CN112600385B - 一种定子永磁型动铁芯式直线振荡电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，属于直线振荡电机领域，包括：定子铁芯、永磁体、电枢绕组和动子铁芯；定子铁芯包括对称分布在动子铁芯运动平面两侧的两个定子铁芯模块，定子铁芯模块包括定子轭部和多个不等间距分布在定子轭部上的定子齿，中间两个定子齿之间的凹槽中设置有永磁体；电枢绕组包括两个线圈，该两个线圈分别缠绕在两个定子铁芯模块的中间两个定子齿上；动子铁芯包括动子轭部和多个等间距分布在动子轭部上的动子齿，使得当电枢绕组中通入正弦交流电时感应产生类正弦反电势，以在动子铁芯中产生振荡推力。该直线振荡电机兼具鲁棒性强和散热方便的优势，其双极性磁链提高了永磁体利用率和输出功率密度。

Description

一种定子永磁型动铁芯式直线振荡电机
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直线振荡电机。
背景技术
传统直线往复运动采用旋转电机、曲柄连杆等传动机械结构来实现。这种非直驱结构效率低、结构复杂、可靠性差、体积庞大，在工业界饱受诟病。采用直驱结构的永磁直线振荡电机去除了曲柄连杆等传动结构，并采用高性能的稀土永磁材料，系统效率与功率密度得到很大提升。
永磁直线振荡电机包括动子永磁型直线振荡电机和定子永磁型直线振荡电机。动子永磁型直线振荡电机将机械强度较低的永磁体参与到直线往复运动之中，降低了系统稳定性，增加了加工工艺难度，特别是在直线振荡电机处于高频振荡运动中，大大降低了永磁材料的使用寿命。此外，永磁体置于动子，不直接与外部环境相接触，导致永磁体受到交变电枢磁场作用产生的涡流损耗难以迅速散去，长时间工作在高温环境下，会对永磁体性能产生不可逆的损坏。
因而，定子永磁型直线振荡电机得到了更多的关注，该种结构运动部件采用结构强度高且易于加工的动子铁芯，鲁棒性强，将永磁体置于定子铁芯中，远离运动部件且直接与外部环境相接触，加强了对于永磁体高温失磁和大电流失磁的保护能力，提升了系统的鲁棒性。但是传统结构的定子永磁型直线振荡电机绕组线圈磁链多为单极性磁链，这一特点降低了永磁体利用率，限制了传统定子永磁型直线振荡电机功率密度的提升。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其目的在于通过对电机的定转子结构进行设计，提高电机结构的可靠性，保护电机的永磁体部件，产生双极性绕组磁链，提升电机的功率密度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，包括：定子铁芯、永磁体、电枢绕组和动子铁芯；所述定子铁芯包括对称分布在所述动子铁芯运动平面两侧的两个定子铁芯模块，所述定子铁芯模块包括定子轭部和多个不等间距分布在所述定子轭部上的定子齿，中间两个定子齿之间的凹槽中设置有所述永磁体；所述电枢绕组包括两个线圈，所述两个线圈分别缠绕在所述两个定子铁芯模块的中间两个定子齿上；所述动子铁芯包括动子轭部和多个等间距分布在所述动子轭部上的动子齿，使得当所述电枢绕组中通入正弦交流电时感应产生类正弦反电势，以在所述动子铁芯中产生振荡推力。
更进一步地，每一所述定子铁芯模块中定子齿的数量和所述动子齿的数量均为4，各定子齿齿宽相等，各动子齿齿宽相等。
更进一步地，所述定子铁芯模块中间两个定子齿之间的距离Wsi2以及相邻两个动子齿之间的距离Wri分别为：
Wsi2＝Wpm+Ws
Figure BDA0002827786430000021
其中，Wpm为所述定子铁芯模块中设置的永磁体的宽度；Ws为所述定子齿的齿宽；Wsi1为所述定子铁芯模块两侧两个定子齿之间的距离。
更进一步地，所述定子铁芯模块中间两个定子齿之间通过隔磁桥连接。
更进一步地，所述两个定子铁芯模块中设置的永磁体的充磁方向均为水平方向且方向相同，所述两个线圈反向串联或反向并联。
更进一步地，所述两个定子铁芯模块中设置的永磁体的充磁方向均为水平方向且方向相反，所述两个线圈同向串联或同向并联。
