CN115912844A - 一种内置式横向磁通永磁直线振荡电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置式横向磁通永磁直线振荡电机，包括：动子永磁体均匀的嵌放在动子铁芯上；动子铁芯套设在动子轴上，动子铁芯在动子轴来回往复运动；定子齿等角度分布在定子轭部的内侧，定子齿与定子轭部固定连接；电枢绕组缠绕在相邻定子齿上。本发明通过动子铁芯与定子铁芯进行配合产生均匀分布的磁通回路；电枢绕组缠绕在定子齿上，当通入电流时，可在电机产生磁场、形成磁通，并与动子永磁体产生的磁场相互作用、产生转矩；通过将动子永磁体均匀嵌放在动子铁芯，使得电枢与永磁体磁场并联，电枢磁场不会直接穿过永磁体，避免定子永磁体承受电枢反向退磁磁动势；本发明动子永磁体用量小、气隙磁密高，通过设计优化，节省资源和降低成本。

Description

一种内置式横向磁通永磁直线振荡电机

技术领域

本发明属于直线电机领域，涉及一种内置式横向磁通永磁直线振荡电机。

背景技术

传统的直线往复运动主要靠旋转电机+曲柄连杆机构来实现，该种方式功率和效率低下，且结构复杂。永磁直线振荡电机在运行回路中没有机械运动器件，能够以小体积以及高可靠性实现直线往复运动。其诸多优点使永磁直线振荡电机广泛应用于热声发电系统、冰箱压缩机等高频短行程直线往复运行场合。传统永磁直线电机为轴向磁路结构，磁负荷与热负荷交叉耦合，功率密度低，而横向磁通式永磁直线振荡电机磁负荷与热负荷解耦，功率密度及推力密度较传统永磁直线振荡电机高。

传统结构直线电机由于铁芯开断引发端部效应以及电枢开槽导致磁导不均而产生定位力，对于其运行系统的机械谐振特性有很大影响。表贴式永磁直线电机磁链谐波分量较少，更容易产生正弦波磁动势，但是实际运行过程中，其电枢磁场磁力线必须直接穿过永磁体才能形成闭合回路，这就导致其存在永磁体工作点低，退磁风险高的缺点；且表贴式直线永磁电机的永磁体用量比较大，电机的生产制造成本较高。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中表贴式永磁直线电机的电枢磁场磁力线必须直接穿过永磁体才能形成闭合回路，导致其存在永磁体工作点低，退磁风险高的缺点；且表贴式直线永磁电机的永磁体用量比较大，电机的生产制造成本较高的问题，提供一种内置式横向磁通永磁直线振荡电机。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种内置式横向磁通永磁直线振荡电机，包括：定子和动子；动子和定子相对运动；

动子包括动子铁芯、动子轴和动子永磁体；动子永磁体均匀的嵌放在动子铁芯上；动子铁芯套设在动子轴上，动子铁芯在动子轴来回往复运动；

定子包括定子铁芯和电枢绕组；定子铁芯包括定子轭部和定子齿，定子齿等角度分布在定子轭部的内侧，定子齿与定子轭部固定连接；电枢绕组缠绕在相邻定子齿上。

本发明的进一步改进在于：

进一步的，动子铁芯为若干个；电枢绕组由定子线圈缠绕在相邻定子齿上形成。定子线圈为漆包铜线。

进一步的，定子齿的个数、动子永磁体的个数和电枢绕组的线圈数均为2N；其中，N为大于等于1的整数。

进一步的，动子永磁体为矩形；相邻两个动子铁芯之间设有凹槽；2N个动子永磁体两两间隔360/2N度均匀嵌入动子铁芯轭部的凹槽中。

进一步的，2N个动子永磁体沿圆周切向充磁，且任意相邻两块动子永磁体充磁方向相反。

进一步的，电枢绕组为单层绕组或多层绕组。

进一步的，定子铁芯和动子铁芯均由多层无取向硅钢叠片轴向叠压而成。

进一步的，任意相邻电枢绕组的线圈绕向相反，则电枢绕组依次顺向连接；若任意相邻电枢绕组的线圈绕向相同，则电枢绕组依次反向连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过动子铁芯与定子铁芯进行配合产生均匀分布的磁通回路；电枢绕组缠绕在定子齿上，当通入电流时，可在电机产生磁场、形成磁通，并与动子永磁体产生的磁场相互作用、产生转矩；通过将动子永磁体均匀嵌放在动子铁芯，从而使得电枢与永磁体磁场为并联关系，电枢磁场不会直接穿过永磁体，避免定子永磁体承受电枢反向退磁磁动势，可极大地降低其退磁风险；本发明动子永磁体用量小、气隙磁密高，并且合理充分地利用了空间，通过设计优化，可以极大地节省资源和降低成本。

