CN1756053B - 磁阻式直线振荡电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁阻式直线振荡电动机，它是将两个励磁线圈(2-1和2-2)轴向组合并分别利用了单相交流电正负两个半周的脉动直流励磁，轮流导通于在电机两端的两个励磁线圈(2-1和2-2)并使磁场在电机两端形成的来回变位，电机内部的圆柱形动子铁心(8)则依靠“磁阻最小原理”跟随磁阻的来回变位，在缸体(1)内进行直线往复运行，具有双向输出功能，利用其本身具备压缩机柱塞和缸筒的特征，通过电机两端由四个单向控制阀组成的桥式整流管路，实现液体或气体的连续性输出，因为电机当中采用硅脂润滑剂，可以使空气压缩机吐出的高压气中不会含油，把磁阻式直线振荡电动机的双向输出结构分解后，还可以为冲击，冲压机械的独立动力源直线驱动装置使用，并使这些机械设备的构造变的非常简单。

Description

磁阻式直线振荡电动机

技术领域：

本发明涉及一种直线电动机，尤其是涉及一种利用“磁阻最小原理”将电能直接转换成直线往复运动机械能而不经过任何中间转换机构的磁阻式直线振荡电动机，本发明还涉及到该电动机的一体化应用装置，供电方法以及将双向输出结构分解成单向输出结构的方法。

背景技术：

日本日东工器公司制造的一种：“动铁心式直线电动机驱动的空气压缩机(AIO15-0920)”其作为空调器和电冰箱的关键部件，它是“采用50Hz电源，经二极管整流供电”使电动机当中与励磁线圈呈横轴向设置的动子铁心。“在正半周时推动活塞向上，负半周时，用弹簧顶回”进行工作，被认为是一种非常成熟的产品。(中国版本图书馆CIP数据核字(2000)第08187号《直线电动机原理与应用》第342，343页；叶云岳编著。机械工业出版社出版)。

但通过对这种动铁心式直线电动机以及它与空气压缩机的组合应用，进行研究后发现，它依然存在以下几个方面的不足：

(1)现有技术在对单相交流电的整流利用过程中，只是利用了电源电压的半个波形，即：利用交流电一个半周的脉动直流，同时供给两个励磁线圈，产生电机的内部磁场力，存在对电源电压的利用不足。

(2)现有技术为单向输出结构，在输出当中，动子铁心受蓄能复位弹簧的约束反力作用，增加了电机的无功损耗和降低了电动机的有效输出能力。

(3)现有技术的动铁心式直线电动机，在作为空气压缩机的动力装置组合应用时，动子铁心依靠顶杆推动活塞在外置的缸体内进行能量的转化与输出，造成应用装置的体积增大很多。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种可以利用单相交流电正负两个半周的脉动直流，并具有双向输出功能的磁阻式直线振荡电动机。这种电动机除了不依靠蓄能复位弹簧而动子铁心可以进行直线往复运动外，最突出的优点是：它本身具备了压缩机缸筒和柱塞的特征，能够非常方便地与空气压缩机、液压泵等，进行一体化组合应用，实现从电能、机械能到压力能的一次性转换与输出、几乎不用增体积和成本，而且还可以将它的双向输出结构分解成单向输出结构并作为单向直线驱动装置来使用，适用于电动缝纫机、石材雕刻机和电磁冲床等机械。

本发明的磁阻式直线振荡电动机，是将两个励磁线圈同轴设置，并将它们的骨架用非磁性金属材料或用耐高温、耐摩擦和电气性能优良的工程塑料制成一体，作电机的缸体，又在缸体内设置一个用非铁磁材料制作的缸套，其外圆柱面上带有螺纹线并用硅脂涂敷.通过两端的螺母与垫片将其固定于电机的中心部位，也可以用两个非磁性材料的端盖(图中未示)取代结构当中的垫片于电机的筒形外壳联为一体，然后又在缸套内设置一个用铁磁材料制作并大于一个励磁线圈长度的圆柱形动子铁心，构成整个电动机的运动机构.电机外壳用铝合金材料或用耐腐蚀、耐冲击和高强度的工程塑料制作并与电机缸体外园上的侧向支承部联接固定.还在两个励磁线圈对应的机壳上，开有多个散热窗，通过这些散热窗，用硅橡胶灌封胶粘剂或有机硅树脂胶粘剂对内部的励磁线圈和剩余空间进行浸渍灌封.工作时，两个励磁线圈分别利用单相交流电正负两个半周的脉动直流或直流电通过功率半导体开关构成的变换器所提供的脉动直流轮流励磁，使磁场在电机两端形成来回变位.而圆柱形动子铁心则遵循“磁阻最小原理”并依靠其产生的电磁吸力，从被断电励磁线圈的一端，拉入到通电励磁线圈的一端，使其内部的磁导成为最大和磁阻变为最小.然后随着该端励磁线圈的断电和另一端励磁线圈的导通，圆柱形动子铁心跟随磁场变位，返回另一端通电励磁线圈的内部，使其内部的磁导成为最大和磁阻达到最小，通过这种连续不断地轮流导通和关断两个励磁线圈的电流，使电机内部的磁场不停地来回变换位置，形成了圆柱形动子铁心的直线往复运行.

