CN112688533B - 一种双定子弧形与辅助槽混合结构的c型齿永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机,永磁直线电机包括壳体，所述壳体内滑动设有输出轴，壳体内固定设有内定子，内定子套装在输出轴上，输出轴上设有支撑环，支撑环上设有动子支架，动子支架内设有第一永磁体和对称分布的第二永磁体，壳体的内壁固定有外定子，外定子内设有电枢绕组；本发明永磁直线电机动子采用三块永磁体结构，相较于传统的单永磁体结构拥有更大的输出力；相较于传统的双定子电机，其内定子上开有三个辅助槽，且长度有所缩短，电机的总质量有所减少，不仅降低了电机的材料成本，也提高了电机的功率密度；相较于未优化内定子的电机，大大降低了电机的定位力，同时使得电机有了更长的有效行程。

Description

一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体是一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机。

背景技术

传统的压缩机驱动技术，多才采用旋转电机连接曲柄连轴、滚珠丝杠等驱动方式，传动过程中由于机械摩擦和能量传递，导致效率较低，复杂的机械结构也降低了系统的可靠性和增加了维护难度。而直线电机因其特有的运动方式，省去了压缩机中复杂的机械结构，既降低了成本，简化了系统结构，又增加了系统的可靠性和效率。

在直线振荡电机中，永磁型直线振荡电机因为其较大的功率密度，较高的效率等优点获得了广泛关注和运用。而目前运用较多的是C型齿永磁直线电机，这种电机结构较为简单，加工方便，其采用单绕组线圈，仅有一相，大大节省了控制元件，同时便于控制。当电机采用单个永磁体作为动子时，其动子惯量小，定位力在有效行程内可以忽略，但是其输出力相对较小和有效行程受到电机轴向长度限制的缺点也不容忽视。而采用三块永磁体结构时，虽然输出力得到了很大提升，但是较大的定位力，影响了出力的质量，增大了电机控制难度。因此如何提高C型齿永磁直线电机的输出力、降低其定位力成为该领域的一个重要课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机，动子采用三块永磁体结构，相较于传统的单永磁体结构拥有更大的输出力；相较于传统的双定子电机，其内定子上开有三个辅助槽，且长度有所缩短，电机的总质量有所减少，不仅降低了电机的材料成本，也提高了电机的功率密度；相较于未优化内定子的电机，大大降低了电机的定位力，同时使得电机有了更长的有效行程。随着电机定位力的减小，电机的推力波动问题将得到很大的改善，更有利于电机的高精度控制。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机,永磁直线电机包括壳体，所述壳体内滑动设有输出轴，壳体内固定设有内定子，内定子套装在输出轴上，输出轴上设有支撑环，支撑环上设有动子支架，动子支架内设有第一永磁体和对称分布的第二永磁体，第二永磁体位于第一永磁体的两侧，壳体的内壁固定有外定子，外定子内设有电枢绕组；

所述内定子包括第一环形定子主体，第一环形定子主体包括第一套装孔，输出轴位于第一套装孔内，第一环形定子主体的外壁设有第一内定子辅助槽和对称分布的第二内定子辅助槽，第一内定子辅助槽位于第二内定子辅助槽之间，第一内定子辅助槽与第二内定子辅助槽之间形成内定子齿，内定子齿为弧形结构；

所述外定子包括第二环形定子主体，第二环形定子主体包括第二套装孔；

所述第二环形定子主体内设有环形安装孔，电枢绕组位于环形安装孔内，环形安装孔与第二套装孔之间设有环形的外定子槽口，外定子槽口使得第二套装孔内形成对称分布的外定子齿，外定子齿为弧形结构。

进一步的，所述动子支架为套筒装结构。

进一步的，所述动子支架与内定子之间形成内气隙。

进一步的，所述第一永磁体和对称分布的第二永磁体与外定子之间形成外气隙。

进一步的，所述外定子通过第二环形定子主体固定在壳体的内壁，动子支架位于第二套装孔内。

进一步的，所述壳体的两端分别设有第一端盖和第二端盖，第一端盖和第二端盖上均设有安装孔，安装孔内紧固连接有直线轴承，直线轴承与输出轴滑动连接；

所述第二端盖上设有支撑连接环，内定子的一端固定在支撑连接环上，另一端设有第一弹性件，第一弹性件的一端与内定子紧固连接，另一端与支撑环固定连接，支撑环的一侧设有第二弹性件，第二弹性件的一端与支撑环紧固连接，另一端与第一端盖紧固连接，第一弹性件和第二弹性件分别位于支撑环的两侧；

