CN110518764B - 一种电磁悬架用直线作动器 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种电磁悬架用直线作动器。属于磁力传动领域，包括复合转子、内定子、动子、支撑轴承、弹簧、以及底座构成。所述的复合转子，内侧由表贴式圆弧磁体构成，外侧由螺旋磁极构成；所述的内定子与复合转子内侧磁体耦合形成外转子电机结构，绕组采用分数槽集中绕组；所述动子内侧由螺旋磁体构成，与复合转子外侧螺旋磁体耦合，实现将旋转运动转化为直线的运动；所述的动子的直线轴承由花键结构和石墨铜轴承构成；所述弹簧安装固定在动子与底座之间。本发明提高了悬架用直线作动器可靠性、推力密度，实现了无接触磁力传动。并且可以将减震与悬架一体化设计，减小体积和重量。

Description

一种电磁悬架用直线作动器
技术领域
本发明涉及一种车辆电磁悬架领域，特别涉及到一种高推力密度磁力传动直线作动器。
背景技术
电磁悬架作动器可以根据路面的行驶情况，通过调节悬架的刚度和阻尼获得良好的乘坐舒适性和操纵稳定性，因此电磁悬架作为车辆性能评价指标的关键因素。
文献IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,60(10)：4546-4553，2013(Impact of traffic conditions on the active suspension energy regeneration inhybrid electric vehicles)介绍了一种旋转电机与滚珠丝杠传动机构集成的悬架系统。虽然这种结构具有较大的力能密度，将旋转运动转换为直线运动。但是，滚珠丝杠传动机构的缺点也一直为业内学者所诟病。滚珠丝杠作为传动机构无法避免机械磨损、动态性能等问题，特别是滚珠丝杠的卡死问题，降低作动器的使用寿命、运行性能和可靠性。并且电机外置的结构，由于采用旋转连接装置，从而增加了传递复杂度和体积。
文献IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,52(7)：8104804，2016(Design andanalysis of low-cost tubular fault-tolerant interior permanent-magnet motor)介绍了一种应用于电磁悬架圆筒直线电机，虽然该结构可以满足动态性能和可靠性，但是其推力密度饱受争议。因此，采用有效的办法实现兼顾推力密度、可靠性以及动态性能的电磁悬架装置就具有重要的理论意义和实用价值。
发明内容
根据车辆电磁悬架的推力特性，针对现有技术中存在的问题，本发明设计了一种高推力密度、高可靠、低磨损、结构紧凑的电磁悬架用直线作动器。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一台电磁悬架用直线作动器，包括复合转子1、内定子2、动子3、石墨铜直线轴承4-1和4-2、动子底座8、支撑轴7、弹簧装置5、以及底座6；所述的复合转子1，内侧由表贴式圆弧磁体构成，外侧由螺旋磁极构成；所述的内定子2位于复合转子1内部，与复合转子1内侧圆弧磁体耦合形成外转子电机结构；
内定子2安装在与底座6中心连接的支撑轴7上，内定子2上设置有定子绕组，采用分数槽集中绕组；所述动子3设置在复合转子1外部；动子3内侧由螺旋磁体构成，与复合转子1外侧螺旋磁体耦合，实现将旋转运动转化为直线的运动；所述的动子3的直线轴承由石墨铜轴承4-1和4-2构成；动子3上远离底座6的一端为动子底座8，所述弹簧装置5安装固定在动子底座8与底座6之间。
进一步，动子3和复合转子1螺旋磁路采用相同长度的螺旋导程，每个导程内存在N、S、N、S分布的2对极螺旋磁路，理论上即转子旋转一周，动子可以推进一个导程的距离。
进一步，石墨铜轴承4-1和4-2分别安装在支撑轴7上，石墨铜轴承4-1固定在支撑轴7的一端，石墨铜轴承4-1的外侧与动子3内侧接触，实现直线滑动；石墨铜轴承4-2的内侧与支撑轴7的外侧接触，实现直线滑动。
所述的复合转子和动子，两者同轴，动子套在复合转子的外部，动子轴向长度要大于转子轴向长度。复合转子的外侧螺旋磁极，和动子内侧螺旋磁极，均采用相同的螺旋导程和充磁方式，均采用稀土永磁材料，两种充磁方向相反的螺旋形永磁体以N、S极螺旋交替的形式排列。
所述的复合转子内侧由N、S极径向充磁的系统永磁磁环构成，与内定子耦合产生转矩。复合转子的铁心由电工铁材料制作。
所述内定子安装在与底座连接的支撑轴上，不会产生轴向或者径向的位置移动。
所述的动子，空套在复合转子的外部，通过螺旋磁场的耦合，实现直线往复运动，其轴向长度大于复合转子轴向长度的部分为电磁悬架的直线行程，可以根据车辆的实际需求进行调节。
所述动子的直线轴承，采用石墨铜轴承组成，该直线轴承安装固定在与底座连接的支撑轴上，不会产生轴向或者径向的位置移动。
所述弹簧装置，空套在动子的外部，并且与动子的一端相连接，另一端与底座相连接，随着动子的移动，可以实现阻尼和刚度的实时调节。
