CN212752096U - 轨道式无槽有铁芯平板直线电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了轨道式无槽有铁芯平板直线电机，初级产生的行波磁场被次级切割所产生的电动势及电流与气隙磁场相作用产生直线向的推动力；初级包括初级线圈，次级包括超导线圈或带背铁的永磁材料；多个初级线圈按磁场平行秩序而沿直线向列布置；初级铁芯两端各悬置有对应磁级的超导线圈或带背铁的永磁材料；超导线圈随推动力产生直线位移，使相邻两初级线圈与其各端部相对应的初级铁磁根据磁场发生方向形成完整的磁力线闭合回路；两端侧的超导线圈固定于所述动子上，且动子与定子之间通过平行于所述初级线圈布置列向的直线轨道来运动导向。

Description

轨道式无槽有铁芯平板直线电机

技术领域

本实用新型涉及直线电动机子系统，特别是轨道式无槽有铁芯平板直线电机。

背景技术

轨道式无槽有铁芯平板直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。轨道式无槽有铁芯平板直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。

轨道式无槽有铁芯平板直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：一是结构简单，由于轨道式无槽有铁芯平板直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降；二是定位精度高，在需要直线运动的地方，轨道式无槽有铁芯平板直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度；三是反应速度快、灵敏度高，随动性好；四是工作安全可靠、寿命长。

无槽有铁芯平板电机除了将铁芯安装在钢叠片结构然后再安装到铝背板上，铁叠片结构也用在指引磁场和增加推力。当磁轨和动子之间产生的吸力和电机产生的推力成正比，叠片结构导致接头力产生，因此，无槽有铁芯比无槽无铁芯电机有更大的推力。

例如中国发明专利《双定子无动子轭有取向硅钢片永磁轨道式无槽有铁芯平板直线电机》，申请号为2017113908761，公开了一种U形双定子结构的轨道式无槽有铁芯平板直线电机。其动子线圈在推动力下沿着导轨产生直线位移。虽然该方案能够提高轨道式无槽有铁芯平板直线电机单位体积下推力密度，但是由于此专利中动子由取向硅钢片叠压成铁芯块，然后缠绕铜线制成，导致动子质量较大，动子质量大小将会直接影响推力对动子的作用效果。而且次专利动子线圈需要与电源连结以保证电流的通入，在特定的往复运动的应用工况中可以较好的应用，但在本专利所描述的用于电磁弹射的长定子直线电机中，将会由于动子与电源接线问题而增加不必要的加工难度。以动子线圈进行的推力位移会增加结构负重及控制难度，尤其是对于高精密控制应用场景中，动子线圈的位移惯性较大，不仅对于电机控制，而且对于运行精度都会带来较大的影响。

实用新型内容

本实用新型目的是：提供轨道式无槽有铁芯平板直线电机，解决了定子线圈位移的诸多难题，同时解决了整体结构复杂且运行效率不高的问题。

因此所采用的技术点包括：

1.降低动子质量，提升加速度；

2.大磁场大气隙，提升气隙降低端部效应，增加气隙磁密提升推力密度；

3.U形无磁轭双动子，抵消单边电磁拉力；

4.无磁轭定子，磁路无旋转，可使用磁性更好的各向异性导磁材料，如取向硅钢，提升系统密度；

具体的，本实用新型的技术方案是：无槽有铁芯平板轨道式无槽有铁芯平板直线电机，其结构包括：初级、次级。初级主要是定子线圈、次级主要为动子铁磁。与现有技术相比较，直观的结构差异在于将质量较大、布置接线较为困难的线圈作为定子，而相对质轻、拆卸方便的铁磁作为位移的动子。

