CN110729873B - 一种气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠，包含沿轴向直线运动的动子和圆周旋转运动的转子，转子套设在动子外侧且与动子之间留有气隙；转子设置转子铁芯和位于转子铁芯内壁用以形成磁场的转子内磁极；动子包含：动子铁芯，其上开设多排第一槽，第一槽带有极靴；励磁绕组，置于第一槽内，用以在极靴表面产生径向磁场，并通过调节励磁绕组的电流，调节气隙耦合磁场的大小。本发明通过在动子表面放置励磁绕组来达到调节气隙磁场大小并且提高推力密度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及磁力丝杠领域，特别涉及一种气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠。
背景技术
传统机械丝杠可用于直线运动和旋转运动的相互转化，但是机械丝杠的螺母和丝杆之间存在摩擦力，推力过大时，丝杆和螺母的螺纹容易损坏。随着永磁体性能的显著提高，永磁式磁力丝杠由于具有推力密度大、可靠性高，具有过载保护等优点，在新能源波浪发电、汽车工业、航天航空等领域拥有巨大的发展前景。但是由于永磁式磁力丝杆的气隙磁场由永磁体的剩磁决定的，无法进行调节，磁力丝杆的推力只与转子和动子磁螺杆的相对位置有关系。从而导致永磁式磁力丝杆的动态性能很差，当负载推力发生变化时，输出的转矩会随之波动，这就限制了磁力丝杠在对系统动态性能要求高的领域的应用。
文献IEEE Transactions on Magnetic,50(11):8205004,2014(Electromagneticlead screw forpotential wave energy application)提出了一种电励磁式磁力丝杠。该磁力丝杠在动子表面开螺旋形的开口槽，然后在槽内绕制螺旋形的励磁绕组。在绕组内通入直流电来产生动子励磁磁场。但是由于绕组产生磁通的径向分量较少，所以其推力密度仅相当于同体积永磁直磁力丝杠的四分之一。
文献IEEE Transactions on Magnetic,53(11):8203904,2017(Design andAnalysis of a New HTS Electromagnetic Screw)为了提高提出电励磁磁力丝杠的推力密度，在上述磁力丝杆的基础上提出了一种基于高温超导线圈的电磁式磁力丝杠，将传统动子上的普通螺旋励磁绕组替换成高温超导螺旋励磁绕组，并安装冷却系统。该种结构通过提高励磁绕组电流密度的方法来提高气隙磁通，但是由于励磁绕组的放置方式没有改变，仍然无法提高用来提升推力的磁通的径向分量的比重。而且由于采用高温超导绕组并且需要安装冷却系统，使得提出磁力丝杠的成本和结构复杂度大大提高，磁力丝杠的可靠性下降。
中国专利申请CN107896047A提出了一种单绕组混合励磁磁力丝杠，通过在转子或动子上增设一组环形励磁绕组。通过控制绕组电流的大小来调节气隙磁场的大小。由于该种磁力丝杆中仍然采用了螺旋形永磁体，所以对气隙磁场的调节范围有限，调节宽度较小。
中国专利申请CN110034658A提出了一种新型磁场调制式磁力丝杠，由定子、转子和螺旋调磁环组成，其气隙磁场通过螺旋调磁环进行调节，并且螺旋调磁环充当动子进行直线运动。虽然该种磁力丝杆结构简单、永磁体用量小，但是充当动子的螺旋调磁环在受到较大推力时可能产生形变，甚至损坏。
