CN109510354A - 一种内置式磁钢非金属支撑结构及斯特林制冷机和发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种内置式磁钢非金属支撑结构、动磁式直线电机结构及斯特林制冷机和发电机。内置式磁钢非金属支撑结构，包括外挡圈、上挡圈、下挡圈和磁钢，所述外挡圈、上挡圈和下挡圈均由非金属材料制成，所述磁钢贴设于所述外挡圈内壁，所述上挡圈和下挡圈分别抵压在磁钢的两端。本发明相较于现有技术，采用外挡圈有效规制磁钢的外圆周位置，与磁钢外置式相比，降低了对磁钢的粘结要求；上、下挡圈有效限定了磁钢的轴向移动；大大降低了制造成本，提升了生产效率，以简单的结构实现了较高的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及斯特林循环制冷机技术领域，具体涉及一种内置式磁钢非金属支撑结构、动磁式直线电机结构及斯特林制冷机和发电机。
背景技术
直线电机是斯特林制冷机和发电机中最重要的部件，其由线圈、永磁磁钢组件和内外定子构成。直线电机可分为动圈式和动磁式两种，动圈式电机由于需要通电的线圈高频往复运动，线圈的通电可靠性保证很难保证，存在线圈与电源连接线断裂的风险，降低了其使用寿命及性能可靠性。
随着直线电机的发展，动磁式电机得到广泛应用，电机的运动部件变成磁钢组件，线圈和内外定子均固定不动，这样大幅增加了直线电机的可靠性，寿命可达到4万小时以上。动磁式直线电机效率最高的形式为Redlich直线电机，该形式的线性压缩机由于磁铁不离开气隙，磁铁的边缘磁场不会随磁铁的位置而变化，因此不会在周围的金属结构中产生涡流；当磁铁处于工作区域内，在没有励磁电流的情况下，电机的轴向力为零；该结构的电机效率可达到92％，而且在额定功率25％的范围内工作，效率变化不大。对于该动磁式直线电机可靠性和寿命的瓶颈在于动磁组件，现有的动磁组件的磁钢一般采用外置式，对磁钢的粘结力、粘结寿命、粘结耐温能力较为严苛，制造成本高，生产效率低。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种内置式磁钢非金属支撑结构、动磁式直线电机结构及斯特林制冷机和发电机。
为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种内置式磁钢非金属支撑结构，包括外挡圈、上挡圈、下挡圈和磁钢，所述外挡圈、上挡圈和下挡圈均由非金属材料制成，所述磁钢贴设于所述外挡圈内壁，所述上挡圈和下挡圈分别抵压在磁钢的两端。
本发明相较于现有技术，采用外挡圈有效规制磁钢的外圆周位置，与磁钢外置式相比，降低了对磁钢的粘结要求；上、下挡圈有效限定了磁钢的轴向移动；大大降低了制造成本，提升了生产效率，以简单的结构实现了较高的可靠性。
进一步地，所述外挡圈采用含碳纤维或玻璃纤维的非金属材料制成，所述外挡圈的抗压强度大于所述上挡圈和下挡圈的抗压强度。
采用上述优选的方案，高强度的外挡圈能确保磁钢组件外圆周的尺寸稳定性，提升磁钢组件与外定子间的配合精度，。
进一步地，所述磁钢采用径向充磁，所述磁钢的径向外侧为S极，径向内侧为N极；或者，所述磁钢的径向外侧为N极，径向内侧为S极。
采用上述优选的方案，在线圈的交变磁场作用下，磁钢组件实现相对于内外定子的往复稳定平移。
进一步地，所述磁钢为整体式圆环结构或多片式拼接而成的圆环结构。
采用上述优选的方案，采用整体式圆环结构的磁钢可以提高磁钢组装的效率；采用多片拼接式磁钢可以使磁钢与外挡圈更好地相贴合，磁钢与外挡圈之间没有内应力，磁钢组件的性能更为稳定可靠。
进一步地，所述磁钢外壁、上挡圈外壁和下挡圈外壁与外挡圈内壁之间通过胶水粘结固化，磁钢的上下端与上挡圈和下挡圈之间也通过胶水粘结固化。
采用上述优选的方案，提升磁钢组件各部件之间的结合强度，提升磁钢位置稳定性。
进一步地，所述外挡圈的圆周壁上设有均匀分布的多排导胶孔，每个导胶孔的直径为1-10mm，每排导胶孔的数量为3-7个。