更进一步地，还包括端盖、机壳、直线运动轴承、运动轴和谐振弹簧，所述端盖包括设置在所述机壳两侧的两部分；所述运动轴和谐振弹簧的数量均为两个，且沿所述动子铁芯的运动方向分布在所述动子铁芯的两侧；所述运动轴的一端沿所述动子铁芯的运动方向连接所述动子铁芯，所述运动轴的另一端通过所述直线运动轴承连接所述端盖；所述谐振弹簧套设在所述运动轴外侧，并位于所述动子铁芯与端盖之间；所述动子铁芯、运动轴和谐振弹簧在所述振荡推力的作用下振荡运动。
更进一步地，谐振弹簧为柱状弹簧，所述柱状弹簧处于压缩状态，且压缩长度大于所述直线振荡电机的行程。
更进一步地，所述端盖上设置有固定键，所述机壳内侧表面设置有固定槽，以对所述定子铁芯进行固定。
更进一步地，所述永磁体的材料为稀土永磁材料或铁氧体；所述定子铁芯和动子铁芯由非取向硅钢片叠压形成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)将定子齿距设置为不等间距，转子齿距设置为等间距，利用磁通切换原理，可以在电机的运动过程中改变电机的磁路走向，进而在电枢绕组的每个线圈中产生双极性磁链与类正弦反电势，然后和电枢绕组通入的相同频率的正弦交流电相互作用，从而在动子铁芯中产生振荡推力，提升了永磁体利用率和输出功率密度；此外，对定子铁芯进行一体化设计，易于定子加工；
(2)对定子铁芯和动子铁芯的齿数、齿间距进行特殊设计，由此进一步提高了电机的永磁体利用率和输出功率密度；
(3)将定子铁芯模块中间两个定子齿之间通过隔磁桥连接，减小了中间两个定子齿之间永磁体的漏磁。
附图说明
图1为本发明实施例提供的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机的纵向剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机的三维结构示意图；
图3为本发明实施例提供的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机中机壳的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机中端盖的结构示意图；
图5A-5C为本发明实施例提供的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机中不同动子位置的结构简图；
图6为本发明一实施例中处于稳定运行下直线振荡电机的输出推力和运动速度示意图；
图7为本发明另一实施例中处于稳定运行下直线振荡电机的输出推力和运动速度示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为端盖，2为机壳，3为直线运动轴承，4为运动轴，5为谐振弹簧，6为定子铁芯，7为永磁体，8为电枢绕组，9为动子铁芯。
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。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本发明实施例提供的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机的纵向剖面结构示意图。参阅图1，结合图2-图7，对本实施例中定子永磁型动铁芯式直线振荡电机进行详细说明。
定子永磁型动铁芯式直线振荡电机包括定子铁芯6、永磁体7、电枢绕组8和动子铁芯9。定子铁芯6包括对称分布在动子铁芯9运动平面两侧的两个定子铁芯模块，每一定子铁芯模块均包括定子轭部和多个不等间距分布在定子轭部上的定子齿。永磁体7的数量为两个，分别设置在这两个定子铁芯模块中间两个定子齿之间的凹槽中。电枢绕组8包括两个线圈，这两个线圈分别缠绕在两个定子铁芯模块中间两个定子齿上。动子铁芯9包括动子轭部和多个等间距分布在动子轭部上的动子齿，使得当电枢绕组8中通入正弦交流电时感应产生类正弦反电势，以在动子铁芯9中产生振荡推力。本实施例中，将定子齿距设置为不等间距，转子齿距设置为等间距，利用磁通切换原理，可以在电机的运动过程中改变电机的磁路走向，进而在电枢绕组的每个线圈中产生双极性磁链与类正弦反电势，然后和电枢绕组通入的相同频率的正弦交流电相互作用，从而在动子铁芯中产生振荡推力，提升了永磁体利用率和输出功率密度。
