CN110880850B - 一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机 - Google Patents

一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机，属于直线振荡电机领域，包括：定子铁芯、动子、永磁体和线圈；定子铁芯对称分布于动子运动平面的两侧；每一侧定子铁芯包括并列的两个定子铁芯模块，每个定子铁芯模块包括并列的两块C型定子铁芯；平行充磁的矩形永磁体位于同一定子铁芯模块的两块C型定子铁芯之间，且位于动子同侧的两个定子铁芯模块上的永磁体充磁方向相同，不同侧的两个定子铁芯模块上永磁体充磁方向相反；组成电枢绕组的两个线圈分别缠绕于不同侧的定子铁芯上，绕制方向和电流正方向均相同。本发明的定子永磁体能与动子铁芯相互作用产生回复力，构成磁性弹簧，省去了传统直线振荡电机中的机械弹簧，结构更简单紧凑。

Description

一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机
技术领域
本发明属于直线振荡电机领域，更具体地，涉及一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机。
背景技术
一直以来，直线往复运动主要靠传统的旋转电机+曲柄等传动机构来实现，该种方式因效率和功率因数低下，结构复杂，体积庞大而饱受诟病。采用永磁直线振荡电机实现直线往复运动，不仅可以省去曲柄等中间传动机构，而且在效率和功率因数方面也有显著提升，因而得到了广泛的关注。永磁直线振荡电机，按运动受力部件的构成不同，可分为动圈式、动磁式、动磁铁式、动铁芯式。
中国发明专利ZL200610052853公开了一种动磁式永磁直线振荡电机，其定子是轴向对齐的双定子，线圈绕于每个定子齿上并互相串联，动子由铁芯和永磁体组成，弧形永磁体表贴于动子铁芯上。当定子线圈通以交流电时，在线圈中产生N、S极交替振荡磁场，与永磁体磁场相互作用从而实现往复运动。上述结构存在不足是：1、线圈端部多，铜损耗大；2、永磁体表贴于动子铁芯的外表面上随动子往复运动，承受振动应力，可靠性差；3、电机工作时，电枢磁场会对永磁体周期性地增磁和去磁，当电流过大时存在永磁体退磁风险；4、动子质量大，谐振频率难以提高。
中国专利ZL2010201649596公开了一种动铁芯式永磁直线振荡电机，其定子背铁与定子铁芯之间装有4块间隔90度的永磁体，定子铁芯需要沿圆周方向叠压，每个定子槽上装有2个线圈，此结构存在的缺陷有：1、结构较为复杂，定子叠装困难；2、线圈端部多，铜损耗大；3、动子质量大，谐振频率难以提高。
中国专利ZL201310648791公开了一种动铁芯式永磁直线振荡电机，其定子、动子铁芯均沿圆周方向分段叠压，永磁体为辐射径向充磁的磁环，居中安装于定子铁芯内，通过电枢磁场周期性的对永磁体增磁和去磁，从而产生强度周期性变化的气隙磁场，从而驱动动子往复运动。该种结构中存在如下问题：1、铁芯叠装工艺复杂；2、动子铁芯质量大；3、电枢磁场直接穿过永磁体，永磁体存在退磁风险。
中国专利ZL201610411492公开了一种动铁芯式永磁直线振荡电机，定子铁芯为双凸极多齿结构，永磁体嵌入定子铁芯轭部。该种结构的铁芯通常需要用软磁复合材料冲压而成，存在如下问题：1、软磁复合材料饱和磁通密度低，磁场强度低；2、动子铁芯抗拉强度低，可靠性差。
以上专利公开的直线振荡电机结构中，均需要额外的机械弹簧提供回复力，以实现机械谐振，而引入了机械弹簧通常使得电机结构更为复杂，体积、噪声更大，成本更高，且可靠性也受到弹簧疲劳寿命的影响。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机，其目的在于解决，现有直线振荡电机需要额外的机械弹簧提供回复力以实现机械谐振，使得电机结构复杂、成本高，且可靠性低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机，包括：定子铁芯、动子、永磁体、线圈；