采用上述优选的方案，可以导出磁钢与外挡圈之间过量的胶水，确保整面胶水厚度均匀。
进一步地，所述外挡圈上对应于每片磁钢的中心位置设有进胶孔，以及设置在外挡圈内壁从进胶孔处向四周扩散的导胶槽，在导胶槽的末端还设有通到外挡圈外壁的溢胶孔，所述导胶槽的截面为一段连续曲率曲线构成的第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽之间的凸出部低于外挡圈的内壁面，所述进胶孔与第一凹槽连通，所述溢胶孔与第二凹槽相连通。
采用上述优选的方案，在外挡圈内壁面上均匀分布的导胶槽，可以使过量胶水更为均匀快速地溢出；鉴于磁钢内置式的特点，外挡圈可以有效规制磁钢的径向向外的扩张力，磁钢与外挡圈之间的粘结力要求大大降低，可以在工装将磁钢和外挡圈定位后，通过进胶孔注入胶水，胶水从第一凹槽渗入到第二凹槽，在充填满后从溢胶孔溢出，这样有效防止磁钢和外挡圈间形成气泡，充填效果好。
一种动磁式直线电机结构，包括内定子、外定子、线圈和磁钢组件，所述磁钢组件采用上述的内置式磁钢非金属支撑结构，所述磁钢组件置于内定子和外定子之间。
进一步地，所述外定子包括第一外定子和第二外定子，所述线圈内嵌于第一外定子和第二外定子之间，所述第一外定子和第二外定子之间在磁钢组件的一侧形成截面成八字形的环形槽体，环形槽体截面开口从磁钢组件向线圈逐渐变大。
进一步地，所述外定子为整体式结构，所述外定子在磁钢组件一侧设有截面成矩形的环形槽体，所述线圈内嵌在环形槽体内，在外定子的两端设有从外向内逐渐斜向延伸的锥面部。
采用上述优选的方案，可以根据线圈的特性选择合理的外定子方式，截面成八字形的环形槽体和锥形面能够起到导流作用，减少磁钢组件在内、外定子之间的移动阻力，减少噪音。
一种斯特林制冷机，其采用上述的动磁式直线电机结构，内定子通过环氧胶或螺纹固定在制冷机气缸外侧，外定子通过焊接或者螺栓固定在制冷机壳体上，磁钢组件与制冷机活塞固定连接。
一种斯特林发电机，其采用上述的动磁式直线电机结构，内定子通过环氧胶或螺纹固定在发电机气缸外侧，外定子通过焊接或者螺栓固定在发电机壳体上，磁钢组件与发电机活塞固定连接。
斯特林制冷机和发电机采用上述内置式磁钢非金属支撑结构，因而也具有内置式磁钢非金属支撑结构所带来的所有有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明内置式磁钢非金属支撑结构一种实施方式的结构示意图；
图2是本发明内置式磁钢非金属支撑结构一种实施方式的装配工艺过程图；
图3是本发明另一种实施方式的结构示意图；
图4是本发明另一种实施方式的结构示意图；
图5是本发明另一种实施方式的结构示意图；
图6是本发明另一种实施方式的结构示意图；
图7是本发明另一种实施方式的结构示意图；
图8是本发明动磁式直线电机结构一种实施方式的结构示意图；
图9是本发明另一种实施方式的结构示意图；
图10是本发明另一种实施方式的结构示意图。
图中数字和字母所表示的相应部件的名称：
1-磁钢组件；11-外挡圈；12-上挡圈；13-下挡圈；14-磁钢；2-外定子；21-第一外定子；22-第二外定子；3-线圈；4-内定子；51-导胶孔；521-进胶孔；522-导胶槽；5221-第一凹槽；5222-第二凹槽；523-溢胶孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种内置式磁钢非金属支撑结构，包括外挡圈11、上挡圈12、下挡圈13和磁钢14，外挡圈11、上挡圈12和下挡圈13均由非金属材料制成，磁钢14贴设于外挡圈11内壁，上挡圈12和下挡圈13分别抵压在磁钢14的两端。
采用上述技术方案的有益效果是：采用外挡圈11有效规制磁钢14的外圆周位置，与磁钢外置式相比，降低了对磁钢的粘结要求；上、下挡圈12/13有效限定了磁钢14的轴向移动；大大降低了制造成本，提升了生产效率，以简单的结构实现了较高的可靠性。