定子铁芯6中每个定子铁芯模块为一个整体，每一定子铁芯模块中定子齿的数量为4个，各定子齿的齿宽相等。定子铁芯模块中位于边端两侧的两个定子齿与定子轭部相连接，位于中间的两个定子齿之间通过隔磁桥连接，从而降低了定子铁芯6的加工难度，提升了电机定子结构的强度。隔磁桥还可以减小永磁体的漏磁。动子铁芯9中动子齿的数量为4个，各动子齿的齿宽相等。定子齿不等间距地分布在定子轭部，转子齿等间距对称地分布在动子轭部，进而实现运动过程中的磁通切换。
根据本发明实施例，定子铁芯模块中间两个定子齿之间的距离Wsi2以及动子铁芯9中相邻两个动子齿之间的距离Wri分别为：
Wsi2＝Wpm+Ws
Figure BDA0002827786430000061
其中，Wpm为定子铁芯模块中设置的永磁体7的宽度；Ws为定子齿的齿宽；Wsi1为定子铁芯模块两侧两个定子齿之间的距离。
永磁体7由两部分组成，分别位于上述两个定子铁芯模块中间两个定子齿之间，这两部分永磁体的充磁方向均为水平方向。本发明一实施例中，这两部分永磁体的充磁方向均为水平方向且方向相同，此时，电枢绕组8中两个线圈设置为反向串联或反向并联。本发明一实施例中，这两部分永磁体的充磁方向均为水平方向且方向相反，此时，电枢绕组8中两个线圈设置为同向串联或同向并联。
根据本发明实施例，参阅图1和图2，定子永磁型动铁芯式直线振荡电机还包括端盖1、机壳2、直线运动轴承3、运动轴4和谐振弹簧5。形成的电机整体结构为平板型直线结构。
端盖1包括设置在机壳2两侧的两部分。端盖1的形状与机壳2的开口形状相匹配，例如为矩形端盖。端盖1上设置有固定键，如图4所示。机壳2内侧表面设置有固定槽，如图3所示。两个定子铁芯模块通过机壳2上的固定槽和端盖1上加工的固定键进行固定，通过对固定槽和固定键的结构与位置参数进行配合设计，可以实现定子铁芯的准确安装与可靠固定。
运动轴4和谐振弹簧5的数量均为两个，且沿动子铁芯9的运动方向分布在动子铁芯9的两侧，直线运动轴承3的数量也为2个。具体地，以一组运动轴4、谐振弹簧5和直线运动轴承3为例说明其连接关系，运动轴4的一端沿动子铁芯9的运动方向连接动子铁芯9，运动轴4的另一端通过直线运动轴承3连接端盖1，谐振弹簧5套设在运动轴4的外侧，并位于动子铁芯9与端盖1之间。运动轴4例如通过动子铁芯9两端加工的固定孔进行固定连接，固定连接方式例如为焊接或热套。加工为一体的运动轴4和动子铁芯9通过固定在端盖1上的直线运动轴承3进行固定，防止运动轴4和动子铁芯9的位置发生上下偏移，从而避免其与定子铁芯发生擦碰或破坏电机运动性能。
本发明实施例中，谐振弹簧5为柱状弹簧，所述柱状弹簧处于压缩状态，且压缩长度大于所述直线振荡电机的行程。需要注意的是，谐振弹簧5的压缩长度略大于直线振荡电机的行程即可，不应过大，本实施例中，可以根据电机的具体应用场景设置谐振弹簧5的压缩长度。谐振弹簧5套在运动轴4之上，处于压缩状态，放置在动子铁芯9与端盖1之间，起到维持动子铁芯与运动轴直线往复运动的作用，谐振弹簧5的弹性系数k、运动部件总质量m和系统运动频率f满足
Figure BDA0002827786430000071
运动过程中，在电枢绕组8中通入频率为f的单相正弦交流电，以在动子铁芯9中产生变化频率同样为f的振荡推力，从而推动动子铁芯9压缩谐振弹簧5，根据设计的系统有效行程，进行变化频率为f的直线往复运动，并通过运动轴4与外部负载相连，输出振荡推力。
在该定子永磁型动铁芯式直线振荡电机中，端盖1与机壳2的材料例如为非导磁型金属材料；运动轴4的材料例如为非导磁型高强度合金材料，如不锈钢等；定子铁芯6与动子铁芯9由非取向硅钢片材料叠压形成；永磁体7的材料为稀土永磁材料或铁氧体等永磁材料；电枢绕组8应选取为多根并绕的漆包铜线，且应在电枢绕组8和定子铁芯6之间添加绝缘材料。需要说明的是，在加工之中应该保证定子铁芯6和动子铁芯9冲片之间的绝缘，电枢绕组8每根导体之间的绝缘，电枢绕组8与定子铁芯6之间的绝缘。
参阅图5A-5C，分别示出了动子铁芯运动过程中三个特殊位置的结构示意图，分别为正向磁链最大位置(如图5A所示)、磁链为0位置(如图5B所示)和负向磁链最大位置(如图5C所示)。永磁体7和电枢绕组8在气隙中始终产生运动方向相同、变化频率相同的气隙磁动势波，相互作用，进而在动子铁芯产生振荡推力。
本实施例中，根据图1中示出的电机结构，设计了永磁体充磁方向相反(记为电机A)和永磁体充磁方向相同(记为电机B)的两种结构，电机参数例如采用表1所示参数。
表1
Figure BDA0002827786430000081