所述定子铁芯对称分布于动子运动平面的两侧，并通过机壳固定；每一侧定子铁芯包括并列的两个定子铁芯模块，每个定子铁芯模块包括并列的两块C型定子铁芯；所述动子为动铁芯式结构；
平行充磁的矩形永磁体位于同一定子铁芯模块的两块C型定子铁芯之间，且位于动子同侧的两个定子铁芯模块上的永磁体充磁方向相同，不同侧的两个定子铁芯模块上永磁体充磁方向相反；
组成电枢绕组的两个线圈分别缠绕于不同侧的定子铁芯上，绕制方向和电流正方向均相同。
进一步地，所述动子包括动子铁芯、轴和动子护套；所述轴居中位于动子铁芯上，动子护套对称套接在动子铁芯两端；动子护套与端盖上的导槽相互配合，在导槽的支撑和限位下在两侧定子铁芯之间做轴向的往复运动。
进一步地，所述动子护套由高强度耐磨材料制成，与所述动子铁芯两端紧固为一体。
进一步地，所述端盖在中心位置开有导槽，用于支撑动子并防止其在运动过程中沿垂直运动方向窜动。
进一步地，所述轴两端设置有内螺纹，用于连接后级负载。
进一步地，位于所述动子同侧的两个铁芯模块之间沿垂直于轴的方向上设置间距。
进一步地，所述定子铁芯和动子铁芯均由多层无取向硅钢片轴向叠压而成，且叠压方向互相垂直。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的定子永磁磁场不仅能与电枢磁场相互作用产生电磁推力，同时能与动子铁芯相互作用产生回复力，构成磁性弹簧，从而省去传统直线振荡电机中的机械弹簧，使得电机结构简单紧凑，噪音和成本更低。
(2)本发明中永磁体不参与往复运动，永磁体既不会因振动导致失磁，也不会因电枢磁动势过大导致退磁，电机的可靠性和鲁棒性高；且永磁体磁路与电枢绕组磁路并联，电枢磁场在过载工况下对永磁体退磁影响较小，因此在相同安全性的前提下，本发明电机过载倍数更高。
(3)本发明中永磁体磁路和电枢绕组磁路并联，使得额定工况下电枢磁场基本不会穿过永磁体，从而避免了永磁体的频繁增磁和去磁，提高了电机安全性。
(4)本发明中动子整体运动质量较小，有利于与磁性弹簧配合实现高频率的往复运动。
附图说明
图1是是本发明的一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机三维剖切示意图(不包括端盖、机壳以及动子护套)；
图2本发明的一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机轴向剖视图；
图3是本发明的一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机垂直轴向剖视图；
其中，1为线圈；2为机壳；3为轴；4为永磁体；5为定子铁芯；6为动子铁芯；7为固定螺丝；8为动子护套；9为端盖；10为导槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参考图1和图2，本发明实施例提供了一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机，包括：定子铁芯5、动子、永磁体4、线圈1；定子铁芯5对称分布于动子运动平面的两侧，并通过机壳2固定；每一侧定子铁芯包括并列的两个定子铁芯模块，每个定子铁芯模块包括并列的两块C型定子铁芯；平行充磁的矩形永磁体4位于同一定子铁芯模块的两块C型定子铁芯之间，且位于动子同侧的两个定子铁芯模块上的永磁体充磁方向相同，不同侧的两个定子铁芯模块上永磁体充磁方向相反；组成电枢绕组的两个线圈分别缠绕于不同侧的定子铁芯上，绕制方向和电流正方向均相同。其中，机壳2可由铝合金或其它隔磁的高强度金属材料铸造而成，起到固定定子铁芯和屏蔽电磁场的作用。其中，动子为动铁芯式结构，不包含永磁体，仅由动子铁芯、动子护套和轴组成。
如图3所示，动子包括动子铁芯6、轴3和动子护套8；轴3居中位于动子铁芯6上，动子护套8对称套接在动子铁芯6两端；动子护套与端盖上的导槽相互配合，在导槽的支撑和限位下在两侧定子铁芯之间做轴向的往复运动。其中，轴可由铝合金制造，两端设置有内螺纹，用于连接后级负载；动子护套整体为梯形，由耐磨的PEEK或者聚四氟材料制造，且与导槽配合面设计为锯齿形状，减小与导槽的接触面从而降低摩擦力；导槽形状为梯形，在支撑动子的同时可以防止动子垂直于运动方向上的窜动，且表面通过阳极氧化处理，形成硬质氧化铝层，以增加导槽表面的硬度和耐磨性；动子同侧的两个铁芯模块之间沿垂直于轴的方向上设置间距，且间距至少要大于轴的外径；定子铁芯和动子铁芯均由多层无取向硅钢片轴向叠压而成，且叠压方向互相垂直，以便于叠压。