所述动子支架上设有环形放置槽，第一永磁体和对称分布的第二永磁体均套装在环形放置槽内。

进一步的，所述第二内定子辅助槽之间的距离大于第二永磁体之间的距离，第一内定子辅助槽与内定子的中心重合，外定子槽口的宽度大于第一内定子辅助槽的宽度，第一内定子辅助槽的宽度大于第二内定子辅助槽的宽度。

进一步的，所述外定子的轴向长度大于内定子的轴向长度，内定子通过整块实心钢加工而成，或多块环形实心钢拼接而成，或采用硅钢片叠加而成，或根据不同位置的加工和组装情况选择实心钢和硅钢片的混合拼接方式。

进一步的，所述动子支架为非导磁材料制成的圆筒，第一永磁体和第二永磁体为环形结构或者瓦片结构，通过胶水粘贴在环形放置槽内。

进一步的，所述第一永磁体和第二永磁体为钕铁硼材料，第一永磁体和第二永磁体的充磁方向与动子的运动方向相互垂直，第一永磁体和第二永磁体的充磁方向相反。

本发明的有益效果：

1、本发明永磁直线电机动子采用三块永磁体结构，相较于传统的单永磁体结构拥有更大的输出力；

2、本发明永磁直线电机相较于传统的双定子电机，其内定子上开有三个辅助槽，且长度有所缩短，电机的总质量有所减少，不仅降低了电机的材料成本，也提高了电机的功率密度；

3、本发明永磁直线电机相较于未优化内定子的电机，大大降低了电机的定位力，同时使得电机有了更长的有效行程。随着电机定位力的减小，电机的推力波动问题将得到很大的改善，更有利于电机的高精度控制。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明直线电机剖视图；

图2是本发明内定子剖视图；

图3是本发明外定子剖视图；

图4是本发明电机结构参数选取示意图；

图5是本发明电机与传统电机定位力仿真结果对比图；

图6是本发明电机与传统电机输出力仿真结果对比图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机,永磁直线电机包括壳体1，如图1所示，壳体1内滑动设有输出轴2，壳体1内固定设有内定子5，内定子5套装在输出轴2上，输出轴2上设有支撑环21，支撑环21上设有动子支架22，动子支架22为套筒装结构，动子支架22内设有第一永磁体3和对称分布的第二永磁体4，第二永磁体4位于第一永磁体3的两侧，动子支架22与内定子5之间形成内气隙8，壳体1的内壁固定有外定子6，外定子6内设有电枢绕组7，第一永磁体3和对称分布的第二永磁体4与外定子6之间形成外气隙9。

壳体1的两端分别设有第一端盖10和第二端盖20，第一端盖10和第二端盖20上均设有安装孔202，安装孔202内紧固连接有直线轴承30，直线轴承30与输出轴2滑动连接。

第二端盖20上设有支撑连接环201，内定子5的一端固定在支撑连接环201上，另一端设有第一弹性件40，第一弹性件40的一端与内定子5紧固连接，另一端与支撑环21固定连接，支撑环21的一侧设有第二弹性件50，第二弹性件50的一端与支撑环21紧固连接，另一端与第一端盖10紧固连接，第一弹性件40和第二弹性件50分别位于支撑环21的两侧。

内定子5包括第一环形定子主体51，如图2所示，第一环形定子主体51包括第一套装孔52，输出轴2位于第一套装孔52内，第一环形定子主体51的外壁设有第一内定子辅助槽54和对称分布的第二内定子辅助槽53，第一内定子辅助槽54位于第二内定子辅助槽53之间，第一内定子辅助槽54与第二内定子辅助槽53之间形成内定子齿55，内定子齿55为弧形结构。