进一步地，对表1中示出的两种电机的稳定运动性能进行分析，分析结果分别如图6和图7所示。参阅图6和图7，可以表明该定子永磁型动铁芯式直线振荡电机能够在输入正弦单相交流电的情况下，输出振荡推力，且该电机结构具有提升总体系统效率、易于散热、易于加工维护、结构坚固和提升推力输出的优势，可以用于直线压缩机等双向往复直线运动的场合。
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 (8)

1.一种定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，包括：定子铁芯(6)、永磁体(7)、电枢绕组(8)和动子铁芯(9)；
所述定子铁芯(6)包括对称分布在所述动子铁芯(9)运动平面两侧的两个定子铁芯模块，所述定子铁芯模块包括定子轭部和多个不等间距分布在所述定子轭部上的定子齿，中间两个定子齿之间的凹槽中设置有所述永磁体(7)；每一所述定子铁芯模块中定子齿的数量和动子齿的数量均为4，各定子齿齿宽相等，各动子齿齿宽相等；所述定子铁芯模块中间两个定子齿之间的距离Wsi2以及相邻两个动子齿之间的距离Wri分别为：
Wsi2＝Wpm+Ws
Figure FDA0003509499390000011
Wri＜Wsi1
其中，Wpm为所述定子铁芯模块中设置的永磁体(7)的宽度；Ws为所述定子齿的齿宽；Wsi1为所述定子铁芯模块两侧两个定子齿之间的距离；
所述电枢绕组(8)包括两个线圈，所述两个线圈分别缠绕在所述两个定子铁芯模块的中间两个定子齿上；
所述动子铁芯(9)包括动子轭部和多个等间距分布在所述动子轭部上的动子齿，使得当所述电枢绕组(8)中通入正弦交流电时感应产生类正弦反电势，以在所述动子铁芯(9)中产生振荡推力。
2.如权利要求1所述的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述定子铁芯模块中位于边端两侧的两个定子齿与定子轭部相连接，位于中间的两个定子齿之间通过隔磁桥连接。
3.如权利要求1所述的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述两个定子铁芯模块中设置的永磁体(7)的充磁方向均为水平方向且方向相同，所述两个线圈反向串联或反向并联。
4.如权利要求1所述的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述两个定子铁芯模块中设置的永磁体(7)的充磁方向均为水平方向且方向相反，所述两个线圈同向串联或同向并联。
5.如权利要求1所述的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，还包括端盖(1)、机壳(2)、直线运动轴承(3)、运动轴(4)和谐振弹簧(5)，所述端盖(1)包括设置在所述机壳(2)两侧的两部分；
所述运动轴(4)和谐振弹簧(5)的数量均为两个，且沿所述动子铁芯(9)的运动方向分布在所述动子铁芯(9)的两侧；
所述运动轴(4)的一端沿所述动子铁芯(9)的运动方向连接所述动子铁芯(9)，所述运动轴(4)的另一端通过所述直线运动轴承(3)连接所述端盖(1)；所述谐振弹簧(5)套设在所述运动轴(4)外侧，并位于所述动子铁芯(9)与端盖(1)之间；所述动子铁芯(9)、运动轴(4)和谐振弹簧(5)在所述振荡推力的作用下振荡运动。
6.如权利要求5所述的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，谐振弹簧(5)为柱状弹簧，所述柱状弹簧处于压缩状态，且压缩长度大于所述直线振荡电机的行程。
7.如权利要求5所述的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述端盖(1)上设置有固定键，所述机壳(2)内侧表面设置有固定槽，以对所述定子铁芯(6)进行固定。
8.如权利要求1-7任一项所述的定子永磁型动铁芯式直线振荡电机，其特征在于，所述永磁体(7)的材料为稀土永磁材料或铁氧体；所述定子铁芯(6)和动子铁芯(9)由非取向硅钢片叠压形成。
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