CN112289579A - 一种电磁单元的异型铁芯组合布置工装 - Google Patents

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张航
王彦琛
刘凡
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Abstract

本发明公开了一种电磁单元的异型铁芯组合布置工装，支撑体，包括一个可与相邻支撑体上的该面拼接呈平面的基底面，及，位于基底面同一侧且向基底面的正投影均落入基底面内的棱侧面；在基底面及棱侧面上均形成有垂直于表面而凸起的绕线端；底盘，包括顺序排列的安装槽，安装槽内装配所述支撑体；所述安装槽包括与支撑体上各绕线端端面抵触的槽壁；异型电磁单元通过线端端面与相应槽壁接触连接/固定。本电磁单元的异型铁芯组合布置工装在绕线后可以增强基底面上方的磁场，且增强效果明显，增幅均匀，可控性强。而且，可以根据实际需要控制成本，制备灵活可控。另外，电磁单元的适用范围广，通用性高。

Description

一种电磁单元的异型铁芯组合布置工装
技术领域
本发明涉及电磁技术领域，尤其涉及一种电磁单元的异型铁芯组合布置工装。
背景技术
电磁铁是线圈通电产生磁场的一种装置，一般在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样表现有磁性。通常把铁芯制成条形或蹄形状，以使其更加容易被磁化。且为了使电磁铁断电后磁性消失，则铁芯通常采用消磁较快的软磁材料。故而，在通电时电磁铁表现磁性，断电后磁性消失。电磁铁在日常生活中有着极其广泛的应用，由于它的发明也使发电机的功率得到了很大的提高。
发明内容
本发明提供的一种技术方案是电磁单元的异型铁芯组合布置工装，其优点在于将导线绕置于支撑体上可增强基底面上方的磁场强度，同时可替代永磁体，减少稀土材料用量以达到降低成本的效果。
本发明的技术方案是：一种电磁单元的异型铁芯组合布置工装，具有多个表面，其中各线圈在每一个面上均产生一个垂直表面的磁场，这些磁场以相互叠加汇聚的方式，使得磁感线汇聚通过芯部材料的基底面上，以实现增强该端面磁场强度的效果。
具体包括：支撑体，支撑体为多面体，支撑体可以相互拼接，以最终实现一个拼接而成的面向。因此，支撑体上主要表现为一个基底面，支撑体通过同一朝向拼接。
支撑体上的其他侧面即为棱侧面，棱侧面的特点是：将棱侧面向基底面作投影时，棱侧面的投影需要落在基底面范围内。具体的说：棱侧面倾斜形成一个尖顶，即棱侧面或棱侧面延伸具有共交点，那么棱侧面向基底面的投影为一个投影区(如四棱锥、五棱锥)。具体的，基底面与棱侧面的倾斜角度为40°至65°
在基底面和棱侧面上均形成有垂直于表面而凸起的绕线端，当绕线端上绕制导线时，导线呈螺旋状盘绕并通电形成垂直于该基底面/棱侧面的磁场。
因此，基于上述支撑体的形状，在基底面上即可形成一个基础的N/S磁场。同时，棱侧面上也会形成各磁场。
根据右手螺旋定则，当基底面和棱侧面上线圈的电流方向相对应时，棱侧面线圈所产生的磁场会对基底面线圈的磁场产生一定的增强效果。即棱侧面上通电线圈形成的磁场其磁感线向支撑体内部方向汇聚并通过基底面上，且与基底面线圈所产生的磁场方向相同，以达到增强基底面磁场强度的效果。
支撑体可以采用不导磁的结构件，或者高导磁的软磁材料，或者有确定方向充磁的硬磁材料。使用不导磁结构件不会由于磁场饱和而产生发热，但磁场的增强幅度有限；使用导磁的软磁结构可以对聚集的磁场产生激励，使得磁场增强幅度更强，但也会因为软磁材料的饱和问题产生较为严重的发热现象；使用有特定方向充磁的硬磁材料则可以使增加的磁场获得更多的叠加分量，使得增强面的磁场更强，但是也会因为其他面的线圈通入电流产生磁场导致硬磁材料磁场退磁。