本发明电机运行原理包含两大部分：
(1)驱动原理：绕组中的电流周期性地增强和削弱气隙磁场，驱动动子铁芯做周期性的往复运动，并且在运动过程中通过磁弹簧自动回复到平衡位置。具体地，结合图2，当电机定子绕组通入电流时，由于定子左右两侧线圈导体中的电流方向相反，因此，当定子左侧线圈的导体电流产生的磁场对气隙磁场为增强作用，则定子右侧线圈的导体电流产生的磁场对气隙磁场为削弱作用，反之亦然；强度不均的气隙磁场会驱使动子向磁场强度高的一侧移动；若通入周期性的交流电，则气隙磁场强度周期性交替，驱使动子做同频率的周期性往复振动。
(2)磁弹簧效应：动子铁芯一旦偏离平衡位置后，其运动的正方向一侧的永磁体磁路磁阻降低，另一侧的磁阻增大，根据磁阻最小原理，这种情况下动子铁芯必然受到永磁体的磁阻力，方向指向运动的反方向，因此该种磁阻力有类似机械弹簧回复力的性质，可以帮助动子铁芯自动回复平衡位置，从而构成磁弹簧。
经实验仿真分析以及样机实验证明，本发明的定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机结构简单紧凑，装配、拆卸、维护成本低，安全性、可靠性、鲁棒性强，散热良好，在设计的有效行程范围内，磁阻力与位移基本成线性关系，磁弹簧完全可以替代机械弹簧来提供回复力，从而可以省去机械弹簧，适合于压缩或泵类等双向往复直线运动的应用场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机，其特征在于，包括：定子铁芯(5)、动子、永磁体(4)和线圈(1)；
所述定子铁芯(5)对称分布于动子运动平面的两侧，并通过机壳(2)固定；每一侧定子铁芯包括并列的两个定子铁芯模块，每个定子铁芯模块包括并列的两块C型定子铁芯；所述动子为动铁芯式结构，不包含永磁体；
平行充磁的矩形永磁体(4)位于同一定子铁芯模块的两块C型定子铁芯之间，且位于动子同侧的两个定子铁芯模块上的永磁体充磁方向相同，不同侧的两个定子铁芯模块上永磁体充磁方向相反；
组成电枢绕组的两个线圈分别缠绕于不同侧的定子铁芯上，绕制方向和电流正方向均相同。
2.根据权利要求1所述的一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机，其特征在于，所述动子包括动子铁芯(6)、轴(3)和动子护套(8)；所述轴(3)居中位于动子铁芯(6)上，动子护套(8)对称套接在动子铁芯(6)两端；动子护套与端盖上的导槽相互配合，在导槽的支撑和限位下在两侧定子铁芯之间做轴向的往复运动。
3.根据权利要求2所述的一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机，其特征在于，所述动子护套由高强度耐磨材料制成，与所述动子铁芯两端紧固为一体。
4.根据权利要求2所述的一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机，其特征在于，所述端盖在中心位置开有导槽，用于支撑动子并防止其在运动过程中沿垂直运动方向窜动。
5.根据权利要求2所述的一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机，其特征在于，所述轴两端设置有内螺纹，用于连接后级负载。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机，其特征在于，位于所述动子同侧的两个铁芯模块之间沿垂直于轴的方向上设置间距。
7.根据权利要求2所述的一种定子永磁型动铁芯式无弹簧直线振荡电机，其特征在于，所述定子铁芯和动子铁芯均由多层无取向硅钢片轴向叠压而成，且叠压方向互相垂直。
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