在本发明中，圆柱形动子铁心为单一整体，其两端的外圆上各有一个环状凸起的磨合部。二者之间为一个径向缩减区域，它被用来敷设硅脂润滑剂。

本发明中，为了减小圆柱形动子铁心的惯量以增加其动态响应速度，将实心体的圆柱形动子铁心改为空心体，其内部充装高粘度硅油或硅脂或用耐高温和电气性能优良的高弹态材料充填封闭。也可以在圆柱形动子铁心的两端开出沉孔来达到减少重量的目的。

在本发明中，圆柱形动子铁心的两端部，还可以设置有耐高温耐摩擦和具有自润性的塑料密封环，其外径与圆柱形动子铁心两端磨合部的外径一致。

在本发明中，还可以将非铁磁材料的缸套以及两端的联接固定件螺母与垫片一并去除，而使圆柱形动子铁心直接与非铁磁材料的缸体形成配合，以此来降低电机的制造成本。

本发明磁阻式直线振荡电动机的供电方法，即采用了一种单相交流电的分相整流方法，它是将单相交流电通过并联支路间互为倒置的整流管、分别把正负两个半周的脉动直流，轮流导通于串联在两条并联支路上的励磁线圈进行工作。而串联在两条并联支路上的两个励磁线圈，就是磁阻式直线振荡电动机当中的两个励磁线圈。

本发明磁阻式直线振荡电动机的又一种供电方式：即采用直流电通过功率变换器提供的脉动直流轮流导通于两个励磁线圈进行工作，不同的是，在功率变换器当中的保护电路部分，是用两个二极管各自从每个励磁线圈的输入端串联至另一个励磁线圈的输出端，使它们闭环和形成电连接。这样便使被断电励磁线圈在瞬间产生的高压过电流，不用经过电路当中的任何一个开关管而直接续流馈电给下一相应通电的励磁线圈，从而起到保护开关管的作用。为了防止高压过电流反向击穿开关管和对电网形成冲击破坏。同时还在电路中的两条并联支路上串联了两个保护二极管。这种形式的保护电路还可以适用于两相或多相开关型磁阻电动机。

一种磁阻式直线振荡电动机与柱塞式压缩机的一体化应用装置一-单柱塞双作用压缩泵.它是利用磁阻式直线振荡电动机本身具备压缩机“缸筒”和“柱塞”的特征.依靠圆柱形动子铁心在电机当中的直线往复运行，使两个被圆柱形动子铁心所界定的两个无杆密封工作腔的容积产生互为相反的同步变化而形成液体或气体的吸入和压出，同时又通过电机两端由四个单向控制阀组成的桥式整流管路的配流作用，实现了液体或气体的连续性吸入和压出，因为两个无杆密封工作腔共用一个动子铁心作“柱塞”同时工作，便产生了单柱塞双作用的效果.由于这种压缩机可以实现一机多用，在作为空气压缩机、液压泵、真空泵、抽水机、高压喷射器、喷雾器、水中增氧机(兼有空气净化作用和水质磁化作用)，双作用连续增压器等使用时；只需  其结构不存在实质性的改变。普通技术人员都可以实现，所以同属于本发明的保护范围。

一种直通式单向柱塞泵，利用磁阻式直线振荡电动机本身具备压缩机缸筒和柱塞的特征，将电动机的任意一端指定为输出端，并在该端安装一个单向控制阀，再从空心体的圆柱形动子铁心内部设置一个单向控制阀，并使两个单向控制阀的正方向全部指向输出端的输出方向。工作时，依靠圆柱形动子铁心在电机内部的直线往复运行，使输出端密封工作腔的容积产生变化，并通过两个单向控制阀的协同配流作用，实现液体或气体的单向移动。

