CN114710000A - 一种双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机，包括初级铁芯、次级铁芯、永磁体、线圈、机壳：初级铁芯由j个单元初级铁芯通过长短齿交错同轴轴向叠压而成；初级永磁体安装在初级铁芯短齿表面；电枢绕组的线圈按照m相周向排列缠绕于初级铁芯齿上；次级铁芯同轴心安装于初级铁芯内部；次级永磁铁按照m相周向的安装在次级铁芯表面。本发明初级铁芯上安装永磁体，既增大了电机的推力密度又增大了初级铁芯的空间利用率，永磁体直接通过初级铁芯和机壳散热；次级铁芯上的永磁体按照聚磁式安装，极大地提高了永磁体的空间利用率和节约了电机成本，该电机采用集中式绕组，初级铁心齿部及轭部由硅钢片一次叠压而成，适用于批量生产。

Description

一种双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机

技术领域

本发明属于圆筒型永磁直线电机领域，更具体地，涉及一种永磁体安装于初级与次级双级上，运动和受力部件为次级铁芯与永磁体的双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机。

背景技术

一直以来，工业实现直线运动大多采用的是气动、液压、珠丝杠等传动机构装置，这些传统直线运动装置结构复杂、磨损大、检修困难、效率和功率因数低下，体积庞大而饱受诟病。采用“零传动”永磁直线电机实现往复直线运动，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。

根据初级和次级结构不同，永磁直线电机分为单边平板型、双边平板型及圆筒型；按照磁场分布不同，永磁直线电机可分为传统磁通结构和横向磁通结构。

传统磁路结构圆筒型永磁直线电机。其主要缺点在于，由于磁通经过的齿和绕组所在的槽在同一截面上，其大小相互制约，因而使电机的力密度难以从根本上得到提高，虽可通过磁路优化设计、选用高性能的磁性材料等来提高出力，但其效果是有限的，且每相内相邻永磁体无间隔的按照相反充磁方向充磁安装在次级铁心上。因此，传统磁路结构圆筒型永磁直线电机的推力密度小，次级永磁体成本高，漏磁大。

横向磁通结构圆筒型永磁直线电机。其主要缺点在于，虽然横向磁通结构的圆筒形永磁直线电机在结构上使得电负荷与磁负荷互相解耦，使得次级永磁体排列方式与传统永磁直线电机不同，漏磁减少，永磁体空间利用率有所提高，但永磁体数量没有大的提高，其只能是有限的提高了推力密度。因此，横向磁通结构圆筒型永磁直线电机也有待改善。

无论是传统磁通结构还是横向磁通结构的圆筒型永磁直线电机，永磁体均只安装在次级单级上。它们共同的缺陷在于，永磁体只安装在次级上，初级空间利用率低且推力密度始终受到永磁体数量的限制而提升不大，漏磁较大，特别在高频振荡和恶劣工况下，其可靠性较低。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明提供一种双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机，其目的在于，提高电机的推力密度，增大初级的空间利用率，提高电机可靠性、安全性、可维护性，简化制造工艺，提高其量产性。

一种双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机，包括初级铁芯、次级铁芯、永磁体、线圈、机壳：

所述初级铁芯为由j个单元初级铁芯轴向叠压而成，每两个相邻单元初级铁芯之间通过长短齿交错同轴相连，轴向对齐地安装于机壳内部；每个单元初级铁芯内包含p个长齿与p个短齿，每个初级铁芯短齿沿周向和轴向均匀地嵌入多块永磁体；组成电枢绕组的多个线圈缠绕于初级铁芯齿上，同相内任意相邻线圈反向串联；所述次级铁芯同轴居中安装于初级铁芯内部，与初级铁芯径向上间隔一段等长的气隙。

进一步地，所述初级铁芯和次级铁芯均由无取向硅钢片轴向叠压而成。

进一步地，所述线圈中每相由2n(n为自然数)个线圈组成，线圈呈跑道形缠绕在初级铁芯齿上。

进一步地，次级铁芯与初级铁芯均安装有永磁体。

进一步地，安装于初级铁芯短齿表面的永磁体为圆弧型结构，按间隔一个初级铁芯长齿的方式安装于初级铁芯短齿表面，且同一初级铁芯上任意相邻两块永磁体充磁方向相同。

进一步地，次级铁芯上的永磁铁按照m相周向的安装在其表面，每相内的永磁体间隔一个极距的距离，相邻两相永磁体之间间隔三分之二极距的距离。

本发明的有益技术效果体现在：

（1）采用双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机作为往复直线运动的驱动机构，省去了复杂的曲柄连杆装置，结构更加紧凑，零件摩擦少，传动损耗低，效率高；

