构简单，效率高。

Description

一种线性驱动装置及线性电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及线性电机技术领域。

背景技术

在现有技术中，线性电机从驱动方式上分，大体上可分为三类：第一类是动圈式线性电机，它是通电线圈在匀强磁场内，受电磁力来驱动；第二类是电磁式线性电机，它是电磁铁与电磁铁的磁极相互作用来驱动，或电磁铁和永久磁铁的磁极相互作用来驱动；第三类是通电线圈产生的电磁场直接与永久磁体的磁场相互作用来驱动。

在第一类线性电机中，线圈设置在匀强磁场的两个磁极之间，设计功率受到限制。

在第二类线性电机中，电磁铁是由线圈和铁芯构成的，磁回路较长，磁极之间有缝隙，磁阻较大，能量损耗较大，体积大、效率低、结构复杂。

在第三类线性电机中，永久磁铁设置在线圈的筒状空腔内，线性电机结构简单，实现小型化。如在中国专利文献：公开(公告)号CN103718437A，公开(公告)日2014.04.09，记载了一种线性电机，该线性电机具有：电枢，其具有沿轴向排列设置多个环状线圈而形成的筒状的线圈组装体；以及励磁装置，其具有直动轴和永久磁铁组装体，所述直动轴能够沿轴向往复移动地设于所述电枢的轴线上，所述永久磁铁组装体包括设于所述直动轴的至少一个永久磁铁，所述电枢和所述励磁装置中的任意一方设为定子，另一方设为可动部件，所述可动部件相对于所述定子往复移动，其特征在于，在设所述线圈的个数为n、设所述线圈的轴向长度为C、设所述永久磁铁组装体的轴向长度为M时，行程S被设定成至少大于|n×C-M|。

该线性电机在结构上，比以往的线性电机有了较大简化，但它是三相交流电机，电枢随着三相交流电的相位的变化，三个相位线圈所产生的电磁场的方向也随着改变，三个相位线圈所产生的电磁场对永久磁铁的作用力，至少有一相是排斥力，因此该线性电机行程不够精准，结构比较复杂。

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种体积小、功率大、行程准、效率高的线性驱动装置及线性电机。

发明内容

本申请将申请日：2017年07月28日，申请号：2017106549105，名称：一种线性驱动装置及线性电机的中国专利申请作为在先申请，提出优先权要求。对在先申请进行补充完善形成本申请。

为便于说明本发明，首先了解几个电磁学的概念：

永久磁铁的内磁场和外磁场：永久磁铁表面以里的实心部分所存在的磁场称为内磁场，永久磁铁表面以外的空间所存在的磁场称为外磁场。

通电空心线圈的内磁场和外磁场：通电空心线圈两个端面之间的空心柱内所产生的磁场称为内磁场，空心线圈两个端面和侧面之外所产生的磁场称为外磁场。

一个磁场的内磁场和外磁场大小相等、方向相反。

永久磁铁的NS两极分界面：永久磁铁的NS两极中间有个分界面，将永久磁铁的磁场(包括内磁场和外磁场)平分成左右两段，如果左段是N极，右段就是S极，这个分界面称为永久磁铁的NS两极分界面。

通电空心线圈所产生的电磁场的NS两极分界面：通电空心线圈所产生的电磁场的NS两极中间有个分界面，将电磁场(包括内磁场和外磁场)平分成左右两段，如果左段是N极，右段就是S极，这个分界面称为通电空心线圈所产生的电磁场的NS两极分界面。

磁场的NS两极分界面的位置是相对的，在一定条件下NS两极分界面的位置会发生移动。例如：两个相同的永久磁铁，一个永久磁铁的N极与另一个永久磁铁的S极吸在一起，并使两个端面重合，这两个永久磁铁形成了一个新的磁场，这个新的磁场的NS两极分界面就移到了这个重合的端面上，原来的两个永久磁铁在这个新的磁场中，一个成了N极，另一个成了S极。

两个永久磁铁的两个磁极相互作用：两个永久磁铁的两极相对时，异性相吸，同性相斥。

两个永久磁铁的两个磁场相互作用：两个永久磁铁的侧面相对并且磁轴平行，当两个磁铁的磁场方向相同时，两个磁场相互排斥，表现为两个永久磁铁的NS两极分界面相互排斥；当两个磁铁的磁场方向相反时，两个磁场相互吸引，表现为两个永久磁铁的NS两极分界面相互吸引，其中一个永久磁铁向另一个永久磁铁运动，一直运动到两个磁场的NS两极分界面重合时，一个永久磁铁的外磁场和另一个永久磁铁的外磁场耦合，形成最短的磁回路，吸引力最大，运动停止。