基于上述原因，研发一种解决气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杆推力密度小、励磁绕组利用率低等问题的新型电励磁磁力丝杆实为必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠，转子包含转子铁芯和径向充磁的分段螺旋型永磁体构成，直线动子包含动子铁芯和分段励磁绕组，转子中的永磁体表贴在转子铁芯内表面，动子表面开设螺旋形的半闭口槽，用于放置螺旋形励磁绕；将转子同轴套在动子外面，且互不接触，留有气隙；通过在动子表面放置励磁绕组来达到调节气隙磁场大小并且提高推力密度，用以解决现有气隙磁场可调式电励磁磁力丝杆推力密度小，磁力绕组利用率低的问题。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠，包含沿轴向直线运动的动子和圆周旋转运动的转子，所述转子套设在所述动子外侧并与所述动子之间留有气隙；所述转子设有转子铁芯和位于转子铁芯内壁用以形成磁场的转子内磁极；所述动子包含：动子铁芯，其上开设多排第一槽，所述第一槽带有极靴；励磁绕组，置于所述第一槽内，使得在所述极靴表面产生径向磁场，并通过调节所述励磁绕组的电流，用以调节气隙耦合磁场大小。
优选地，所述转子内磁极包含N级、S级交替排布的多个径向充磁的螺旋形永磁体，以形成N、S极交替的螺旋磁场；所述转子内磁极中任意相邻两个螺旋形永磁体的极性相反。
优选地，所述第一槽为螺旋形半闭口槽，所述极靴为螺旋形极靴；所述动子铁芯表面上沿周向开设多排螺旋形半闭口槽，所述励磁绕组分段固定在对应的螺旋形半闭口槽内，所述励磁绕组包含多段励磁绕组线圈。
优选地，所述励磁绕组中任意相邻两段励磁绕组线圈的邻近部分的电流方向相反，使得相邻的两个螺旋形极靴的磁场极性相反，用来产生螺旋形N、S级交替的磁场。
优选地，所述励磁绕组线圈缠绕在相邻两个螺旋形半闭口槽中间的齿部上。
所述动子表面沿轴向开设两个直线槽，并使其沿圆周相隔180°，将对应的螺旋形半闭口槽分成两段，所述直线槽用于放置励磁绕组的引出线，所述引出线将励磁绕组接入外接电源。
优选地，所述螺旋形半闭口槽的螺旋绕向和转子的螺旋形永磁体的螺旋绕向相同，螺距相同。
优选地，所述螺旋形极靴轴向方向的宽度与所述螺旋形永磁体轴向方向的宽度相同。
优选地，所述转子与所述动子同轴设置，所述动子为实心杆状结构，所述转子为圆筒形结构。
优选地，励磁绕组通入电流后产生动子径向主磁通，并与转子的永磁体产生的径向主磁通在气隙形成闭合回路；励磁绕组通电后产生的总转子耦合的主磁通依次经过螺旋形极靴、气隙、螺旋形永磁体、转子铁芯、动子铁芯形成闭合回路。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)本发明在继承了传统永磁式磁力丝杆可靠性高、维护周期长和自动过载保护等优点的基础上，用励磁绕组来代替动子表面的螺旋永磁体，可以大幅减少螺旋永磁体的用量；(2)本发明通过调节动子励磁绕组电流的大小，可以来调节气隙耦合磁场的大小，从而可以调节磁力丝杆的推力特性；(3)现有技术将励磁绕组直接缠绕在动子上，根据右手定则可知励磁绕组产生的磁通大部分都是轴向的；本案发明励磁绕组布置在动子表面，其产生的磁通是垂直于励磁绕组表面，因此本发明通过改变励磁绕组的结构，使得励磁绕组产生的磁场全部沿径向方向，大大提高了励磁绕组的利用率。
附图说明
图1为本发明的气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠示意图；
图2为图1中转子结构轴向剖视图；
图3为图1中动子结构轴向剖视图；
图4为图1中动子结构径向剖视图；
图5为本发明的螺旋形半闭口槽局部放大示意图；
图6为本发明的气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠主磁通示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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-图6结合所示，本发明提供了一种气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠，包括转子1和动子2，转子1和动子2同轴设置。示例地，转子1为圆筒形结构，动子2为实心杆状结构。转子1套在动子2外侧，两者不接触并且两者之间留有气隙4。
