CN113765328A - 一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器，包括外壳、端部支撑盖、直线轴承、输出轴、谐振弹簧、隔磁环、永磁体、动子铁芯、定子绕组、定子铁芯和定子铁芯齿，其特征在于定子铁芯安装于外壳内部，动子铁芯内部嵌入永磁体；动子铁芯安装于输出轴上，并固定于两侧的端部支撑盖上，隔磁环压装于动子铁芯的两端部，在隔磁环与端部支撑盖之间的输出轴上套放有谐振弹簧，工作时，向定子绕组通入电流，产生不均匀的气隙磁场，驱使永磁体、动子铁芯、谐振弹簧以及输出轴组成的谐振系统做直线运动，产生驱动力并带动负载运行。本发明在实现高速、高精度直线直接运动系统的驱动与控制的同时，保证了执行器具有高功率密度运行和所需的驱动能力。

Description

一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器
技术领域
本发明涉及电机技术领域，更具体地说，涉及一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器。
背景技术
电磁直线执行器作为一种能量转换的装置和驱动控制的执行机构，能将一种或多种能量转换为直接对外输出直线运动的机械能，且在质量、体积和响应等性能上具有明显的优势，被广泛应用于短行程、大驱动力和平稳进给等应用场合。
现阶段传统的圆筒型纵向磁场执行器由于各负荷间的交叉相互耦合作用，降低了其功率密度和控制精度；而横向磁场执行器有效地解决了各负荷间的耦合关系，提高了执行器的功率密度，且解耦的特性便于小型化设计，可大大降低系统成本。然而，由于横向磁场执行器的固有空间三维磁回路特性，制造工艺难度大，增加了横向磁场执行器的结构复杂性，限制了横向磁场电磁直线执行器的应用。
为简化加工工艺，节约制造成本，解决传统的圆筒型纵向磁场执行器的低功率密度问题，提出了本发明的一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器结构，在保证控制精度和降低动态特征的耦合影响下，极大地减少非线性输出，提高执行器的功率密度以及工作可靠性和应用广泛性。
发明内容
本专利发明的一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器，其目的在于降低执行器的制造工艺难度、提高执行器的体积功率密度和整个机电运行体系效率；同时，负荷间平面竞争关系得以解除，并能采用一般硅钢片加工工艺加工制造，散热能力强，有效降低能耗，节约成本，提高能源利用率。该执行器的动力系统控制精度更高，协调能力更强，具有较高的科学意义和理论价值。
一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器，其特征在于，包括：外壳（1）、端部支撑盖（2）、直线轴承（3）、输出轴（4）、谐振弹簧（5）、隔磁环（6）、永磁体（7）、气隙（8）、动子铁芯（9）、定子绕组（10）、定子铁芯（11）和定子铁芯齿（11.1），其中：所述定子铁芯（11）为双定子分离式铁芯，沿轴向对齐排列并安装于外壳（1）内部，每个定子铁芯（11）内表面设有均匀排布的s个定子铁芯齿（11.1），每个定子铁芯齿（11.1）上缠绕有定子绕组（10），任意相邻绕组线圈反向串联；所述动子铁芯（9）内部沿周向均匀嵌入m块永磁体（7），任意相邻永磁体间充磁方向相反；所述嵌入永磁体（7）的动子铁芯（9）同轴居中安装于输出轴（4）上，并通过直线轴承（3）固定于两侧的端部支撑盖（2）上，隔磁环（6）压装于动子铁芯（9）的两端部，在隔磁环（6）与端部支撑盖（2）之间的输出轴（4）上套放有谐振弹簧（5）。
根据权利要求1所述的一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器，其特征在于：所述每个定子铁芯（11）中定子铁芯齿（11.1）个数与永磁体（7）个数满足：s=m= 2n，n为正整数。
根据权利要求1所述的一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器，其特征在于：所述定子绕组（10）为集中绕组，依次首尾串联构成单相集中绕组。
根据权利要求1所述的一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器，其特征在于：所述动子铁芯（9）、定子铁芯（11）和定子铁芯齿（11.1）均为软磁材料，由多层无取向硅钢片轴向叠压而成，外壳（1）、端部支撑盖（2）和隔磁环（6）为不导磁材料。
本发明提出的一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器与其他技术相比，其显著优点：
（1）可作为液压、传动以及控制系统中的执行元件或驱动部件，采用横向磁通的磁路设计，解除各负荷间的耦合关系，电流可控性强，实现高速、高精度直线直接运动系统的驱动与控制的同时，保证了执行器具有高功率密度运行和所需的驱动能力；
（2）动子、定子均采用一般普通旋转电机的加工工艺，结构简单，便于加工和安装，节省制造与维护的成本；