（2）采用横向磁通的磁路设计，简化了硅钢片的叠装工艺；

（3）采用了单元初级铁芯叠压成初级铁芯整体，初级齿分为短齿和长齿两部分，永磁体安装在初级短齿表面，降低了初级铁芯的加工难度和永磁体安装难度，方便安装、拆卸、维护、更换，节省制造与维护的成本；

（4）采用了双级永磁型的结构，即初级和次级均安装有永磁体，相比于传统结构的圆筒型永磁直线电机，初级上的永磁体增加了电机整体的推力密度，又因为永磁体安装在铁芯上增加了其散热的能力，保护了初级上的永磁体，提高了电机的可靠性和鲁棒性及初级的空间利用率，延长了电机的使用寿命；

（5）次级铁芯上的永磁体安装采用按照m相周向的安装在其表面，每相内的永磁体间隔一个极距的距离，相邻两相永磁体之间间隔三分之二极距的距离，既减少了漏磁又减少了永磁体的成本；

（6）双级永磁体以及次级铁芯长度经过优化设计，可使次级在行程范围内所受磁阻力较小，出力更大。

总的来说，与传统结构相比，本发明初级与次级均安装有永磁体且采用横向磁通结构，极大地提高了电机的安全性、可靠性和鲁棒性，且在初级上安装永磁体增大了推力密度，永磁体直接通过初级铁芯和机壳散热，散热方便，次级按照上述的方式安装永磁体，减少了其漏磁和电机成本，还提高了初级铁芯的空间利用率；通过合理的尺寸设计，可使次级在有效行程范围内磁阻力小，推力较大，且过载能力强。该新型电机适用于电动机、泵类以及其它需要大推力的双向往复运动的应用场合。

附图说明

图1为初级铁芯、永磁体排布方式和线圈缠绕示意图。

图2为本发明一个实施实例的剖面图。

图3为初级铁心。

图4为一种初级铁心加永磁体。

图5为三相绕组。

图6为两种初级铁芯加永磁体。

图7为次级。

图中：机壳 1；初级铁芯 2；线圈 3；初级短齿 4；初级永磁体 5；初级长齿 6；次级永磁体 7；次级铁芯 8；A相 9；B相 10；C相 11。

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实例仅用以解释本发明，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。

本发明电机工作原理是：当绕组永磁磁链达到正最大值时，可将其分为两组齿：一组称为励磁齿，其中初级永磁体5与次级铁芯8对齐，初级铁芯2与次级永磁体7对齐，初级和次级的永磁体产生的有效磁通穿过间隙与绕组连接；另一种称为漏齿，其中初级永磁体5与次级永磁体7对齐，初级铁芯2与次级铁芯8对齐，初级和次级的永磁体都会产生无用的漏磁；当相对位置移动一个极距时，对齐关系交换；受励磁齿与漏齿互换，漏齿与激励齿互换；同时，绕组内的永磁磁链交换为负最大值，这意味着绕组中产生反电动势；与传统永磁电机类似，双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机中的永磁电机激励的永磁磁链与绕组交叉，如果初级和次级之间的相对位置随运动部件的运动而改变，则交替改变的永磁磁链将产生反电动势；根据能量守恒定律，当向绕组施加相位合适的正弦交流电流时，会产生电磁推力。

如图1所示，所述双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机初级与次级包括：机壳1、初级铁芯 2、线圈 3、初级短齿 4、初级永磁体 5、初级长齿 6、次级永磁体 7、次级铁芯8；初级铁芯2由8个单元初级铁芯叠压而成，每个单元初级铁芯包含初级短齿4和初级长齿6以及齿槽，其中初级铁芯短齿4上安装有初级永磁体5，任意相邻初级永磁体5充磁方向相同；初级短齿4和初级长齿 6上绕制线圈，同相内任意相邻的线圈中电流正方向相反，即反向串联；次级永磁体7按照ABC三相周向的安装在次级铁芯表面，每相内的永磁体7间隔一个极距的距离，相邻两相永磁体之间间隔三分之二极距的距离；无论是单元初级铁芯，次级铁芯8，或者永磁体，其形状都相对规则和简单，且铁芯叠压方式与旋转电机一致，工艺简单。