本方案中，初级包括定子上的初级线圈，次级包括动子上的超导线圈或带有背铁的永磁材料。

初级线圈，包括硅钢片、绕组线圈；绕组线圈绕设于取向型硅钢片上。

当多个初级线圈按磁场平行秩序而沿直线向列布置，线圈通电后会根据安培定律(右手螺旋法则)产生磁场。

超导线圈，包括背铁、超导线圈；超导线圈或永磁材料布置于背铁上。

永磁材料通常为钕铁硼、钐钴类稀土永磁体。动子背铁的材料可以选用高导磁软磁材料，如通用的硅钢片、坡莫合金、铁基非晶等软磁材料。

对于超导线圈材料的限制如：

1.超导带材由钇系、镧系、钡系或铌系等合金超导材料制成。选择合金超导体的判别标准在于其可以提供较高的超导转变临界温度，优选的种类为高温超导体；

2.跑道式超导线圈在绕制是需要进行层间绝缘处理，可以在高温带带材表面制作绝缘层，或在超导带材绕制时浸绝缘树脂材料如环氧树脂等；

3.超导带材中的超导层为脆性材料，容易损坏，因此在超到跑道式带材绕组的绕制过程中，需严格控制绕制曲率，以保证超导材料不因大曲率的绕制而发生脆性损坏。判别标准为，曲率导致的材料伸长率≤0.2％

当定子线圈两个磁极端处布置有具有同向磁力线的超导线圈时形成一个加强的磁力场，磁力线的路径从当前N极向对应的S极。

当定子线圈两个磁极端处布置有具有同向磁力线的超导线圈时形成一个加强的磁力场，磁力线的路径从当前N极向对应的S极。

若以相邻两个初级线圈为一组，两个线圈的磁场方向互异，同时各初级线圈的两端对应有相应的磁体时。这相邻的两组单元会根据磁场发生方向形成完整的磁力线闭合回路。

因此，当初级线圈通电产生的行波磁场，超导线圈在行波磁场被切割时所产生的电动势及感应电流与气隙磁场相作用时产生推力，由于定子线圈为固定式，那么相应的动子铁磁就会产生直线向的推动力。

具体的，动子的弹射动力则是根据电磁弹射原理进行的，在初级线圈与超导线圈所产生的磁力线闭合回路中，经过超导线圈绕制中心的磁力线闭合回路与对应位置初级线圈的磁场形成耦合并产生同推动力方向流动的感应电流，该磁场对在其中流动的电荷产生推力作为弹射力。

在本方案中，初级线圈布置在一个定子座上，在定子座的顶面上形成两个向上凸起的竖端部，初级线圈安装在两个竖端部形成的直槽中，槽顶部并封闭。对应地，在竖端部上开设有用于嵌入安装的通孔。初级线圈内部的取向型硅钢片在叠压后成块，硅钢片的端部嵌入通孔中。

超导线圈与初级线圈的极端产生对应，超导线圈则固定在一倒U型的动子板上，确保超导线圈与初级线圈处于同一高度及合适的气隙要求。

动子板同时与定子座之间布置一个导向结构，本方案中的导向结构为直线轨道，在定子座上布置直线轨道，直线轨道的延伸方向与动子运动方向相同。同时，在动子板上固定滑块，滑块与直线轨道配套使用，可以保障导向和稳定的多重效果。

优选的是，相邻初级线圈之间的间距为对应取向型硅钢片宽度的20％～30％。若两个初级线圈隔得越远，则产生的气隙磁场越弱，同时保证气隙磁场均匀的极靴就要越细长。若两个初级线圈隔得近的话，装配制造就更加困难，冷却水道的排列就比较难，水流量减少，冷却效果不佳。

优选的是，超导线圈之间的间隔需要确保在任意移动位置时，两个相邻的超导线圈能够与当前位置的两个初级线圈产生磁力线闭合回路。

优选的是，超导线圈与硅钢片端面之间形成的气隙为1～5mm。

本实用新型的优点是：本结构布置合理，采用定子线圈和动子铁磁的设计，可以使得结构得到大幅度优化，解决定子线圈布置的诸多难题。同时，动子质量得到大幅度减小，为系统和结构减轻压力。并且，控制负荷小，响应速度快。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的结构侧视图；

图3为定子线圈与动子铁磁的配合关系示意图；

图4为定子线圈与超导线圈之间的磁力线示意图；

图5为电磁推力发生的原理图；

其中：1、定子；2、动子；3、直线轨道；4、定子线圈；5、超导线圈；6、永磁材料；7、背铁。

具体实施方式

本实用新型的较佳实施例1：

该直线电机包括：定子1、动子2，定子1上布置线圈、动子2上布置超导线圈5。因此在运行时，动子质地较轻，运行灵活，而定子线圈上布置传感设备或线圈接线也相对容易。

定子1与动子2之间的位移导向则通过磁悬浮结构实现，磁悬浮轨道与定子线圈的排列方向相同，动子2上同时布置有与磁悬浮轨道配合的超导线圈5，因此动子2可以实现导向位移，且摩擦小、噪音小。