磁阻式直线振荡电动机之所以具有双向输出功能，实质上就是因为采用了两个励磁线圈同轴设置和轮流导通的结果，如果将它们重新分开和供给脉动直流电，便恢复了单向输出的直线驱动功能，其方法就是把磁阻式直线振荡电动机当中同轴设置的两个励磁线圈去除其中一个，并重新调整所保留励磁线圈在缸套轴线上的位置或对缸体的端部进行延长。然后在电机两端各增加一个带孔的端盖，对缸套或缸体的端部进行封闭和在圆柱形动子铁心的两边安装一对中位弹簧，又在圆柱形动子铁心的中心孔位上设置一个输出杆，该输出杆通过带孔的端盖伸出装置之外与工作部连为一体，通过中位弹簧调整圆柱形动子铁心的中位线在断电状态下于励磁线圈的中位线的不对齐位置偏差，来改变圆柱形动子铁心的行程大小，这种具有单向输出功能的直线驱动装置，可作为电动缝纫机、石材雕刻机、电磁冲床等机械设备的独立动力源直线驱动装置来使用，它采用脉冲直流、单极驱动，进行工作。

综合上述，本发明相对于现有技术、具有如下的有益效果：

(1)本发明的磁阻式直线振荡电动机的供电方式，把单相交流电正负两个半周的脉动直流分成两相使用，并分别供给电动机当中的两个励磁线圈，比现有技术使用半波整流和把单相交流电一个半周的脉动直流同时供给两个励磁线圈的方法，电源电压的利用率提高一倍。

(2)本发明的磁阻式直线振荡电动机，具有双向输出功能，圆柱形动子铁心依靠电机两端交替产生的内部磁场力，形成具有磁阻性质的推挽振荡的直线往复运动，取消了现有技术中，动子铁心依靠蓄能复位弹簧的顶力来完成其单向输出过程中的直线往复运行，减少了电机的无功损耗和提高了电动机的有效输出能力。

(3)本发明的单柱塞双作用压缩泵，利用磁阻式直线振荡电动机的内部，具备柱塞式压缩机“缸筒”和“柱塞”的特征，取替了现有技术中外置的缸筒、活塞和动子铁心的顶杆以及蓄能复位弹簧，实现了从电能、机械能到压力能的一次性转换输出，几乎不用增加体积和成本。

(4)本发明的磁阻式直线振荡电动机，因为在圆柱形动子铁心的内外部及缸套的外部和两端均采用了硅酮阻尼材料，而现有技术还未曾有在电机内部采用阻尼措施来达到减少振动和抑制躁声的先例。