如图2所示，转子1包含转子铁芯11和转子内磁极12。转子铁芯11为圆筒铁芯。转子内磁极12是由径向充磁永磁体分段拼接而成的螺旋管状磁极结构，包含多个N、S级交替排布的径向充磁的螺旋管状的永磁体121。转子内磁极12表贴在转子铁芯11内壁，用来形成N、S极交替的螺旋磁场。示例地，转子内磁极12中任意相邻两个永磁体121的极性相反。
本实施例中，转子1沿轴向方向的两端通过轴承固定，只能做圆周旋转运动。动子2只能沿轴向中心线做直线运动。
如图3-图5所示，动子2包含螺旋形半闭口槽21、直线槽22、螺旋形半闭口槽的极靴23(也称凸极)、动子铁芯24和动子励磁绕组3。
其中，在动子铁芯24的表面沿周向开设多排螺旋形半闭口槽21，螺旋形半闭口槽21设有半闭口槽槽口25，动子励磁绕组3分段固定在动子表面上对应排的螺旋形半闭口槽21内，用于调节作用在转子1与动子2上的推力，完成直线运动和旋转运动的相互转化。
如图3所示，虚线框内励磁绕组线圈31为动子励磁绕组3中的一段完整的闭合线圈，每段励磁绕组线圈31所围成的环状结构的中心轴线是径向的，与现有技术中将励磁绕组直接缠绕在动子上使得励磁绕组产生的磁通大部分沿轴向方向的方案实质不同。
示例地，励磁绕组线圈31的四端口处的电流方向如图3所示，其中，第一端口3101和第二端口3102位于动子铁芯24轴向中心线的第一侧，所述第一端口3101和所述第二端口3102的电流方向相反，同时，第三端口3103和第四端口3104位于动子铁芯24轴向中心线的第二侧，第三端口3103和第四端口3104的电流方向相反，而且，第一端口3101与第三端口3103的电流方向也相反。本实施例中，沿轴向任意两相邻励磁绕组线圈的邻近部分的电流相反，以保证相邻两个极靴23的磁场极性相反，用来产生螺旋形N、S级交错的磁场。值得说明的是，本发明上述所指的电流方向均是指从图中纸面方向看指代的方向。
示例地，将励磁绕组线圈缠绕在每相邻两个半闭口槽21中间的齿部上，用来在螺旋型极靴23表面产生径向磁场，通过调节励磁绕组的电流，来调节气隙耦合磁场的大小，从而来调节励磁丝杆的推力或者动、转子的相对位置，最终完成直线运动和旋转运动的相互转化。本发明的励磁绕组的布置形式决定了励磁绕组产生的磁通全部是径向的，因为励磁绕组围成的圆环的中心轴线是径向的，根据右手定则，磁通也是径向的，大大提高了励磁绕组的利用率。
为了将励磁绕组线圈缠绕在相邻两个半闭口槽的齿部上，还需要在动子2表面沿轴向开设两个直线槽22，并沿径向相隔180°排列，将对应的螺旋形半闭口槽21分成两段，用来放置励磁绕组3的引出线，引出线的作用是将励磁绕组接入外接电源。其中，两个直线槽22关于动子中心轴线对称。
本发明的转子1和动子2的螺旋缠绕方向相同，具体体现在：螺旋形半闭口槽21的螺旋绕向和转子1的螺旋形永磁体121的螺旋绕向相同，也相当于动子的螺旋形励磁绕组3和转子1的螺旋形永磁体121的螺旋绕向相同，使得动子和转子产生的螺旋磁场可以在气隙进行耦合，同时螺旋形半闭口槽21和螺旋形永磁体121两者的螺距相同。
另外，螺旋形半闭口槽的极靴23的宽度L1和转子1的螺旋形永磁体121的宽度L2相同，用以保证动子与转子的极距相同。这里的宽度L1和宽度L2均是沿着轴向方向上的距离大小。
如图6所示为本发明的气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠的主磁通示意图。本发明的气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠的工作原理如下：
励磁绕组3通入电流后会产生动子径向主磁通，并与转子1的永磁体121产生的径向主磁通在气隙形成闭合回路。其中，动子、转子磁场会叠加耦合在一起，图6所示的虚线为主磁通路径就是闭合回路；图6中的实线箭头表示永磁体充磁方向。