具体的，

定子1包括一个定子座，本实施例中定子座上端为平面，平面两侧的竖直端上开设通孔，定子线圈4则通过其中心硅铁片的两端嵌装在通孔中。定子线圈4呈直线排列，确保相邻定子线圈4的磁场平行。

相邻定子线圈4之间的间距为其硅钢片宽度的20％～30％，本实施例中优选25％。

在定子线圈4上覆盖一块隔绝磁场的盖板，定子线圈4的两个极端则露于定子座外可以与移动的动子进行磁力配合。

定子座的底部两侧呈斜面的锥状，在斜面上布置磁悬浮轨道，该磁悬浮轨道与定子线圈4的排列方向相同。

动子板呈“龙门”式配合在定子座上，动子板两侧均布置有与定子线圈4向匹配的超导线圈5，超导线圈5与硅钢片端面之间形成的气隙为1～5mm。

动子板的底部同时布置有配合磁悬浮轨道的超导线圈5，超导线圈5与磁悬浮轨道间的高度在5-20mm之间，可以稳定控制，而且快速响应。

本实用新型的较佳实施例2：

初级包括定子线圈4，次级包括带有背铁7的永磁材料6。

定子线圈4，包括取向型硅钢片、绕组线圈；绕组线圈绕设于取向型硅钢片上。

动子铁磁，包括背铁、永磁材料6；永磁材料6布置于背铁7上。

当多个定子线圈4按磁场平行秩序而沿直线向列布置，线圈通电后会根据安培定律(右手螺旋法则)产生磁场。

当定子线圈4两个磁极端处布置有具有同向磁力线的磁体时形成一个加强的磁力场，磁力线的路径从当前N极向对应的S极。

若以相邻两个定子线圈4为一组，两个线圈的磁场方向互异，同时各定子线圈4的两端对应有相应的磁体时。这相邻的两组单元会根据磁场发生方向形成完整的磁力线闭合回路。

因此，当定子线圈4产生的行波磁场被动子铁磁切割所产生的电动势及电流与气隙磁场相作用时，由于定子线圈4为固定式，那么相应的动子铁磁就会产生直线向的推动力。

同时，在定子座上布置直线轨道，直线轨道的延伸方向与动子运动方向相同。并且在动子板上固定滑块，滑块与直线轨道配套使用，可以保障导向和稳定的多重效果。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.轨道式无槽有铁芯平板直线电机，包括：初级、次级；初级产生的行波磁场被次级切割所产生的电动势及电流与气隙磁场相作用产生直线向的推动力；其特征在于：初级包括定子上的初级线圈，次级包括动子上的超导线圈或带背铁的永磁材料；

多个初级线圈按磁场平行秩序而沿直线向列布置；初级铁芯两端各悬置有对应磁级的所述超导线圈；超导线圈随推动力产生直线位移，使相邻两初级线圈与其各端部相对应的超导线圈根据两者磁场发生方向形成完整的磁力线闭合回路；而经过超导线圈绕制中心的磁力线闭合回路与对应位置初级线圈的磁场形成耦合并产生推动力方向流动的感应电流，该磁场对在其中流动的电荷产生推力；

两端侧的超导线圈固定于所述动子上，且动子与定子之间通过平行于所述初级线圈布置列向的直线轨道来运动导向。

2.根据权利要求1所述的轨道式无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：两端侧的超导线圈以两两相对的位置关系布置，位置相对的两个超导线圈的磁场方向相反。

3.根据权利要求1所述的轨道式无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：同一端侧的相邻两个超导线圈的磁场方向相反。

4.根据权利要求1所述的轨道式无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：所述定子上包括用于嵌装硅钢片两端的凸起部；所述初级线圈的两端与所述凸起部装配并形成沿推动力方向的直槽状布置。

5.根据权利要求4所述的轨道式无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：所述凸起部上包括嵌装所述硅钢片端部的通孔。

6.根据权利要求1所述的轨道式无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：相邻初级线圈之间的间距为对应硅钢片宽度的20％～30％。

7.根据权利要求1所述的轨道式无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：永磁极与硅钢片端面之间形成的气隙为1～5mm。

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