CN1941573B - 永磁圆筒型单极直流直线电动机 - Google Patents

Abstract

一种永磁圆筒型单极直流直线电动机，其特征在于定子[7]磁路采用串联结构，取消了铁磁部件，磁路经过按一定规律磁化的2n+1个钕铁硼磁环和工作气隙闭合。定子[7]磁路中每个钕铁硼磁环的几何结构和磁化方向具有轴对称性，实现了极性沿周向不变的磁场。动子由与定子同轴的圆盘形骨架[6]和动子线圈[5]组成。动子线圈[5]绕在非导磁的圆盘形骨架[6]上，骨架[6]固联在非导磁的输出轴[1]上，输出轴[1]通过滑动轴承[2]伸出所述电动机的两端盖。本发明工作行程长，轴向输出力大；定子磁路结构简单，制作安装容易，无铁磁部件，可调性好；输出轴两端均可接负载，灵活多用。在大推力的推进装置中可替代超导直线电机。

Description

永磁圆筒型单极直流直线电动机

技术领域

本发明涉及直线电机领域，特别是一种永磁圆筒型单极直流直线电动机。

技术背景

直线电机通常由定子和动子组成。根据运行原理可以分为步进直线电机、异步直线电机和永磁直线电机；根据结构可分为平板型直线电机、双边型直线电机和圆筒型直线电机。圆筒型直线电机的定子和动子同轴布置。相对于平板型和双边型直线电机，圆筒型直线电机具有低焦耳损耗(对于一定的电磁力)、体积小、高比特性、大电磁力密度以及运动垂直方向定子和动子间无吸引力等优点，因而应用日益广泛。

中国专利CN86210542U公开了一种“线性管式永磁同步电动机”，其磁场由励磁方向为径向的永久磁环和交流励磁绕组共同产生；中国专利CN1115131A公开了一种“单极交直流通用电机”，利用高导磁材料所形成的磁回路将常导线圈所产生的磁势在360°空间的圆柱面垂直于电枢转子的气隙磁场；中国专利CN1184370A公开了一种“直线电机”，通过内外磁极产生环形磁场，动子线圈置于内外磁极之间。可见，圆筒型直线电机具有轴对称性，需要一极性沿周向不变的定子磁场，即单极性磁场；当动子线圈电流的方向是周向时，在单极性磁场径向分量的作用下，产生一个轴向的电磁力，推动动子做直线运动。传统的极性沿周向不变的定子磁场通常是由如中国专利CN1115131A所涉及的常导激磁线圈，或中国专利CN1184370A公开的径向充磁的永久磁环产生，通过铁磁部件形成闭合回路。其等效定子磁路如图1所示，由若干充磁方向为径向的永久磁环1(常导激磁线圈可等效为永久磁环)和铁磁部件2组成，永久磁环1沿轴向依次叠加组成并联磁路，永久磁环产生的磁通通过端部铁心和中间铁心以及外围铁心闭合，在磁环1和中间铁心间的环形气隙产生径向分布的磁场。根据磁路定理， $B_m=\frac{F_m}{R_m},$ F_m＝LH，其中B_m为磁通密度，F_m为磁势，R_m为磁路中的磁阻，L为磁路的长度，H为永磁材料的矫顽力，图1所示并联结构的定子磁路，其磁势仅为磁环的径向厚度与矫顽力之积，磁环的轴向叠加只是增加了磁场的轴向长度；高导磁的铁磁部件大大降低了定子磁路的磁阻，却极易饱和。因而该定子磁路只应用在小型永磁直流直线电机中。对于大推力、长行程的直线推进装置，要求助于超导磁体，如中国专利02155351.3公开的一种“超导电磁活塞泵喷推进器”中，采用两组同轴对称布置的超导螺管线圈组成的对极超导磁体产生极性沿周向不变的强磁场，并利用其径向磁场分量与动子线圈中圆周方向的电流相互作用产生轴向的电磁推力。其磁场强度的径向分量可达到0.8T左右，温孔直径为550mm，产生的推力为7285N，但超导设备结构复杂，需要庞大的低温冷却系统，维护困难，成本昂贵，使用很不方便，难以实际应用。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明提出一种永磁圆筒型单极直流直线电动机，可用于大推力、长行程的直线推进装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明直线电动机主要由定子、动子和输出轴组成。动子由与定子同轴的圆盘形骨架、动子线圈组成，动子线圈绕在圆盘形骨架上，圆盘形骨架固联在非导磁的输出轴上，输出轴通过滑动轴承伸出电机的两端盖，输出轴的两端可接负载，作直线推动或直线推动往复运动。