采用软磁材料制成的铁芯结构具有最强的磁场增强效果。具体而言软磁材料的铁芯选择可以为整体成型的铁磁材料，例如粉末冶金制成的磁材料(可直接通过3D打印等方式直接实现铁芯的复杂结构)，或通过铜模吸铸法等整体成型的大块非晶材料；也可为普通碳钢、坡莫合金等磁性材料。
底盘，包括边框及分隔板，边框为四边形框体，分隔板按照正交方向布置将边框内部分隔成多个安装槽。顺序排列的安装槽形成阵列排布，安装槽内装配支撑体。安装槽包括与异型电磁单元上各绕线端端面抵触的槽壁，四棱锥的支撑体，则安装槽也为四棱锥型的腔室，各支撑体端面与相对槽壁对应。四棱锥形的安装槽可在顶角附近开孔，将电磁单元中的电磁线牵引至底盘下部进行整体接线控制。同时在边框与分隔板形成的结构空间内，可布设中空结构并埋入冷却水道，在保证气密性的情况下通入冷却液，已对与安装槽直接接触的铁芯进行冷却。冷却液可为简单的水冷或油冷。或者在布设的中空结构管道中，通过增加褶皱、增加散热片等增加表面积的形式增加气冷散热面积。同时中空结构的布设还有利于减少底盘的整体质量。
异型电磁单元通过绕线端端面与相应槽壁接触连接/固定，具体的，可以通过端面上螺孔与螺钉的配合进行固定，也可以通过端面与槽壁胶水粘结的方法进行连接。
本发明的优点是：
1、绕线后可以增强单侧面的磁场，且增强效果明显，增幅均匀，可控性强。
2、制作工艺简单，可以根据实际需要控制成本，制备灵活可控。
3、适用范围广，可以应用在各个领域，产品的通用性高。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为异型铁芯的立体图；
图2为异型铁芯电磁单元的立体图；
图3为异型铁芯电磁单元的磁场原理图；
图4为底盘的立体图；
图5为异型铁芯电磁单元装配于底盘中的结构图；
其中，1、支撑体；2、边框；3、分隔板。
具体实施方式
实施例1
采用四棱锥形状，每个面上布设线圈，线圈产生的磁场垂直平面。由于各个面线圈产生的磁场会产生较大的电磁拉力，因此需要在心部添加支撑体以支持。
同时，由于每个表面上的导线绕制需要形成标准的磁场及磁场强度。因此，导线绕线需要尽量以螺旋角度形成螺线管式的绕制。如图所示，在各个表面上均形成有垂直于表面而凸起的绕线端，绕线端上绕制导线，导线沿绕线端凸起方向呈螺旋式绕制。因此基于绕线端的支撑，导线呈螺旋状盘绕并通电形成垂直于该绕线端所在表面的磁场。
支撑体可以采用不导磁的结构件，或者高导磁的软磁材料，或者有确定方向充磁的硬磁材料。使用不导磁结构件不会由于磁场饱和而产生发热，但磁场的增强幅度有限；使用导磁的软磁结构可以对聚集的磁场产生激励，使得磁场增强幅度更强，但也会因为软磁材料的饱和问题产生较为严重的发热现象；使用有特定方向充磁的硬磁材料则可以使增加的磁场获得更多的叠加分量，使得增强面的磁场更强，但是也会因为其他面的线圈通入电流产生磁场导致硬磁材料磁场退磁。
除却增强的基底面磁场垂直该平面向外，其他棱侧面产生的磁场均向内汇聚。如图3 所示，棱侧面所产生的磁力线对基底面的磁场会产生作用。
实施例2：
采用四棱锥结构，底面为矩形，其他四面为三角形，三角面的倾斜角度优选的范围为40°至65°。
在四棱锥的每个表面上均形成有垂直于表面而凸起的绕线端，绕线端上绕制导线，导线沿绕线端凸起方向呈螺旋式绕制。因此基于绕线端的支撑，导线呈螺旋状盘绕并通电形成垂直于绕线端所在表面的磁场。
如图1和3所示，三角形面的磁场向内部汇聚，底面的矩形为增强磁场的目标面，四个三角形面倾斜的角度可以将磁场汇聚作用发挥至极限。