在本发明的另一些实施方式中，外挡圈11采用含碳纤维或玻璃纤维的非金属材料制成，外挡圈11的抗压强度大于上挡圈12和下挡圈13的抗压强度。采用上述技术方案的有益效果是：高强度的外挡圈能确保磁钢组件外圆周的尺寸稳定性，提升磁钢组件与外定子间的配合精度。
图2给出了内置式磁钢非金属支撑结构的磁钢组件的装配工艺过程。首先通过工装固定，把外挡圈11和和上挡圈12通过环氧胶粘接，以上挡圈12为基体，通过工装把外挡圈11均匀压紧在上挡圈12外侧，放置适当的时间，使得胶水全部固化；固化后粘接磁钢14，最后粘接下挡圈13。
在本发明的另一些实施方式中，磁钢14采用径向充磁，如图4所示，磁钢14的径向外侧为N极，径向内侧为S极；或者，如图5所示，磁钢14的径向外侧为S极，径向内侧为N极。磁钢的充磁可以是在组装前先行充磁，再进行磁钢与外挡圈的粘结，这样能确保磁钢的充磁效果。为了方便磁钢的组装，也可以先进行磁钢组件的组装，在胶水固化后再进行磁钢组件的充磁。
在本发明的另一些实施方式中，磁钢14为整体式圆环结构；或者，磁钢14为多片式拼接而成的圆环结构。采用上述技术方案的有益效果是：采用整体式圆环结构的磁钢可以提高磁钢组装的效率；采用多片拼接式磁钢可以使磁钢与外挡圈更好地相贴合，磁钢与外挡圈之间没有内应力，磁钢组件的性能更为稳定可靠。
在本发明的另一些实施方式中，对于高温工作的场合，磁钢可选择钐钴磁钢；对于磁强度要求较高的场合，可选择钕铁硼系列磁钢。
在本发明的另一些实施方式中，磁钢14外壁、上挡圈12外壁和下挡圈13外壁与外挡圈11内壁之间通过胶水粘结固化，磁钢14的上下端与上挡圈12和下挡圈13之间也通过胶水粘结固化。采用上述技术方案的有益效果是：提升磁钢组件各部件之间的结合强度，提升磁钢位置稳定性。
如图3所示，在本发明的另一些实施方式中，外挡圈的圆周壁上设有均匀分布的多排导胶孔51，每个导胶孔的直径为1-10mm，每排导胶孔的数量为3-7个。采用上述技术方案的有益效果是：可以导出磁钢14与外挡圈11之间过量的胶水，确保整面胶水厚度均匀。
如图6、7所示，在本发明的另一些实施方式中，外挡圈11上对应于每片磁钢的中心位置设有进胶孔521，以及设置在外挡圈11内壁从进胶孔521处向四周扩散的导胶槽522，在导胶槽522的末端还设有通到外挡圈11外壁的溢胶孔523。图7所示，导胶槽522的截面为一段连续曲率曲线构成的第一凹槽5221和第二凹槽5222，第一凹槽5221和第二凹槽5222之间的凸出部低于外挡圈11的内壁面，进胶孔521与第一凹槽5221连通，溢胶孔523与第二凹槽5222相连通。采用上述技术方案的有益效果是：在外挡圈11内壁面上均匀分布的导胶槽522，可以使过量胶水更为均匀快速地溢出；鉴于磁钢内置式的特点，外挡圈11可以有效规制磁钢14的径向向外的扩张力，磁钢14与外挡圈11之间的粘结力要求大大降低，可以在工装将磁钢14和外挡圈11定位后，通过进胶孔521注入胶水，胶水从第一凹槽5221渗入到第二凹槽5222，在充填满后从溢胶孔523溢出，这样有效防止磁钢和外挡圈间形成气泡，充填效果好。
如图8-10所示，一种动磁式直线电机结构，包括内定子4、外定子2、线圈3和磁钢组件1，磁钢组件1采用上述的内置式磁钢非金属支撑结构，磁钢组件1置于内定子4和外定子2之间。
如图8、9所示，在本发明的另一些实施方式中，外定子2包括第一外定子21和第二外定子22，线圈3内嵌于第一外定子21和第二外定子22之间，第一外定子21和第二外定子22之间在磁钢组件1的一侧形成截面成八字形的环形槽体，环形槽体截面开口从磁钢组件向线圈逐渐变大。内、外定子可以是层叠构造的导磁材料(例如硅钢片、片状1J22材料)，首先通过线切割或者冲压工艺把片状导磁材料加工成型，然后通过工装把数量众多的片状导磁材料组装成设计形状且尺寸满足设计要求，通过焊接成型，加工成型第一外定子21和第二外定子22，然后通过工装固定位置、环氧胶粘接组装在线圈3的外侧。