附图说明：

下面结合附图和具体的实施方式，对本发明作进一步的详细描述：

图1是本发明磁阻式直线振荡电动机的具体结构剖示图。

图2是一种在两端部带有沉孔的圆柱形动子铁心，它可以和图3、图4所示的圆柱形动子铁心互换使用。

图3是一种两端带旋塞密封件(28和29)的圆柱形动子铁心，它可以和图2、图4所示的圆柱形动子铁心互换使用。

图4是一种空心体的圆柱形动子铁心，它与图2、图3所示的圆柱形动子铁心互换使用，并统一称之为圆柱形动子铁心。

图5是本发明磁阻式直线振荡电动机利用单相交流电的整流供电方法，即采用单相交流电的分相整流电路。

图6是本发明磁阻式直线振荡电动机利用直流供电的方法，即采用功率变换器来获得周期性脉动直流轮流导通与电机当中的两个励磁线圈，其创新点在于它的保护电路。

图7是本发明单柱塞双作用压缩泵的简图。

图8是本发明直通式单相柱塞泵的简示图。

图9是一种具有单向输出功能的直线驱动装置的结构剖示图。

具体实施方式：

按照图1所示，本发明磁阻式直线振荡电动机是将两个励磁线圈2-1和2-2同轴设置，并将它们的骨架用聚酰亚胺工程塑料制成一个独立的整体当作电机的缸体1。又在缸体1内设置一个用普通黄铜制作的缸套3，其外圆侧面被加工成螺纹面并以硅脂涂敷后，通过两端的黄铜螺母4和5与硅橡胶垫片6和7，将其固定在电机的中心部位，然后又在缸套3内放置一个总体尺寸不小于一个励磁线圈长度的圆柱形动子铁心8，该圆柱形动子铁心8用硅钢制造，并对两端的磨合部表面进行镀铬加硬。为了减小圆柱形动子铁心8的惯量，提高其动态响应速度，故将圆柱形动子铁心8制成空心体后，用硅橡胶充填密封。为了减小圆柱形动子铁心8与缸套1内壁的摩擦面和保持良好的润滑性，分别在圆柱形动子铁心8的两端及中间部位，给予径向缩减，在两端的缩减部，分别装有用聚酰亚胺制作的密封环10和11，而对其中间部位上的缩减区域12，则被用来敷设硅脂润滑剂。电机外壳9用聚对苯二甲酸二丁脂制作，其与缸体1外圆上的侧向支承部联接固定，并在每个励磁线圈所对应的部位，开有两个对称的散热窗。通过散热窗用有机硅树脂胶粘剂对其内部的励磁线圈和剩余空间进行浸渍和灌封。工作时，两个励磁线圈2-1和2-2分别利用单相交流电正负两个半周的脉动直流，在电机两端交替地产生各自独立的工作磁场，被磁化的圆柱形动子铁心8则依靠其与通电励磁线圈的中位线不对齐偏差所产生的磁阻拉力，从断电励磁线圈一端的内部被拉向通电励磁线圈的一端的内部，使通电励磁线圈的内部的磁导成为最大和磁阻达到最小，然后随着该端励磁线圈的断电和另一端励磁线圈的导通，磁场随之变位，而圆柱形动子铁心8则依靠“磁阻最小原理”重复以上过程和跟随磁场变位，形成直线往复运行。

为了简化工艺和降低电机的制造成本，本发明的磁阻式直线振荡电动机还可以采用这样的一种简单结构，即：将非铁磁材料的缸套3及其两端的黄铜螺母4和5与硅橡胶垫片6和7去除，而使圆柱形动子铁心8直接与非铁磁材料的缸体1形成配合.

按照图2所示，这种圆柱形动子铁心8的两端，各有一个沉孔，两个沉孔对称设置而不相贯通，沉孔内由硅橡胶材料14和14′，给予充填。

按照图3所示的圆柱形动子铁心8中心孔的两端各有一个旋塞密封件28和29，和在其圆柱形动子铁心8外圆侧面中部的径向缩减区域12中布有小孔15和16于内部相通，在圆柱形动子铁心8的内部充满硅脂。

按照图4所示的圆柱形动子铁心8其内部设置成轴向通孔，并用硅橡胶材料9充填密封。

按照图5所示，本发明磁阻式直线振荡电动机的供电方法，采用的是一种单相交流电的分相整流电路，即：将单相交流电通过并联支路间互为倒置的整流二极管V₂V₁和V₃V₄把正负两个半周的脉动直流，分别供给串联在两条并联支路上的两个励磁线圈2-1和2-2进行工作，需要注意的是，在磁阻式直线振荡电动机当中，两个励磁线圈2-1和2-2通电电流的极性相同和选用与电源频率相适应的快恢复二极管。

按照图6所示，本发明磁阻式直线振荡电动机的又一种供电方法，是采用直流电(或交流整流)通过功率半导体开关构成的变换器所提供的周期性脉动直流，轮流导通和关断电机当中的两个励磁线圈2-1和2-2进行工作，为了防止被关断励磁线圈在瞬间产生的高压过电流，对三极管造成损害，在每个励磁线圈的输出端和另一个励磁线圈的输入端之间都串联了与功率变换器自身开关速度相适应的快恢复二极管(图中的V₇和V₈)形成电连接。这样使每一个励磁线圈在每一次被关断时所产生的瞬时高压过电流都能及时地馈电给下一相应通电的励磁线圈，而无需经过电路当中的任何一个三极管而完成续流，这样就起到了对三极管的保护作用，为了防止高压过电流有可能对三极管造成反向击穿而冲击电网，同时又在电路中增加了保护二极管V₅和V₆。

按照图7所示，本发明的单柱塞双作用压缩泵，是利用磁阻式直线振荡电动机本身具备压缩机“缸筒”和“柱塞”的特征，在非铁磁材料缸套3的两端各安装有两个控制出入的单向阀，工作时，依靠圆柱形动子铁心8在非铁磁材料缸套3内的直线往复运行，使被圆柱形动子铁心8所分隔成的两个无杆密封工作腔18和19的容积产生互为相反的同步变化。各自产生液体和气体的吸入和压出。因为两个无杆密封工作腔18和19共用一个圆柱形动子铁心8做“柱塞”同时工作，便产生了“单柱塞双作用”的效果，然后把非铁磁材料缸套3两端交替产生的脉动吸入和脉动压出的同名端，各自用三通管给予汇集，便形成了连续性的吸入和压出，这种压缩泵在不改变结构的前提下，可以实现一机多用，直接把它作为空气压缩机、液压泵、真空泵、抽水机、高压喷射器、喷雾器、水中增氧机、空气净化器、水质磁化泵和双作用连续增压器等使用，只需用管件与工作部进行联接即可。普通技术人员都可以实现。’