定子由2n+1个钕铁硼磁环组成；定子磁路采用串联结构，取消了铁磁部件，磁路经过按一定规律磁化的2n+1个钕铁硼磁环和工作气隙闭合。为了实现极性沿周向不变的磁场，每个钕铁硼磁环的几何结构和磁化方向具有轴对称性。定子磁路中2n+1个钕铁硼磁环轴向叠加，磁化方向从第1号到第2n+1号按顺时针或逆时针变化，任一轴截面，即RZ平面相邻磁环的磁化方向相差360°/2n；第n+1号磁环的磁化方向为±90°，+为指向磁环圆心，-为背离磁环圆心，以360°/2n的公差向两端第1号和第2n+1号磁环等差变化，直至第1号和第2n+1号磁环的磁化方向为90°。定子磁路中第1至第n号磁环的磁化方向和几何结构与第n+2至第2n+1号磁环的磁化方向和几何结构关于第n+1号磁环对称。定子磁路一路经过第n+1号、第n....第1号，以及工作气隙闭合，另一路经过第n+1号、第n+2....第2n+1号，以及工作气隙闭合，每个磁路的磁势是n+1/2个磁环磁势的和，磁环的轴向叠加不仅增加了磁场的轴向长度，而且增加了磁路的总磁势，从而提高了工作气隙磁场强度和直线电机的行程。

本发明直线电动机定子磁极的长度是2n+1个钕铁硼磁环长度之和，在定子磁极长度范围内，磁极的内部或外部气隙是定子磁场的工作空间；磁化方向从第1号到第2n+1号磁环按顺时针变化时，定子磁场的工作空间是定子磁极的内部，动子可以同轴布置在定子内部气隙空间；磁化方向从第1号到第2n+1号磁环按逆时针变化时，定子磁场的工作空间是定子磁极的外部，动子可以同轴布置在定子外部气隙空间。在圆筒型直线电机中，圆柱形磁场工作空间的大小(直径)决定了动子线圈的平均半径。根据电磁感应定律，

其中I为动子线圈的电流；Br为径向磁场强度；Rc为动子线圈平均半径；N为线圈匝数，其他参数一定的情况下，动子线圈平均半径越大，轴向电磁力就越大。本发明直线电动机的定子磁路在定子磁极径向厚度一定时，动子线圈处的径向磁场强度随着气隙直径的增大而增大，这是对极超导磁体所不能达到的，在增大动子线圈平均半径的同时提高径向磁场强度，从而提高轴向电磁力，得到大的轴向输出力。

本发明直线电动机的定子磁路不存在铁磁部件，磁路磁势的增加不受铁磁部件饱和的影响。因而定子磁极的轴向长度可以通过各磁环轴向长度以及磁环个数(n)的调节得以增长，从而增大直线电机的行程。此外，若干个定子磁极轴向叠加，可以得到周期变化的定子磁场，此时，调节动子线圈中电流的大小和方向就可以控制动子在周期性定子磁场中的直线运动。