进一步的，本发明采用永磁直线振荡电机作为往复运动的直接驱动机构，省去了复杂的曲柄连杆，结构紧凑，传动损耗低，效率高。

进一步的，本发明采用横向磁通的磁路设计，简化了硅钢片的叠装工艺。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的内置式横向磁通永磁直线振荡电机的A-A剖面图；

图2为本发明的定子铁芯结构示意图；

图3为本发明的实施例的轴向剖面图；

图4为实施例的空载定位力与动子位置关系有限元分析结果图；

图5为实施例的负载推力与动子位置关系有限元分析结果图；

图6为实施例的电流推力与动子位置关系有限元分析结果图。

其中，1-动子；2-定子；3-动子铁芯；4-动子永磁体；5-动子轴；6-定子铁芯；7-电枢绕组；8-定子轭部；9-定子齿；10-定子线圈。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明公布了一种内置式横向磁通永磁直线振荡电机，包括：定子2和动子1；动子1和定子2相对运动；

动子1包括动子铁芯3、动子轴5和动子永磁体4；动子永磁体4均匀的嵌放在动子铁芯3上；动子铁芯3套设在动子轴5上，动子铁芯3在动子轴5来回往复运动；

定子2包括定子铁芯6和电枢绕组7；定子铁芯6包括定子轭部8和定子齿9，定子齿9等角度分布在定子轭部8的内侧，定子齿9与定子轭部8固定连接；电枢绕组7缠绕在相邻定子齿9上。

动子铁芯3为若干个。电枢绕组7由定子线圈10缠绕在相邻定子齿9上形成。定子线圈10为漆包铜线

定子齿9的个数、动子永磁体4的个数和电枢绕组7的线圈数均为2N；其中，N为大于等于1的整数。

动子永磁体4为矩形；相邻两个动子铁芯3之间设有凹槽；2N个动子永磁体4两两间隔360/2N度均匀嵌入动子铁芯3轭部的凹槽中。

2N个动子永磁体4沿圆周切向充磁，且任意相邻两块动子永磁体4充磁方向相反。

电枢绕组7为单层绕组或多层绕组。

定子铁芯6和动子铁芯3均由多层无取向硅钢叠片轴向叠压而成。

任意相邻电枢绕组7的线圈绕向相反，则电枢绕组7依次顺向连接；若任意相邻电枢绕组7的线圈绕向相同，则电枢绕组7依次反向连接。

本发明电机技术原理是磁通反向原理：当电机定子绕组通入电流，定子的电枢磁场对其中一个动子的永磁体磁场去磁，而对另一个动子的永磁磁场增磁，从而造成不同动子，合成的气隙磁场强度的不等分布，从而驱使动子向气隙磁场强度高的一侧移动；若通入周期性的交流电，则定子下气隙磁场强度周期性交替，驱使双动子在定子间做相同频率的周期性的往复振动。

本发明的实施例采用了一种优选的定子齿数2N＝6。

参见图1和图3，动子永磁体4沿圆周切向充磁；动子铁芯3的轭部加工有用于嵌放动子永磁体4的凹槽，本实例中凹槽切断动子铁芯3的轭部。定子齿9上绕制定子线圈10，定子线圈10形成电枢绕组7；任意相邻的定子线圈10中电流正方向相反，即反向串联。无论是动子铁芯3、定子铁芯6或者永磁体4，其形状都相对规则和简单，定子铁芯6和动子铁芯3均由多层无取向硅钢叠片轴向叠压而成，与旋转电机一致，工艺简单。其中电流正方向相反，即反向串联。

动子铁芯3为分离式双动子铁芯，两个柱状动子铁芯之间持有间距，轴向对齐地安装于动子轴5上；每个动子铁芯3均匀地嵌入6块动子永磁体4；径向相邻的动子永磁体4充磁方向相反；定子线圈10缠绕于定子齿9上。