本发明不仅适用于电磁悬架，而且适用于航空航天、人工心脏泵、海洋发电等领域。相比与传统的直线电机，由于磁力丝杠是磁力传动，所以具有过负载能力强，维护费用低和清洁度高等优点。
本发明采用上述技术方案后，具有如下有益效果：
1、本发明采用电机与磁力丝杠的集成设计，相比于同尺寸的直线电机，其推力密度可以显著提升；相比于滚珠丝杠传动机构，在保证高力能密度的基础上，显著提高系统可靠性和动态性能。
2、本发明采用外转子电机和磁力丝杠结构，有效的增加了磁性工作面积，从而可以进一步的提升力能密度。
3、本发明采用的磁力丝杠传动技术，可以通过改变固定导程下的螺旋磁体极对数，从而实现转速和直线速度的比率。例如本发明中，转子螺旋磁体极对数和动子螺旋磁体极对数均为2，其具体的极对数配合，可以根据车辆悬架的具体要求选取。
附图说明
下列附图为本发明的实施例，其中：
附图1是本发明立体结构及半剖示意图；
附图2是本发明的螺旋磁路结构半剖示意图；
附图3是本发明的动子轴承装配示意图；
附图4是提出方案的推力性能示意图。
具体实施方式
下面根据说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的解释。
如图1，一台电磁悬架用直线作动器，包括复合转子1、内定子2、动子3、石墨铜直线轴承4-1和4-2、动子底座8、支撑轴7、弹簧装置5、以及底座6构成。所述的复合转子1，内侧由表贴式圆弧磁体构成，外侧由螺旋磁极构成；所述的内定子2与复合转子1内侧磁体耦合形成外转子电机结构，内定子2安装在与底座6连接的支撑轴7上，定子绕组采用分数槽集中绕组；所述动子内侧由螺旋磁体构成，与复合转子外侧螺旋磁体耦合，实现将旋转运动转化为直线的运动；所述的动子的直线轴承由石墨铜轴承4-1和4-2构成；所述弹簧装置5安装固定在动子底座8与底座6之间。
如图2所示，为本发明中转子螺旋磁路和动子螺旋磁路，动子和转子螺旋磁路采用相同长度的螺旋导程，每个导程内存在N、S、N、S分布的2对极螺旋磁路，理论上即转子旋转一周，动子可以推进一个导程的距离。
如图3所示，为动子装配的方法，石墨铜轴承4-1和4-2分别安装在支撑轴7上，石墨铜轴承4-1，固定在支撑轴7的一端，石墨铜轴承4-1的外侧与动子3内侧接触，实现直线滑动。石墨铜轴承4-2的内侧与支撑轴7的外侧接触，实现直线滑动。此设计有效的减小了直线作动器的体积和直线导轨引出轴的长度。
图4所示，为提出的直线作动器的推力性能，在转子外径为55mm，转子轴向长度为60mm的体积下，其推力可达3.6kN，远远大于同样尺寸的直线电机，其推力性能可以与机械滚珠丝杠媲美。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种电磁悬架用直线作动器，其特征在于，包括复合转子（1）、内定子（2）、动子（3）、第一石墨铜轴承（4-1）和第二石墨铜轴承（4-2）、动子底座（8）、支撑轴（7）、弹簧装置（5）、以及底座（6）；所述的复合转子（1），内侧由表贴式圆弧磁体构成，外侧由螺旋磁体构成；所述的内定子（2）位于复合转子（1）内部，与复合转子（1）内侧圆弧磁体耦合形成外转子电机结构；
内定子（2）安装在与底座（6）中心连接的支撑轴（7）上，内定子（2）上设置有定子绕组，采用分数槽集中绕组；所述动子（3）空套在复合转子（1）外部；动子（3）内侧由螺旋磁体构成，与复合转子（1）外侧螺旋磁体耦合，动子（3）轴向长度大于复合转子（1）轴向长度的部分为电磁悬架的直线行程，实现将旋转运动转化为直线的运动；所述的动子（3）的直线轴承由第一石墨铜轴承（4-1）和第二石墨铜轴承（4-2）构成；动子（3）上远离底座（6）的一端为动子底座（8），所述弹簧装置（5）安装固定在动子底座（8）与底座（6）之间；
第一石墨铜轴承（4-1）和第二石墨铜轴承（4-2）分别安装在支撑轴（7）上，第一石墨铜轴承（4-1）固定在支撑轴（7）的一端，第一石墨铜轴承（4-1）的外侧与动子（3）内侧接触，实现直线滑动；第二石墨铜轴承（4-2）的内侧与支撑轴（7）的外侧接触，实现直线滑动。
2.根据权利要求1所述的一种电磁悬架用直线作动器，其特征在于，
动子（3）和复合转子（1）螺旋磁路采用相同长度的螺旋导程，每个导程内存在N、S、N、S分布的2对极螺旋磁路，理论上即转子旋转一周，动子推进一个导程的距离。
3.根据权利要求1所述的一种电磁悬架用直线作动器，其特征在于，复合转子（1）的外侧螺旋磁体，和动子（3）内侧螺旋磁体，均采用相同的螺旋导程和充磁方式，均采用稀土永磁材料。
4.根据权利要求1所述的一种电磁悬架用直线作动器，其特征在于，复合转子（1）外径为55mm，转子轴向长度为60mm。
5.根据权利要求1所述的一种电磁悬架用直线作动器，其特征在于，复合转子（1）采用外转子电机驱动。
6.根据权利要求5所述的一种电磁悬架用直线作动器，其特征在于，复合转子（1）的铁心由电工铁材料制作。
7.根据权利要求5所述的一种电磁悬架用直线作动器，其特征在于，复合转子（1）内侧由N、S极径向充磁的永磁磁环构成，与内定子（2）耦合产生转矩。
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