通电空心线圈产生的磁场与设置在线圈中央的永久磁铁相互作用(永久磁铁和线圈之间有缝隙，永久磁铁可在线圈内做直线运动)：当通电线圈产生的电磁场的内磁场方向与永久磁铁的外磁场方向相同时，电磁场对永久磁铁产生排斥力，表现为永久磁铁的NS两极分界面与通电线圈产生的电磁场的NS两极分界面相互排斥；当通电线圈产生的内磁场的方向与永久磁铁的外磁场的方向相反时，电磁场对永久磁铁产生吸引力，表现为永久磁铁的NS两极分界面与通电线圈产生的电磁场的NS两极分界面相互吸引，线圈或永久磁铁的一方，向另一方运动，一直运动到电磁场的NS两极分界面和永久磁铁的磁场的NS两极分界面重合时，通电线圈所产生的内磁场与永久磁铁的外磁场耦合，形成最短的磁回路，吸引力最大，双方吸牢，运动停止。

利用后者的这个物理现象，设计的线性电机具有精准的止点和行程。

本发明的目的是提供一种线性驱动装置及线性电机。

本发明的目的之一是提供一种线性驱动装置，包括空心线圈和永久磁铁，其空心线圈是由n组线圈沿轴向排列而成，中央形成筒状空腔，n为自然数，永久磁铁设置在空心线圈的空腔内，两者之间有缝隙，永久磁铁和空心线圈设置在同一轴线上。

所述空心线圈是由漆包线绕轴线绕制而成，线圈平面与轴线垂直。

所述永久磁铁沿轴向充磁。

该线性驱动装置使用直流电，是利用电磁场的内磁场与永久磁铁的外磁场直接耦合产生的吸引力来驱动，通电线圈产生的电磁场的内磁场的方向，与永久磁铁的外磁场的方向相反。

本发明的目的之二是提供一种线性电机，包括定子和动子，其定子主要由空心线圈组成，空心线圈由2组线圈沿轴向左右排列而成，中央形成筒状空腔，2组线圈相同，2组线圈与电源控制模块电连接，2组线圈固定在机壳上；动子主要由永久磁铁组成，永久磁铁设置在2组线圈的空腔内，与线圈之间有缝隙，永久磁铁和空心线圈设置在同一轴线上；

所述线圈是由漆包线绕轴线绕制而成，线圈平面与轴线垂直。

所述永久磁铁沿轴向充磁。

所述电源控制模块向2组线圈轮流输入直流电，使2组线圈轮流产生与永久磁铁相吸引的电磁场，从而控制着永久磁铁在2组线圈内做直线往复运动；

设线性电机行程为S，设永久磁铁的轴向长度为B，设一组线圈的轴向长度为C时：

线性电机行程S＝C，永久磁铁的轴向长度B＝C～3C；

该线性电机使用直流电源。

永久磁铁固定在直动轴上

或固定在直动部件上，直动动部件的两端固定在棱形板弹簧上，或直动动部件的两端固定在2个活塞上或固定在2个汽缸上，2个活塞或2个汽缸装配在两端与其配合的汽缸内或柱塞上。

将上述线性电机的永久磁铁做定子，空心线圈做动子，其定子主要由永久磁铁组成，永久磁铁固定在定位杆上；动子主要由空心线圈组成，空心线圈由2组线圈沿轴向左右排列而成，中央形成筒状空腔，2组线圈相同，2组线圈与电源控制模块电连接，2组线圈固定在直动部件上；空心线圈设置在永久磁铁的周围，二者间有缝隙，永久磁铁和空心线圈设置在同一轴线上；

所述线圈是由漆包线绕轴线绕制而成，线圈平面与轴线垂直。

所述永久磁铁沿轴向充磁。

所述电源控制模块向2组线圈轮流输入直流电，使2组线圈轮流产生与永久磁铁相吸引的电磁场，从而控制着2组线圈在永久磁铁上做直线往复运动；

设线性电机行程为S，设永久磁铁的轴向长度为B，设一组线圈的轴向长度为C时：

线性电机行程S＝C，永久磁铁的轴向长度B＝C～3C；

该线性电机使用直流电源。

将上述线性电机的电源控制模块替换成二只整流二极管，其2组线圈分别与2只二极管电连接，2只二极管分别对2组线圈进行半波整流，1组线圈正半周导通，另1组线圈负半周导通，使2组线圈交替产生与永久磁铁相吸引的电磁场；