按照图8所示，本发明的直通式单向柱塞泵，是利用磁阻式直线振荡电动机本身具备压缩机“缸筒”和“柱塞”的特征，将电动机的任意一端，指定为输出端，并在该端安装一个单向控制阀，再从内部带有通孔的圆柱形动子铁心8的一端，通过一个插装块体25及其连接螺纹，把一个就位弹簧26和球形阀心27装置在圆柱形动子铁心8的中心孔内，成为一个单向控制阀，在插装块体上的中心孔为内六角通孔，可作为工具孔使用并兼有单向控制阀的管路作用.工作时，依靠圆柱形动子铁心8在非铁磁材料缸套3内的直线往复运动，使输出端密封工作腔19的容积产生变化，并通过两个单向控制阀的协同配流作用，实现液体或气体的单向移动，这种直通式单向柱塞泵的优点是具有自冷却功能.

按照图9所示，将磁阻式直线振荡电动机的双向输出结构分解成单向输出结构来使用的方法：它是将磁阻式直线振荡电动机当中的两个励磁线圈2-1和2-2去除其中一个(如2-1)后，重新调整所保留的励磁线圈2-2和非铁磁材料缸套之间的相对位置，然后在非铁磁材料缸套3的两端各增加一个带孔的端盖20和21又在圆柱形动子铁心8的两边安装一对中位弹簧22和23和在圆柱形动子铁心8的中心孔位上设置一个输出杆24，该输出杆24通过带孔的端盖20和21伸出装置之外，通过中位弹簧22和23调整励磁线圈2-2和圆柱形动子铁心8在断电状态下二者的中位线不对齐偏差来改变圆柱形动子铁心8的工作行程，使用单向电流励磁进行脉冲式工作。

Claims (6)

1.一种磁阻式直线振荡电动机，由非铁磁材料的缸体、缸体内的圆柱形动子铁心和轴向并列设置在非铁磁材料缸体上的两个励磁线圈、以及与非铁磁材料缸体外圆上侧向支承部联接固定的电动机外壳构成；工作时，用相位不同的脉冲直流轮流供电给两个励磁线圈，使它们交替地产生各自独立的工作磁场以及使工作磁场在电动机的两端形成来回变位，而圆柱形动子铁心，则依靠“磁阻最小原理”并跟随磁场的来回变位，在非铁磁材料的缸体内形成直线往复运行，其特征是：所述磁阻式直线振荡电动机是将两个励磁线圈(2-1，2-2)同轴设置，并将它们的骨架合为一体，作为电动机的缸体(1)，又在缸体(1)内设置了一个由非铁磁材料制作的缸套(3)并通过电动机两端的非磁性螺母装置(5，7)将其固定在电动机的中心部位，然后，在非铁磁材料缸套(3)内放置一个长度不小于一个励磁线圈长度的实心或空心圆柱形动子铁心(8)构成整个电动机的运动机构，所述实心或空心圆柱形动子铁心(8)的外圆侧面中间部分为一径向缩减区域(12)，它可以被用来敷设硅脂润滑剂。

2.按照权利要求1所述的磁阻式直线振荡电动机，其特征是：所述圆柱形动子铁心(8)为空心时，其内部可采用阻尼材料进行充填和封闭。

3.按照权利要求1或2所述的任何一种磁阻式直线振荡电动机，其特征是：所述圆柱形动子铁心(8)两端亦有径向缩减部分，并在缩减部分设有自润滑材料制作的密封环(10，11)。

4.按照权利要求1或2所述的任何一种磁阻式直线振荡电动机，其特征是：它还可以将其结构当中的非铁磁材料缸套(3)及其两端的固定联接件(4、5、6、7)一并去除，而使实心或空心圆柱形动子铁心(8)直接与非铁磁材料缸体(1)的内壁构成平行平面移动副。

5.按照权利要求1或4所述的任何一种磁阻式直线振荡电动机，其特征是：在每个励磁线圈(2-1，2--2)的输出端串联一个二极管与另一个励磁线圈的输入端之间形成电连接。

6.按照权利要求1或4所述的任何一种磁阻式直线振荡电动机，其特征是：在所述圆柱形动子铁心(8)为空心时，可以在其内部设有单向控制阀。

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