如图10所示，在本发明的另一些实施方式中，外定子2为整体式结构，外定子2在磁钢组件一侧设有截面成矩形的环形槽体，线圈3内嵌在环形槽体内，在外定子2的两端设有从外向内逐渐斜向延伸的锥面部。内、外定子是一体化加工成型的高导磁材料，例如把1J22棒料直接通过车削、线切割等工艺过程直接成型为外定子，或者采用粉末冶金的方式直接成型。成型后的内外定子已经是一个组件整体，不需要内外定子片状材料层层叠加。
可以根据线圈的特性选择合理的外定子方式，截面成八字形的环形槽体和锥形面能够起到导流作用，减少磁钢组件在内、外定子之间的移动阻力，减少噪音。
一种斯特林制冷机，其采用上述的动磁式直线电机结构，内定子通过环氧胶或螺纹固定在制冷机气缸外侧，外定子通过焊接或者螺栓固定在制冷机壳体上，磁钢组件与制冷机活塞固定连接。
一种斯特林发电机，其采用上述的动磁式直线电机结构，内定子通过环氧胶或螺纹固定在发电机气缸外侧，外定子通过焊接或者螺栓固定在发电机壳体上，磁钢组件与发电机活塞固定连接。
斯特林制冷机和发电机采用上述内置式磁钢非金属支撑结构，因而也具有内置式磁钢非金属支撑结构所带来的所有有益效果。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种内置式磁钢非金属支撑结构，其特征在于，包括外挡圈、上挡圈、下挡圈和磁钢，所述外挡圈、上挡圈和下挡圈均由非金属材料制成，所述磁钢贴设于所述外挡圈内壁，所述上挡圈和下挡圈分别抵压在磁钢的两端。
2.根据权利要求1所述的内置式磁钢非金属支撑结构，其特征在于，所述外挡圈采用含碳纤维或玻璃纤维的非金属材料制成，所述外挡圈的抗压强度大于所述上挡圈和下挡圈的抗压强度。
3.根据权利要求2所述的内置式磁钢非金属支撑结构，其特征在于，所述磁钢采用径向充磁，所述磁钢的径向外侧为S极，径向内侧为N极；或者，所述磁钢的径向外侧为N极，径向内侧为S极。
4.根据权利要求3所述的内置式磁钢非金属支撑结构，其特征在于，所述磁钢外壁、上挡圈外壁和下挡圈外壁与外挡圈内壁之间通过胶水粘结固化，磁钢的上下端与上挡圈和下挡圈之间也通过胶水粘结固化。
5.根据权利要求4所述的内置式磁钢非金属支撑结构，其特征在于，所述外挡圈的圆周壁上设有均匀分布的多排导胶孔，每个导胶孔的直径为1-10mm，每排导胶孔的数量为3-7个。
6.根据权利要求4所述的内置式磁钢非金属支撑结构，其特征在于，所述外挡圈上对应于每片磁钢的中心位置设有进胶孔，以及设置在外挡圈内壁从进胶孔处向四周扩散的导胶槽，在导胶槽的末端还设有通到外挡圈外壁的溢胶孔，所述导胶槽的截面为一段连续曲率曲线构成的第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽之间的凸出部低于外挡圈的内壁面，所述进胶孔与第一凹槽连通，所述溢胶孔与第二凹槽相连通。
7.一种动磁式直线电机结构，其特征在于，包括内定子、外定子、线圈和磁钢组件，所述磁钢组件采用权利要求1-6任一所述的内置式磁钢非金属支撑结构，所述磁钢组件置于内定子和外定子之间。
8.根据权利要求7所述的动磁式直线电机结构，其特征在于，
所述外定子包括第一外定子和第二外定子，所述线圈内嵌于第一外定子和第二外定子之间，所述第一外定子和第二外定子之间在磁钢组件的一侧形成截面成八字形的环形槽体，环形槽体截面开口从磁钢组件向线圈逐渐变大；
或者，所述外定子为整体式结构，所述外定子在磁钢组件一侧设有截面成矩形的环形槽体，所述线圈内嵌在环形槽体内，在外定子的两端设有从外向内逐渐斜向延伸的锥面部。
9.一种斯特林制冷机，其特征在于，其采用权利要求7或8所述的动磁式直线电机结构，内定子通过环氧胶或螺纹固定在制冷机气缸外侧，外定子通过焊接或者螺栓固定在制冷机壳体上，磁钢组件与制冷机活塞固定连接。
10.一种斯特林发电机，其特征在于，其采用权利要求7或8所述的动磁式直线电机结构，内定子通过环氧胶或螺纹固定在发电机气缸外侧，外定子通过焊接或者螺栓固定在发电机壳体上，磁钢组件与发电机活塞固定连接。
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