具体的，还涉及到了线路的走向布置等。本实施例中，如图1和3所示，其中图1 为四棱锥结构电磁单元的立体图，图2为其张开状态的示意图。对应图2和3，四个棱侧面的共交点处，即顶点处开设主线道，主线道竖直贯穿，直接通往基底面中心的孔口。基底面上的导线按照方形轨迹呈逆时针螺旋状布置，导线直接从侧边过渡至左侧的棱侧面上，在该棱侧面上，导线按照三角形轨迹呈顺时针螺旋状布置，导线逐渐绕制该棱侧面的中心，在该棱侧面中心处为走线道的孔口，导线通过走线道通往该棱侧面相对的右侧棱侧面上。从右侧棱侧面中心的走线道孔口穿出，导线按照三角形轨迹呈顺时针螺旋状布置。从侧面邻边过渡向上侧的棱侧面走线，导线在上方的棱侧面上按照三角形轨迹呈顺时针螺旋状布置并逐渐绕制该棱侧面中心的孔口，从该孔口进入穿设至该棱侧面正对的下方棱侧面。导线从下方棱侧面中心的孔口穿出，导线按照三角形轨迹呈顺时针螺旋状布置，最后，导线沿着该面中线接出。
基于上述的走线布置，基底面上形成一个N极穿入“纸张”方向的磁场，各个棱侧面则产生N极朝向支撑体内部的磁场(如图2所示，棱侧面展开方向为从下方向平面展开)。
支撑体的选择优选的为软磁材料，如坡莫合金、SMC粉末冶金等材料。心部材料内部可以通过打通孔的方式方便在内部接线，可将每一平面的线圈通过中间的通孔相连，这样相当于每面线圈相并联，极大的减少了由于串联电阻过大而产生的发热。
实施例3
Halbach阵列为一种异型电磁单元的阵列结构，通过特殊的充磁方向排列以达到使永磁体磁感线在一边叠加，另一边抵消的作用，从而使得阵列永磁体可以增强单边磁场，而另一边磁场削弱，即一种可以实现汇聚磁场以增加单边磁感线密度的特殊结构。
阵列中需要将异型电磁单元进行固定，因此，需要设计一款底盘来放置。具体的：
底盘，包括包括边框2及分隔板3，边框2为四边形框体，分隔板3按照正交方向布置将边框内部分隔成多个安装槽。顺序排列的安装槽形成阵列排布，安装槽内装配支撑体1。安装槽包括与异型电磁单元上各绕线端端面抵触的槽壁，四棱锥的支撑体1，则安装槽也为四棱锥型的腔室，各支撑体端面与相对槽壁对应。
如使用本方案的电磁单元进行Halbach阵列，不但可以实现Halbach阵列的聚磁作用，也可以不依赖稀土资源，使得磁悬浮轨道具有极强可行性。
本发明实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种电磁单元的异型铁芯组合布置工装，其特征在于：
支撑体，包括一个可与相邻支撑体上的该面拼接呈平面的基底面，及，位于基底面同一侧且向基底面的正投影均落入基底面内的棱侧面；在基底面及棱侧面上均形成有垂直于表面而凸起的绕线端；
底盘，包括顺序排列的安装槽，安装槽内装配所述支撑体；所述安装槽包括与支撑体上各绕线端端面抵触的槽壁；异型电磁单元通过线端端面与相应槽壁接触连接/固定。
2.根据权利要求1所述的一种电磁单元的异型铁芯组合布置工装，其特征在于：所述底盘包括边框及分隔板；所述分隔板按照正交方向布置将边框内部分隔成多个所述安装槽。
3.根据权利要求1所述的一种电磁单元的异型铁芯组合布置工装，其特征在于：所述安装槽内包括与所述绕线端的端面斜度一致的槽壁。
4.根据权利要求1所述的一种电磁单元的异型铁芯组合布置工装，其特征在于：所述基底面与棱侧面的倾斜角度为40°至65°。
5.根据权利要求1所述的一种电磁单元的异型铁芯组合布置工装，其特征在于：所述绕线端的截面轮廓与其所在基底面或棱侧面的轮廓形状相同。
6.根据权利要求1所述的一种电磁单元的异型铁芯组合布置工装，其特征在于：所述支撑体可选用：不导磁结构件、高导磁性能软磁材料件、有确定充磁方向的硬磁材料件。
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