动子支架22上设有环形放置槽23，第一永磁体3和对称分布的第二永磁体4均套装在环形放置槽23内。

外定子6包括第二环形定子主体61，如图3所示，第二环形定子主体61包括第二套装孔611，外定子6通过第二环形定子主体61固定在壳体1的内壁，动子支架22位于第二套装孔611内。

第二环形定子主体61内设有环形安装孔62，电枢绕组7位于环形安装孔62内，环形安装孔62与第二套装孔611之间设有环形的外定子槽口63，外定子槽口63使得第二套装孔611内形成对称分布的外定子齿64，外定子齿64为弧形结构。

第二内定子辅助槽53之间的距离大于第二永磁体4之间的距离，第一内定子辅助槽54与内定子5的中心重合，外定子槽口63的宽度大于第一内定子辅助槽54的宽度，第一内定子辅助槽54的宽度大于第二内定子辅助槽53的宽度。

外定子6的轴向长度大于内定子5的轴向长度，内定子5通过整块实心钢加工而成，或多块环形实心钢拼接而成，或采用硅钢片叠加而成，或根据不同位置的加工和组装情况选择实心钢和硅钢片的混合拼接方式。

动子支架22为非导磁材料制成的圆筒，第一永磁体3和第二永磁体4为环形结构或者瓦片结构，通过胶水粘贴在环形放置槽23内。

第一永磁体3和第二永磁体4为钕铁硼材料，第一永磁体3和第二永磁体4的充磁方向与动子的运动方向相互垂直，第一永磁体3和第二永磁体4的充磁方向相反。

如图4所示，本发明电机中对定位力的大小起到主要影响的尺寸参数有外定子齿宽度W₁、外定子槽口宽度W₂、内定子与外定子轴向差值W₃、内定子左边辅助槽宽度W₄、内定子中间辅助槽宽度W₅、内定子端部齿宽度W₆、内定子齿弧形高度h₁、外定子齿弧形高度h₂、中间永磁体宽度W_pm1、永磁体间隔宽度W_pm2。本发明电机中对于定位力产生影响的参数较多，如果直接针对定位力优化需要计算较多的方案，花费大量的时间，因此本发明电机参数按照如下方式来确定：

1)根据电机的基本性能指标，主要考虑电机需要满足的功率、出力等性能特性，其次考虑定位力的大小，对电机的外定子齿宽度W₁、外定子槽口宽度W₂、内定子与外定子轴向差值W₃、中间永磁体宽度W_pm1、永磁体间隔宽度W_pm2进行参数化计算，获得电机的基本结构参数。

2)在上面获得的结构基础上，以优化定位力为目标，对电机内定子的相关参数如内定子左边辅助槽宽度W₄、内定子中间辅助槽宽度W₅、内定子端部齿宽度W₆、内定子齿弧形高度h₁、外定子齿弧形高度h₂进行参数优化得到电机最终的较优尺寸。

3)以上两个步骤的计算过程都可采用田口优化方法，然后再通过有限元仿真软件获得最终的结果。

通过有限元仿真分析验证本发明电机在减小定位力增大有效行程方面相比于传统的电机所具有的优势，如图5所示，为本发明电机与传统电机定位力仿真结果对比图，图中实线表示传统的直线振荡电机，未对内定子进行处理的定位力波形图，虚线表示本发明电机对内定子优化后的定位力波形图，从图中可以看出本发明电机的定位力有了很大的改善，定位力峰值在有效行程内已经降到了10N以下。

如图6所示，为本发明电机与传统电机输出力仿真结果对比图，从图中可以看到，本发明对于内定子的优化对于输出力幅值并没较大的影响，波形的正弦度也有了一定的改善。

仿真结果证明本发明所述电机在有效行程内拥有更小的定位力，运行时会更加平稳，便于电机的控制。电机定位力小，输出推力会更加平滑，适合精密加工或者压缩机等双向往复直线运动的应用场合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机,永磁直线电机包括壳体（1），其特征在于，所述壳体（1）内滑动设有输出轴（2），壳体（1）内固定设有内定子（5），内定子（5）套装在输出轴（2）上，输出轴（2）上设有支撑环（21），支撑环（21）上设有动子支架（22），动子支架（22）内设有第一永磁体（3）和对称分布的第二永磁体（4），第二永磁体（4）位于第一永磁体（3）的两侧，壳体（1）的内壁固定有外定子（6），外定子（6）内设有电枢绕组（7）；