该线性电机使用220伏50～60赫兹交流电源。

下面结合附图及具体的实施方式进一步说明本发明。

附图说明

图1是本发明目的一种线性驱动装置的示意性的剖面图；

图2是图1的A向视图。

图3是本发明目的一种线性电机的剖面图。

图4是本发明目的一种线性电机的示意性的剖面图。

图5是本发明目的一种线性电机的电路及工作原理图。

图中：

9、19、29是第1组线圈，20、30是第2组线圈。

8、18、28是永久磁铁；

11是机壳；

12是左端盖；

13是右端盖；

14、15是线性轴承；

16是直动轴；

17、27是连接件；

26是定位杆；

D1、D2是整流二极管；

M1是第1组线圈通电后产生的电磁场的NS两极分界面，M2是第2组线圈通电后产生的电磁场的NS两极分界面，My是永久磁铁的永磁场的NS两极分界面。

下面结合附图及具体的实施方式来进一步说明本发明。

实施方式

图1是本发明的一种线性驱动装置的示意性的剖面图，包括空心线圈和永久磁铁，其空心线圈是由1组线圈9组成，线圈9的空腔内能容纳下永久磁铁8，并有缝隙，线圈9的右端面与永久磁铁8的左端面相邻，线圈9和永久磁铁8设置在同一轴线上。

图3所示线性电机，包括定子和动子，其定子主要由2组线圈组成，线圈19在左线圈20右，2组线圈与电源控制模块(图中未出)电连接，2组线圈安装在机壳11上；动子主要由永久磁铁18组成，永久磁铁18设置在2组线圈的空腔内，与2组线圈有缝隙，永久磁铁8与2组线圈设置在同一轴线上，永久磁铁通过连接件17固定在直动轴16上，直动轴16的左端由线性轴承14支承，线性轴承14安装在左端盖12上，直动轴16的右端由线性轴承15支承，线性轴承15安装在右端盖13上。

本发提供的线性电机在结构上，与比较例相比没有太大差别，如在中国专利文献：公开(公告)号CN103718437A，公开(公告)日2014.04.09，记载的一种线性电机，其永久磁铁设置在线圈组装体的筒状空腔内，它是三相交流电机，是利用三相交流电的旋转磁场推动永久磁铁运动，三个相位线圈产生的磁场方向是随着三相交流电的周期总在变化，每相线圈都会产生与永久磁铁吸引或排斥的交替变化，因此它的行程不够精准，效率较低。

本发明提供的线性电机的2组线圈使用的是直流电，每组线圈的电流方向是一定的，要求每组线圈在通电时产生的电磁场的内磁场的方向，与永久磁铁的外磁场的方向相反，这样电磁场与永久磁铁才能相互作用产生吸引力，在介绍本发明的线性电机工作原理时详细说明。

图4所示线性电机中，空心线圈做动子，永久磁铁28做定子，其空心线圈由2组线圈沿轴向左右排列而成，中央形成筒状空腔，2组线圈相同，线圈29在左线圈30在右，2组线圈与电源控制模块(图中未出)电连接，2组线圈安装在直动部件21上；空心线圈设置在定子永久磁铁28的周围，二者间有缝隙，永久磁铁28和空心线圈设置在同一轴线上；永久磁铁28固定在定位杆26上。

所述电源控制模块向线圈29和线圈30轮流输入直流电，使线圈29和线圈30轮流产生与永久磁铁28相吸引的电磁场，从而控制着空心线圈在永久磁铁上做直线往复运动。

图5是本发明的线性电机的电路和工作原理图，图中19是第1组线圈，20是第2组线圈，18是永久磁铁，二极管D1的正极与第1组线圈的一个引线端如图所示电连接，负极与220伏交流电源的火线连接，二极管D2的负极与第2组线圈的一个引线端如图所示电连接，正极与220伏交流电源火线连接，第1组线圈的另一个引线端和第2组线圈的另一个引线端与220伏交流电源零线连接，图5中的M1是第1组线圈19通电产生的电磁场的NS二极分界面，M2是第2组线圈20通电产生的电磁场的NS二极分界面，My是永久磁铁的永磁场的NS二极分界面。

本发明的线性电机的工作原理：

二极管的半波整流起到了开关的作用。

设该线性电机的动子永久磁铁停的位置在线圈20内，当交流电为正半周时，二极管D2关闭，二极管D1导通，第1组线圈19通电产生电磁场的内磁场的方向与永久磁铁18的外磁场方向相反，永久磁铁18被吸入第1组线圈19的空腔内，第1组线圈19通电产生的电磁场的NS二极分界面M1与永久磁铁的永磁场的NS二极分界面My重合时电磁场与永磁场吸牢，运动停止；