如图2所示，所述初级铁芯2由8个单元初级铁芯轴向叠压而成，轴向对齐地安装于机壳1内部，每个单元初级铁芯由6个长齿与6个短齿及12个槽构成，它们交错排列在单元初级铁芯上；每个初级铁芯短齿4沿周向和轴向均匀地嵌入多块初级永磁体5；组成电枢绕组的多个线圈3缠绕于初级短齿4和初级长齿 6上，同相内任意相邻线圈反向串联；所述次级铁芯8与初级铁芯2同心且径向上间隔一段等长的气隙固定于初级铁芯内圆内。

其中，初级铁芯2由单元初级铁芯轴向叠压构成柱状，相邻两个单元初级铁芯之间长短齿交错相连，初级长短齿交错使得永磁体交错，既增加了推力密度又减少了漏磁；机壳1可由铸铝或其它隔磁的高强度金属材料铸造而成，起到固定初级铁芯2和屏蔽电磁场的作用；端盖可采用铝合金或其它高强度型材加工而成，防止电机漏磁，起到固定和保护作用；次级铁芯8由图1所示圆筒型次级铁芯可由圆形硅钢片叠压而成，居中于初级铁芯内部；线圈同相内相邻线圈中电流正方向相反，即同相内相邻线圈反向串联构成初级电枢绕组。

构成电枢绕组的线圈3绕制方式：采用12个初级线圈，12个线圈分别绕制于12个初级齿上；任意同相内相邻线圈均须反向串联，构成电枢绕组；当向绕组施加相位合适的正弦交流电流时，使得初级上产生对次级的电磁推力。

安装于初级铁芯短齿4表面的初级永磁体5为圆弧型结构，按两两间隔一个初级长齿6的方式安装于初级铁芯短齿4表面，且同一初级铁芯2上任意相邻两块永磁体充磁方向相同。

工作时，由初级铁芯2、安装于初级铁芯2上的初级永磁体5以及初级齿上的线圈组成电机的驱动单元，驱动次级铁芯8及次级永磁体7做往复直线运动；具体的说，当初级电枢绕组中通以一定频率的三相正弦交流电，初级电枢磁场与永磁磁场在气隙合成为一个周期性的气隙磁场，从而驱动次级铁芯8与次级永磁体7在设计的有效行程范围内做往复直线运动，从而向外输出功率。

仿真分析以及样机实验证明，本发明所述双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机加工工艺简单，装配、拆卸、维护成本低，安全性、可靠性、鲁棒性强，散热良好，使用寿命长，在设计的有效行程范围内，磁阻力小，输出静推力较大，适合于电动机或泵类等大推力直线运动的应用场合。

Claims (6)

1.一种双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机，其特征在于，包括机壳（1）、初级铁芯（2）、线圈（3）、初级短齿（4）、初级永磁体（5）、初级长齿（6）、次级永磁体（7）、次级铁芯（8）；

所述初级铁芯（2）为带永磁体的初级铁芯，轴向对齐地安装于机壳（1）内部；初级永磁体（5）沿周向和轴向均匀地安装在每个初级短齿（4）表面；组成电枢绕组的多个线圈（3）缠绕于初级铁芯齿上，同相内任意相邻线圈反向串联；所述次级铁芯（8）与初级铁芯（2）同心安装于初级铁芯（2）内部，且径向上圆周间隔一段等长的气隙固定于初级铁芯圆内，次级铁心上的永磁体按照周向m相分布，每相内的永磁体间隔一个极距的距离，相邻两相永磁体之间间隔三分之二极距的距离。

2.根据权利要求1所述的双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机，其特征在于，所述初级铁芯短齿（4）上安装有永磁铁，且初级铁芯（2）由多个单元初级铁芯轴向叠压而成。

3.根据权利要求1所述的双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机，其特征在于，所述线圈（3）每相包括2n(n为自然数)个线圈组成，线圈呈跑道形缠绕在初级铁芯齿上。

4.根据权利要求1所述的双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机，其特征在于，安装于初级铁芯短齿上的永磁体为弧型永磁体，周向上和轴向上都是间隔一个初级长齿安装，且初级铁芯短齿上任意相邻两块永磁体充磁方向相同。

5.根据权利要求1和4所述的双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机，其特征在于，次级铁芯上永磁体按m相周向分布，每两相永磁体之间间隔三分之二极距的距离，每相内永磁体间隔一个极距的距离。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的双级永磁体圆筒型横向磁通永磁直线电机，其特征在于，其磁路结构为横向磁通结构，使得电负荷与磁负荷相互解耦。

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