CN1511368A - 自动对中线性电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使一往复式永磁电动机或发动机的永久磁铁上产生磁性对中力的方法，当永久磁铁接近其移动两端时使机械的铁磁构件磁饱和。

Description

自动对中线性电动机
技术领域
本发明涉及一般往复式永磁交流电动机和发电机。更具体地说，涉及一种产生磁性对中力的装置，以把往复磁铁限制在这种机器的空气间隙内。
背景技术
对比文件1(美国专利4,602,174)公开了一种交流电机，其既可用作发电机，将永磁环的往复运动转换成交流电压，也可用作电动机，使交流电压转换成永磁环的往复运动。参照对比文件1的图4，永久磁铁50左右方向作往复运动和如果电机以传统设计，电枢线圈56未通电，若磁铁未从空气间隙中脱出，则永久磁铁不会产生磁力。如果磁铁脱出，将会产生强大的磁力接着把磁铁排出。为防止磁铁上升和随后从空隙排出，现有技术中采用机械的和/或磁性的对中弹簧。后者在对比交件2(disclosure document No.172295)中公开。对中弹簧导致复杂化和增加成本。本发明的目的在于在往复磁铁上提供由磁性产生的对中力而不用增加成本或复杂性。
发明内容
在本发明中，铁磁性构件(对比文件1的图6中的60，62，64，68)以非常规设计，当对比文件1中的永久磁铁50在空气间隙中往复运动接近该间隙的左右两端位置时使所有或部分的铁磁性构件得以磁饱和。理论显示和实验证明，磁饱和在往复磁铁上使一力在一方向上作用，以致于把磁铁限制在空气间隙中。传统的设计会避免磁饱和，因为磁饱和会因效率降低而使性能度差和在发电机的情况下，使输出的电压波形畸变。在对比文件1中公开但经本发明改进的一种线性运动交流电动机发电机组中，可以得出，在性能不会出现大的度差情况下能够产生有用的对中力。
附图说明
图1A为根据先有技术的线性永磁电动机或发动机的截面图。在图1A中，本发明所改变的尺寸和磁量由符号识别。
图1B为线性永磁电动机或发动机的截面图，其中本发明与先有技术不同的尺寸和磁量由符号识别。
图2所示为根据先有技术和本发明的铁构件中的磁量曲线图。这些磁量依据磁铁从其中心位置的位移上绘制。所绘制的磁量是磁场强度H’(先有技术)、磁通密度B’(先有技术)、磁场强度H(本发明)和磁通密度B(本发明)。
图3所示为先有技术和本发明的电动机磁铁上的磁力曲线图，磁力是依据磁铁从其中心位置的位移所绘制。
具体实施例
图1A是美国专利4,602,174中公开的往复式永磁电动机或发动机的一实施例的截面图。所述机械相对于轴A-A大体上是轴对称的。永磁环1以径向被磁化并具有磁化强度M还以与轴A-A平行地在由外铁磁构件2和内铁磁构件3所限制的空隙中往复运动。X代表环形磁铁离在空隙内轴向中心位置的轴向位移。因为线圈4未通电，内外铁磁构件中的磁通密度B’和磁场强度H’是X的函数和尺寸y和Y’的函数并在图1A中分别由常规的函数符号B’(X)，H’(X)表示。
图2所示为通常用于避免磁铁饱和的一先有技术机械中的H’(X)和B’(X)曲线图。B’(X)大体上是X的线性函数，最大值一般小于13000高斯和任何X的H’(X)一般低于10奥斯特。
图1B为根据本发明的线性永磁电动机或发动机的截面图。图1B和图1A相同，除了y和Y的尺寸之一或两者足以比先有技术的对应部分y’和Y’小之外，因此磁饱和会在X＝L/2和X＝-L/2附近出现，这分别为磁铁1开始从铁磁构件2和3之间的空隙脱离下的X的数值。
图2所示为根据本发明的发电机或发动机中H(X)和B(X)的曲线图。靠近|X|＝L/2时，H(X)上升超过20奥斯特并超越电工钢的一般磁饱和，其大约是10奥斯特。靠近|X|＝L/2时，B(X)值会降到小X时的线性投影水平之下和最高值超越15000高斯。
在环形磁铁1接近空隙任何一端时使部分铁磁构件2和3饱和的目的是为了阻止环形磁铁离开空隙的磁力。电磁能的理论预测所述磁力的存在，其教导为使磁通密度B在微分容积dV里增加一微分量dB，所需的能量等于(H×dB×dV)。在本发明中，这样的能源是在环形磁铁由一通过距离dX移动的轴向力所做的机械功，由此可以推定，环形磁铁上的力F可用以下的方程式得出；
             F＝-∫H×dB/dX×dV    方程式(1)
方程式(1)中的减号表示F的方向是与dX相反。原则上，积分一定要采用整个空间，但是在先有技术和本发明中，倘若环形磁铁没有离开空隙，对其起最重要的作用是由图1A和1B的铁磁构件2和3所占的体积。在先有技术中，通过把铁磁构件加工成所需要的尺寸来避免磁饱和，以致于对所有X来说，H’大大地少于10奥斯特(一般是5奥斯特)和F太小以致于不能在实际用途中限制环形磁铁。然而，本发明中，磁饱和一般使H(L/2)提升到20奥斯特，结果产生相当大的F，这将防止环形磁铁1脱离空隙。
图3所示为先有技术和本发明中F的曲线图。在所述两种情形下，正如|X|≥L/2中的力迅速地增大所示，如果|X|≥L/2，磁铁会自空隙中排出，在本发明中，但不在先有技术中，有一较大的抑制力，以阻止环形磁铁抵达X＝L/2并随后从空隙中排出。
只要不脱离本发明的精神，可作出多种改型。例如，磁饱和可限制在外铁磁构件2或内铁磁构件3，而不用两者同时存在。

Claims (1)

1.一种使往复运动转换成为交流电压或使交流电压转换成往复运动的机电换能器，其特征在于所述换能器包括下列各项a)到d)的组合：
    a)一环状永久磁铁，由两圆柱体和两平行面所限制，所述两圆柱
体和轴A-A同轴，两平面和轴A-A垂直，被磁化的永久磁铁大体上与
圆柱体的表面垂直，永久磁铁的长度(S+L)是在与轴A-A平行的方向
量度，其中S和L按如下定义；
    b)多个固定且大体上具有相同的磁通量环形件，它们由铁磁材料
构成，磁通量环形件一般从轴A-A径向向外延伸，每一磁通量环形件
均具有一对由与轴A-A平行量度的距离S分开的空气间隙，所述全部
成对的空隙由两个圆柱表面限制，所述两个表面与轴A-A同轴，每一
空隙均具有与轴A-A平行地量度的长度L，所述永磁环位于多个成对
的空隙中并能在和轴A-A平行的方向移动，所移动的距离以X表示，
由在空隙中使环形磁铁轴向对中的位置量度；
    c)一电枢线圈，其围绕全部磁通量环形件的中央部分；以及
    d)一个或多个所述磁通量环形件的区域，在该区域为要使所述环
形磁铁上产生轴向对中磁力，包括所述区域的铁磁材料会在|X|＝L/2
和电枢线圈里的电流等于零时被磁饱和，所述磁饱和被定义为磁场强
度H超过20奥斯特。
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