本发明工作行程长，轴向输出力大；定子磁路结构简单，制作安装容易，无铁磁部件，可调性好；输出轴两端均可接负载，灵活多用。

附图说明

图1为小型圆筒型直流直线电机的等效定子磁路结构示意图。

图2为永磁圆筒型单极直流直线电动机结构示意图，图中：1输出轴、2滑动轴承、3端盖、4机壳、5动子线圈、6动子骨架、7定子、8定子紧箍壳。

图3为永磁圆筒型单极直流直线电动机定子结构及充磁方向(RZ平面，单位mm)。

图4为永磁圆筒型单极直流直线电动机定子磁力线分布。

图5为不同磁孔直径动子线圈平均半径处径向磁场Br沿轴向距离分布曲线(动子线圈厚度一定，定子磁极内部气隙为磁场的工作空间)，曲线1的磁孔直径为300mm，曲线2的磁孔直径为200mm。

图6为动子线圈电磁力方向示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例进一步说明本发明。

图2为本发明具体实施例永磁圆筒型单极直流直线电动机的结构。它包括输出轴1、滑动轴承2、端盖3、机壳4、动子线圈5、动子骨架6、定子7以及定子紧箍壳8。

定子7由21(n＝10)个等径向厚度的钕铁硼磁环组成，通过非导磁的紧箍壳8卡紧固定，内部磁孔为磁场的有效工作空间。由动子骨架6和动子线圈5组成的动子同轴布置在定子7内部磁孔，动子线圈5绕在非导磁的圆盘形骨架6上，骨架6固联在非导磁的输出轴1上。输出轴1通过滑动轴承2伸出电机的两端盖3。非导磁的机壳4同轴套置在定子7上，端盖3通过螺栓将机壳4紧固为一体。

定子7的磁路结构如图3所示，从最右边第1号磁环到最左边第21号磁环，磁化方向以18°逆时针变化，在定子磁体圆柱形内部空间产生极性沿周向不变的磁场。中间第11号磁环的磁化方向为-90°，背离磁环圆心，以18°的公差向两端第1号和第21号磁环等差变化，直至第1号和第21号磁环的磁化方向为90°，指向磁环圆心。第11号磁环左边10个磁环即第1号至第10号磁环的磁化方向和几何结构与其右边10个磁环即第12至第21号磁环的磁化方向和几何结构关于中间第11号对称。定子磁路经过第11号、第10(12)....第1(21)号，以及工作气隙闭合，每个磁路的磁势是

个磁环磁势的和，其磁力线分布如图4所示。定子磁场的轴向长度是21个磁环轴向长度的和为740mm，磁孔直径为300mm。

动子线圈5的轴向长度为31.25mm，径向厚度为40mm，填充系数为0.685，最大电流密度为26670KA/m²，平均半径为130mm。

动子线圈5平均半径(130mm)处磁场强度径向分量Br沿轴向的分布如图5曲线1所示，磁场强度径向分量Br先是反向正弦分布，过零点后，迅速上升到0.54T，呈平顶波分布，然后快速下降，过零点，反向正弦分布；其中Br＞0的轴向长度约为440mm，平顶波段的轴向长度约为200mm，最大径向磁场强度可达到0.57T。

如保持动子线圈5的厚度、轴向长度、填充系数以及最大电流密度不变，定子的径向厚度以及轴向长度等不变，仅改变磁孔直径到200mm，则动子线圈5的平均半径为80mm，动子线圈5平均半径(80mm)处磁场强度径向分量Br沿轴向的分布如图5中曲线2所示，平顶波段的磁场强度径向分量Br为0.4T。

当磁孔内径向磁场的方向指向磁体内表面时，即图5中径向磁场强度大于0的区域，动子线圈中电流的方向如图6(a)所示，动子线圈5受到向右的电磁力F的作用，电机动子带动输出轴向右做直线运动；改变动子线圈中电流的方向如图6(b)所示，则动子线圈5受到向左的电磁力F的作用，电机动子带动输出轴向左做直线运动。当径向磁场强度随空间发生变化时，改变电流的大小或方向可以保持一定方向和大小的电磁力。