所述内定子（5）包括第一环形定子主体（51），第一环形定子主体（51）包括第一套装孔（52），输出轴（2）位于第一套装孔（52）内，第一环形定子主体（51）的外壁设有第一内定子辅助槽（54）和对称分布的第二内定子辅助槽（53），第一内定子辅助槽（54）位于第二内定子辅助槽（53）之间，第一内定子辅助槽（54）与第二内定子辅助槽（53）之间形成内定子齿（55），内定子齿（55）沿轴向为弧形结构；

所述第二内定子辅助槽（53）之间的距离大于第二永磁体（4）之间的距离，第一内定子辅助槽（54）与内定子（5）的中心重合，外定子槽口（63）的宽度大于第一内定子辅助槽（54）的宽度，第一内定子辅助槽（54）的宽度大于第二内定子辅助槽（53）的宽度；

所述外定子（6）包括第二环形定子主体（61），第二环形定子主体（61）包括第二套装孔（611）；

所述第二环形定子主体（61）内设有环形安装孔（62），电枢绕组（7）位于环形安装孔（62）内，环形安装孔（62）与第二套装孔（611）之间设有环形的外定子槽口（63），外定子槽口（63）使得第二套装孔（611）内形成对称分布的外定子齿（64），外定子齿（64）沿轴向为弧形结构。

2.根据权利要求1所述的一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机,其特征在于，所述动子支架（22）为套筒装结构。

3.根据权利要求1所述的一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机,其特征在于，所述动子支架（22）与内定子（5）之间形成内气隙（8）。

4.根据权利要求1所述的一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机,其特征在于，所述第一永磁体（3）和对称分布的第二永磁体（4）与外定子（6）之间形成外气隙（9）。

5.根据权利要求1所述的一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机,其特征在于，所述外定子（6）通过第二环形定子主体（61）固定在壳体（1）的内壁，动子支架（22）位于第二套装孔（611）内。

6.根据权利要求1所述的一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机,其特征在于，所述壳体（1）的两端分别设有第一端盖（10）和第二端盖（20），第一端盖（10）和第二端盖（20）上均设有安装孔（202），安装孔（202）内紧固连接有直线轴承（30），直线轴承（30）与输出轴（2）滑动连接；

所述第二端盖（20）上设有支撑连接环（201），内定子（5）的一端固定在支撑连接环（201）上，另一端设有第一弹性件（40），第一弹性件（40）的一端与内定子（5）紧固连接，另一端与支撑环（21）固定连接，支撑环（21）的一侧设有第二弹性件（50），第二弹性件（50）的一端与支撑环（21）紧固连接，另一端与第一端盖（10）紧固连接，第一弹性件（40）和第二弹性件（50）分别位于支撑环（21）的两侧；

所述动子支架（22）上设有环形放置槽（23），第一永磁体（3）和对称分布的第二永磁体（4）均套装在环形放置槽（23）内。

7.根据权利要求1所述的一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机,其特征在于，所述外定子（6）的轴向长度大于内定子（5）的轴向长度，内定子（5）通过整块实心钢加工而成，或多块环形实心钢拼接而成，或采用硅钢片叠加而成，或根据不同位置的加工和组装情况选择实心钢和硅钢片的混合拼接方式。

8.根据权利要求1所述的一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机,其特征在于，所述动子支架（22）为非导磁材料制成的圆筒，第一永磁体（3）和第二永磁体（4）为环形结构或者瓦片结构，通过胶水粘贴在环形放置槽（23）内。

9.根据权利要求1所述的一种双定子弧形与辅助槽混合结构的C型齿永磁直线电机,其特征在于，所述第一永磁体（3）和第二永磁体（4）为钕铁硼材料，第一永磁体（3）和第二永磁体（4）的充磁方向与动子的运动方向相互垂直，第一永磁体（3）和第二永磁体（4）的充磁方向相反。

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