当交流电为负半周时，二极管D1关闭，二极管D2导通，第2组线圈20通电产生电磁场的内磁场的方向与永久磁铁18的外磁场方向相反，永久磁铁18又被吸回到第2组线圈20的空腔内，第2组线圈20通电产生的电磁场的NS二极分界面M2与永久磁铁18的永磁场的NS二极分界面My重合时电磁场与永磁场吸牢，运动停止。线性电机在交流电的一个周期内便完成一次往复运动。

本发明提供的线性电机行程精准，效率高。该线性电机是利用电磁场和永磁场相互吸引来工作的，在每个行程过程中，电磁场的NS二极分界面与永磁场的NS二极分界面的距离是从大到零，吸引力逐渐增大，与气体压缩过程中气体压力逐渐增大相对应，因此，本发明提供的线性电机可用在气体气体压缩各个领域。

Claims (9)

1.一种线性驱动装置，包括空心线圈和永久磁铁，其特征是：空心线圈是由n组线圈沿轴向排列而成，中央形成筒状空腔，n为自然数，永久磁铁设置在空心线圈的空腔内，两者之间有缝隙，永久磁铁和空心线圈设置在同一轴线上；

所述线圈是由漆包线绕轴线绕制而成，线圈平面与轴线垂直；

所述永久磁铁沿轴向充磁；

该线性驱动装置使用直流电，是利用电磁场的内磁场与永久磁铁的外磁场直接耦合产生的吸引力来驱动，通电线圈产生的电磁场的内磁场的方向，与永久磁铁的外磁场的方向相反。

2.一种包含权利要求1提供的线性驱动装置的线性电机，包括定子和动子，其特征是：定子主要由空心线圈组成，空心线圈由2组线圈沿轴向左右排列而成，中央形成筒状空腔，2组线圈相同，2组线圈与电源控制模块电连接，2组线圈固定在机壳上；动子主要由永久磁铁组成，永久磁铁设置在2组线圈的空腔内，与线圈之间有缝隙，永久磁铁和空心线圈设置在同一轴线上；

所述线圈是由漆包线绕轴线绕制而成，线圈平面与轴线垂直。

所述永久磁铁沿轴向充磁。

所述电源控制模块向2组线圈轮流输入直流电，使2组线圈轮流产生与永久磁铁相吸引的电磁场，从而控制着永久磁铁在2组线圈内做直线往复运动；

设线性电机行程为S，设永久磁铁的轴向长度为B，设一组线圈的轴向长度为C时：

线性电机行程S＝C，永久磁铁的轴向长度B＝C～3C；

该线性电机使用直流电源。

3.根据权利要求2提供的线性电机，其特征是：永久磁铁固定在直动轴上，直动轴的两端由线性轴承支承。

4.根据权利要求2提供的线性电机，其特征是：永久磁铁固定在直动部件上，直动动部件的两端固定在棱形板弹簧上。

5.根据权利要求2提供的线性电机，其特征是：永久磁铁固定在直动动部件上，直动动部件的两端固定在2个活塞上或固定在2个汽缸上，2个活塞或2个汽缸装配在两端与其配合的汽缸内或柱塞上。

6.一种包含权利要求1提供的线性驱动装置的线性电机，包括定子和动子，其特征是：定子主要由永久磁铁组成，永久磁铁固定在定位杆上；动子主要由空心线圈组成，空心线圈由2组线圈沿轴向左右排列而成，中央形成筒状空腔，2组线圈相同，2组线圈与电源控制模块电连接，2组线圈固定在直动部件上；空心线圈设置在永久磁铁的周围，二者间有缝隙，永久磁铁和空心线圈设置在同一轴线上；

所述电源控制模块向2组线圈轮流输入直流电，使2组线圈轮流产生与永久磁铁相吸引的电磁场，从而控制着2组线圈在永久磁铁上做直线往复运动；

设线性电机行程为S，设永久磁铁的轴向长度为B，设一组线圈的轴向长度为C时：

线性电机行程S＝C，永久磁铁的轴向长度B＝C～3C；

该线性电机使用直流电源。

7.根据权利要求2、6提供的线性电机，电源控制模块替换成2只整流二极管，其特征是：2组线圈分别与2只二极管电连接，2只二极管分别对2组线圈进行半波整流，1组线圈正半周导通，另1组线圈负半周导通，使2组线圈交替产生与永久磁铁相吸引的电磁场；

该线性电机使用220伏50～60赫兹交流电源。

8.根据权利要求2～7提供的线性电机，其特征是：永久磁铁为钕铁硼永磁体。

9.根据权利要求2～7提供的线性电机，其特征是：永久磁铁的横截面为矩形或棱形或圆形或圆环。