励磁绕组通电后产生的总转子耦合的主磁通依次经过螺旋形极靴23、气隙4、永磁体121、转子铁芯11、动子铁芯24形成闭合回路。因此，本发明通过改变励磁绕组放置的方式，大幅增加了动子磁场的径向分量，使得气隙耦合磁场的磁场强度大幅增加，可以大大增加混合励磁磁力丝杆的推力密度。本发明通过调节励磁绕组电流的大小可以调节气隙磁密，从而调节磁力丝杆的推力特性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (6)
1.一种气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠，包含沿轴向直线运动的动子(2)和圆周旋转运动的转子(1)，其特征在于，所述转子(1)套设在所述动子(2)外侧并与所述动子(2)之间留有气隙(4)；所述转子(1)设有转子铁芯(11)和位于转子铁芯(11)内壁用以形成磁场的转子内磁极(12)；所述动子(2)包含：
动子铁芯(24)，其上开设多排第一槽，所述第一槽带有极靴；
励磁绕组(3)，置于所述第一槽内，使得在所述极靴(23)表面产生径向磁场，并通过调节所述励磁绕组的电流，用以调节气隙耦合磁场大小；所述转子内磁极(12)包含N级、S级交替排布的多个径向充磁的螺旋形永磁体(121)，以形成N、S极交替的螺旋磁场；
所述转子内磁极(12)中任意相邻两个螺旋形永磁体(121)的极性相反；
所述第一槽为螺旋形半闭口槽(21)，所述极靴为螺旋形极靴(23)；所述动子铁芯(24)表面上沿周向开设多排螺旋形半闭口槽(21)，所述励磁绕组(3)分段固定在对应的螺旋形半闭口槽(21)内，所述励磁绕组(3)包含多段励磁绕组线圈(31)；
所述励磁绕组(3)中任意相邻两段励磁绕组线圈(31)的邻近部分的电流方向相反，使得相邻的两个螺旋形极靴(23)的磁场极性相反，用来产生螺旋形N、S级交替的磁场；
所述励磁绕组线圈(31)缠绕在相邻两个螺旋形半闭口槽(21)中间的齿部上。
2.如权利要求1所述的气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠，其特征在于，所述动子(2)表面沿轴向开设两个直线槽(22)，并使其沿圆周相隔180°，将对应的螺旋形半闭口槽(21)分成两段，所述直线槽(22)用于放置励磁绕组的引出线，所述引出线将励磁绕组接入外接电源。
3.如权利要求1所述的气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠，其特征在于，所述螺旋形半闭口槽(21)的螺旋绕向和转子(1)的螺旋形永磁体(121)的螺旋绕向相同，螺距相同。
4.如权利要求1所述的气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠，其特征在于，所述螺旋形极靴(23)轴向方向的宽度与所述螺旋形永磁体(121)轴向方向的宽度相同。
5.如权利要求1所述的气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠，其特征在于，所述转子(1)与所述动子(2)同轴设置，所述动子(2)为实心杆状结构，所述转子(1)为圆筒形结构。
6.如权利要求1所述的气隙磁场可调式混合励磁磁力丝杠，其特征在于，励磁绕组(3)通入电流后产生动子径向主磁通，并与转子(1)的永磁体(121)产生的径向主磁通在气隙(4)形成闭合回路；
励磁绕组通电后产生的总转子耦合的主磁通依次经过螺旋形极靴(23)、气隙(4)、螺旋形永磁体(121)、转子铁芯(11)、动子铁芯(24)形成闭合回路。
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