（3）定子绕组外置，保证了主要热源可通过外壳进行散热，提高了执行器的可靠性；同时，动、定子采用叠压硅钢片，可极大减少涡流损耗，减少非线性输出，提高工作效率，延长了执行器的使用寿命；
（4）针对不同的性能需求和应用目标，该结构可提供不同的参数指标，保证执行器的设计柔性化，适用范围广。
附图说明
图1是本发明的一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器主视图。
图2是本发明一个实施实例的径向剖视图，包括定、动子冲片、永磁体排布方式和定子绕组绕向示意图，其中N、S为永磁体充磁方向。
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所示，一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器，包括：外壳（1）、端部支撑盖（2）、直线轴承（3）、输出轴（4）、谐振弹簧（5）、隔磁环（6）、永磁体（7）、气隙（8）、动子铁芯（9）、定子绕组（10）、定子铁芯（11）和定子铁芯齿（11.1），其中：所述定子铁芯（11）为双定子分离式铁芯，沿轴向对齐排列并安装于外壳（1）内部，每个定子铁芯（11）内表面设有均匀排布的s个定子铁芯齿（11.1），每个定子铁芯齿（11.1）上缠绕有定子绕组（10），任意相邻绕组线圈反向串联；所述动子铁芯（9）内部沿周向均匀嵌入m块永磁体（7），任意相邻永磁体间充磁方向相反；所述嵌入永磁体（7）的动子铁芯（9）同轴居中安装于输出轴（4）上，并通过直线轴承（3）固定于两侧的端部支撑盖（2）上，隔磁环（6）压装于动子铁芯（9）的两端部，在隔磁环（6）与端部支撑盖（2）之间的输出轴（4）上套放有谐振弹簧（5）。
所述每个定子铁芯（11）中定子铁芯齿（11.1）个数与永磁体（7）个数满足：s=m=2n，n为正整数。
所述定子绕组（10）为集中绕组，依次首尾串联构成单相集中绕组。
所述动子铁芯（9）、定子铁芯（11）和定子铁芯齿（11.1）均为软磁材料，由多层无取向硅钢片轴向叠压而成，外壳（1）、端部支撑盖（2）和隔磁环（6）为不导磁材料。
如图1和图2所示，其中，s=m=2n=4，n=2。四块N-S交替的永磁体（7）内置于动子铁芯（9）中，组合成“口”字型，每块永磁体（7）与定子铁芯（11）的定子铁芯齿（11.1）相对应，通过定子铁芯（11）形成永磁磁回路。定子绕组（10）依次首尾串联构成单相集中绕组缠绕于定子铁芯齿（11.1）上，每个定子铁芯（11）中相邻的定子铁芯齿（11.1）和两个定子铁芯（11）中相近的定子铁芯齿（11.1）上的定子绕组（10）线圈反向串联。工作时，向定子绕组（10）通入电流，其中一个定子的电枢磁场产生与永磁磁场方向相同的磁场，起增磁作用，另一个定子的产生与永磁磁场方向相反的磁场，起弱磁作用，从而产生不均匀的气隙磁场，驱使永磁体（7）、动子铁芯（9）、谐振弹簧（5）以及输出轴（4）组成的谐振系统做直线运动，产生驱动力并带动负载运行。若通入周期性的单相交流电，则不同定子下气隙磁场强度发生交替性变化，产生气隙往复震动磁场，动子可做周期性交替往复运动，气隙磁场变化频率与供电频率保持一致；若通入直流电，则需要通过电控系统调节电流的方向，实现所需的运动规律。通过调节电流大小就可实现不同大小的推力或功率的输出，提高驱动装置的稳定性和机电转换效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器，其特征在于，包括：外壳（1）、端部支撑盖（2）、直线轴承（3）、输出轴（4）、谐振弹簧（5）、隔磁环（6）、永磁体（7）、气隙（8）、动子铁芯（9）、定子绕组（10）、定子铁芯（11）和定子铁芯齿（11.1），其中：
所述定子铁芯（11）为双定子分离式铁芯，沿轴向对齐排列并安装于外壳（1）内部，每个定子铁芯（11）内表面设有均匀排布的s个定子铁芯齿（11.1），每个定子铁芯齿（11.1）上缠绕有定子绕组（10），任意相邻绕组线圈反向串联；
所述动子铁芯（9）内部沿周向均匀嵌入m块永磁体（7），任意相邻永磁体间充磁方向相反；
所述嵌入永磁体（7）的动子铁芯（9）同轴居中安装于输出轴（4）上，并通过直线轴承（3）固定于两侧的端部支撑盖（2）上，隔磁环（6）压装于动子铁芯（9）的两端部，在隔磁环（6）与端部支撑盖（2）之间的输出轴（4）上套放有谐振弹簧（5）。
2.根据权利要求1所述的一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器，其特征在于：所述每个定子铁芯（11）中定子铁芯齿（11.1）个数与永磁体（7）个数满足：s=m= 2n，n为正整数。
3.根据权利要求1所述的一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器，其特征在于：所述定子绕组（10）为集中绕组，依次首尾串联构成单相集中绕组。
4.根据权利要求1所述的一种高功率密度的横向磁场电磁直线执行器，其特征在于：所述动子铁芯（9）、定子铁芯（11）和定子铁芯齿（11.1）均为软磁材料，由多层无取向硅钢片轴向叠压而成，外壳（1）、端部支撑盖（2）和隔磁环（6）为不导磁材料。
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