如定子磁路有效工作区取平顶波段，磁孔直径为300mm，则本发明的永磁圆筒型单极直流直线电动机的行程可达到220mm，行程范围内动子线圈5处的径向磁场强度平均为0.5T，可产生10000N的电磁力。当然也可以使电机的行程为整个磁场轴向作用区域，即700mm，通过调节动子电流的大小和方向来控制该行程内动子的运动。

为了进一步提高定子气隙磁密，减小定子的外形尺寸，可以采用内外定子磁极叠加的方式。调节各磁环的轴向长度和径向厚度以及磁环的个数(RZ平面磁化方向变化角度)，可以调节动子线圈处径向磁场Br沿轴向分布曲线，如当定子磁路中各磁环轴向长度相等时，径向磁场Br沿轴向正弦(余弦)分布。此外，若干个定子轴向叠加，可得到周期变化的定子磁场。

本发明适于大推力、长行程的直线推进装置；在大推力的推进装置中可替代超导直线电机，大大降低成本，提高系统装置的可靠性和实用性。

Claims (5)

1.一种永磁圆筒型单极直流直线电动机，主要包括定子[7]、动子和输出轴[1]，动子由与定子[7]同轴的圆盘形骨架[6]、动子线圈[5]组成，动子线圈[5]绕在圆盘形骨架[6]上，其特征在于，定子[7]由2n+1个钕铁硼磁环轴向叠加组成，第1号至第n号磁环的几何结构与第n+2号至第2n+1号磁环的几何结构关于第n+1号磁环对称；定子[7]磁路为串联结构，无铁磁部件，第1号至第n号磁环的磁化方向与第n+2号至第2n+1号磁环的磁化方向关于第n+1号磁环对称，磁化方向从第1号到第2n+1号按顺时针或逆时针变化，任一轴截面相邻磁环的磁化方向相差360°/2n，第n+1号磁环的磁化方向为±90°，以360°/2n的公差向两端第1号和第2n+1号磁环等差变化，直至第1号和第2n+1号磁环的磁化方向为90°，+为指向磁环圆心，-为背离磁环圆心；磁路经过按所述规律磁化的2n+1个钕铁硼磁环和工作气隙闭合；圆盘形骨架[6]固联在非导磁的输出轴[1]上，输出轴[1]通过滑动轴承[2]伸出所述电动机的两端盖[3]。

2.按照权利要求1所述的永磁圆筒型单极直流直线电动机，其特征在于，定子[7]磁路一路经过第n+1号、第n....第1号以及工作气隙闭合，另一路经过第n+1号、第n+2....第2n+1号以及工作气隙闭合，每个磁路的磁势是n+1/2个磁环磁势的和。

3.按照权利要求1所述的永磁圆筒型单极直流直线电动机，其特征在于，定子[7]磁路中2n+1个钕铁硼磁环的磁化方向从第1号到第2n+1号按顺时针变化时，定子[7]磁场的有效工作空间是定子[7]磁极的内部，动子同轴布置在定子内部气隙空间；定子[7]磁路中2n+1个钕铁硼磁环的磁化方向从第1号到第2n+1号按逆时针变化时，定子[7]磁场的有效工作空间是定子磁极的外部，动子同轴布置在定子[7]外部气隙空间。

4.按照权利要求3所述的永磁圆筒型单极直流直线电动机，其特征在于，当定子[7]磁场的有效工作空间是定子[7]磁极的内部时，保持定子磁极径向厚度一定，动子线圈[5]处径向磁场强度随着磁孔直径的增大而增大。

5.按照权利要求1所述的永磁圆筒型单极直流直线电动机，其特征在于，定子[7]磁路中间的三个磁环，即第n、n+1和n+2号磁环的轴向长度大于其余磁环的轴向长度时，动子线圈[5]处径向磁场Br沿轴向成平顶波分布。

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