其中，定子线圈10的绕线为漆包铜线，且相邻定子线圈10中电流正方向相反，即相邻定子线圈10反向串联构成定子电枢绕组7。

实际实施过程中构成的电枢绕组7的定子线圈有两种绕制方式：采用6个定子线圈10或者12个定子线圈10。当采用6个定子线圈10时，6个定子线圈10分别绕制于6个定子齿9上，此时定子间距需预留出足够空间以容纳定子线圈的端部和防止漏磁；当采用12个定子线圈10时，无论采用何种绕制方式，任意相邻定子线圈10须反向串联，构成电枢绕组7。对电枢绕组7通入直流电流后，其中一个定子的电枢磁场对动子永磁体4的磁场进行削弱，而另一定子的电枢磁场对动子永磁体4磁场进行增强；若通入一定频率交变电流，则可与永磁体磁场合成强度周期性交变的气隙磁场。

实施实例中，动子永磁体4两两间隔60度的方式嵌入动子铁芯3轭部的凹槽内，沿圆周切向平行充磁，且同一动子上任意相邻的两块动子永磁体4充磁方向相反。

此设计下，径向相邻的动子永磁体4形成并联磁路结构，为电机提供恒定的永磁体励磁磁场。工作时，由双动子1、动子永磁体4、定子2以及定子齿9上的定子线圈10组成电机的驱动单元，驱动动子铁芯3做周期性的往复运动。具体的说，当定子电枢绕组7中通以一定频率的单向正弦交流电，定子电枢磁场和永磁体磁场在气隙合成一个强度周期性交变的气隙磁场，气隙磁场振动频率与供电频率相同，根据虚位移定理，动子铁芯3将收到周期性的驱动力，方向始终指向气隙磁场强度高的地方。因此，动子铁芯3将以电源频率相同的频率压缩弹簧，在设计的有效形成范围内做相同频率的直线往复运动。动子1与轴以平键联接，轴与后级负载相连接，从而向外输出功率。

参见图4、图5和图6，仿真分析及样机实验证明，本发明所述内置式横向磁通永磁直线振荡电机加工工艺简单，结构紧凑，材料用量低，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，输出静推力平滑，推力密度高，输出效率高。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种内置式横向磁通永磁直线振荡电机，其特征在于，包括：定子(2)和动子(1)；所述动子(1)和定子(2)相对运动；

所述动子(1)包括动子铁芯(3)、动子轴(5)和动子永磁体(4)；所述动子永磁体(4)均匀的嵌放在动子铁芯(3)上；所述动子铁芯(3)套设在动子轴(5)上，所述动子铁芯(3)在动子轴(5)来回往复运动；

所述定子(2)包括定子铁芯(6)和电枢绕组(7)；定子铁芯(6)包括定子轭部(8)和定子齿(9)，所述定子齿(9)等角度分布在所述定子轭部(8)的内侧，所述定子齿(9)与定子轭部(8)固定连接；所述电枢绕组(7)缠绕在相邻定子齿(9)上。

2.根据权利要求1所述的内置式横向磁通永磁直线振荡电机，其特征在于，所述动子铁芯(3)为若干个；所述电枢绕组(7)由定子线圈(10)缠绕在相邻定子齿(9)上形成，所述定子线圈(10)为漆包铜线。

3.根据权利要求2所述的内置式横向磁通永磁直线振荡电机，其特征在于，所述定子齿(9)的个数、动子永磁体(4)的个数和电枢绕组(7)的线圈数均为2N；其中，N为大于等于1的整数。

4.根据权利要求3所述的内置式横向磁通永磁直线振荡电机，其特征在于，所述动子永磁体(4)为矩形；相邻两个动子铁芯(3)之间设有凹槽；2N个动子永磁体(4)两两间隔360/2N度均匀嵌入动子铁芯(3)轭部的凹槽中。

5.根据权利要求4所述的内置式横向磁通永磁直线振荡电机，其特征在于，2N个所述动子永磁体(4)沿圆周切向充磁，且任意相邻两块动子永磁体(4)充磁方向相反。

6.根据权利要求5所述的内置式横向磁通永磁直线振荡电机，其特征在于，所述电枢绕组(7)为单层绕组或多层绕组。

7.根据权利要求6所述的内置式横向磁通永磁直线振荡电机，其特征在于，所述定子铁芯(6)和动子铁芯(3)均由多层无取向硅钢叠片轴向叠压而成。

8.根据权利要求7所述的内置式横向磁通永磁直线振荡电机，其特征在于，任意相邻所述电枢绕组(7)的线圈绕向相反，则所述电枢绕组(7)依次顺向连接；若任意相邻所述电枢绕组(7)的线圈绕向相同，则所述电枢绕组(7)依次反向连接。

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