CN101771326A - 一种具有双层气隙的圆筒形直线电机 - Google Patents

Abstract

一种具有双层气隙的圆筒形直线电机，涉及电机领域，它提高了现有电机体积空间和电机的绕组利用率。外层初级轭为圆筒状导磁铁心，外层初级齿为圆环形导磁铁心，齿和外层绕组沿电机动子运动方向依次间隔排列在轭的内壁上；内层初级非导磁轴为圆筒状非导磁轴，内层初级内层导磁铁心为外表面沿电机动子运动方向依次间隔开有若干个环形槽的导磁铁心，环形槽内绕制有内层初级内层绕组，内层导磁铁心套装在非导磁轴上；中间次级中间导磁铁心为圆筒形导磁铁心，中间次级外和内层Halbach永磁阵列分别粘贴在中间导磁铁心的外和内表面；外层初级与中间次级之间形成外层气隙，内层初级与中间次级之间形成内层气隙。它是具有双层气隙的圆筒形直线电机。

Description

一种具有双层气隙的圆筒形直线电机

技术领域

本发明涉及直线电机领域，具体涉及圆筒形直线电机。

背景技术

传统的直线运动经常由旋转电机输出的旋转运动，经滚珠丝杆副和其他中间传动机构转换为直线运动来实现。复杂中间传动机构的存在，引起误差积累、惯量增大、振动噪声等问题，从而限制了***的精度和动态响应性能。现在，基于直线运动的直接传动技术，省去了中间复杂传动机构，已在机床、电梯等直线运动场合应用，而且其应用领域正逐渐扩大到生产及生活的各领域。其中，圆筒形直线电机具有绕组利用率高、无横向端部绕组、无单边磁拉力等优点，在直线运动场合有很高的实用价值。

发明内容

本发明为了提高现有电机体积空间和电机的绕组利用率的问题，而提出了一种具有双层气隙的圆筒形直线电机。

本发明由外层初级、内层初级和中间次级组成；外层初级由轭、齿和外层绕组组成，轭为圆筒状导磁铁心，齿为圆环形导磁铁心，齿和外层绕组沿电机动子运动方向依次间隔排列在轭的内壁上；内层初级由内层导磁铁心、内层绕组和非导磁轴组成；非导磁轴为圆筒状非导磁轴，内层导磁铁心为外表面沿电机动子运动方向依次间隔开有若干个环形槽的导磁铁心，所述的环形槽内绕制有内层绕组，内层导磁铁心套装在非导磁轴上；中间次级由外层Halbach永磁阵列、中间导磁铁心和内层Halbach永磁阵列组成；中间导磁铁心为圆筒形导磁铁心，外层Halbach永磁阵列和内层Halbach永磁阵列分别粘贴在中间导磁铁心的外表面和内表面；外层初级与中间次级之间形成外层气隙，内层初级与中间次级之间形成内层气隙。

本发明的具有双层气隙的圆筒形直线电机，当电机为动电枢结构时，两个运动电枢可以独立向外输出力和运动，也可以通过合理的电流或电压控制，实现两个电枢以相同的运动状态运动，而输出推力为两个单元圆筒形直线电机产生的推力之和。当电机为动磁钢结构时，中间永磁阵列作为共用动子，其输出推力为两个单元圆筒形直线电机的推力之和。本发明提高了空间和电机的绕组利用率，增大了圆筒形直线电机的推力体积比。本发明中，当圆筒形直线电机的轴径比较小时，采用双层气隙的结构方案，在相同的而体积内，有效气隙面积增大，有效绕组的长度增加，电机的推力增大，从而提高了空间利用率和电机的推力体积比。

附图说明

图1为动电枢结构具有双层气隙的圆筒形直线电机示意图；图2为中间次级11单对极的充磁方向示意图；图3为中间次级11形成的磁场示意图；图4为本发明电机的工作原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式的圆筒形直线电机由外层初级9、内层初级10和中间次级11组成；外层初级9由轭1、齿16和外层绕组2组成，轭1为圆筒状导磁铁心，齿16为圆环形导磁铁心，齿16和外层绕组2沿电机动子运动方向依次间隔排列在轭1的内壁上；内层初级10由内层导磁铁心4、内层绕组5和非导磁轴6组成；非导磁轴6为圆筒状非导磁轴，内层导磁铁心4为外表面沿电机动子运动方向依次间隔开有若干个环形槽的导磁铁心，所述的环形槽内绕制有内层绕组5，内层导磁铁心4套装在非导磁轴6上；中间次级11由外层Halbach永磁阵列3、中间导磁铁心7和内层Halbach永磁阵列8组成；中间导磁铁心7为圆筒形导磁铁心，外层Halbach永磁阵列3和内层Halbach永磁阵列8分别粘贴在中间导磁铁心7的外表面和内表面，外层Halbach永磁阵列3和内层Halbach永磁阵列8中位于同一轴径向位置的一对极充磁方向相反；外层初级9与中间次级11之间形成外层气隙12，内层初级10与中间次级11之间形成内层气隙13。

外层Halbach永磁阵列3和内层Halbach永磁阵列8之间的中间导磁铁心7，既作为粘贴外层Halbach永磁阵列3和内层Halbach永磁阵列8的骨架。

同时，外层Halbach永磁阵列3产生的第一外层主磁通17、第二外层主磁通19和外层漏磁通18，外层Halbach永磁阵列3产生的第一外层主磁通17经外层气隙12、外层初级9形成闭合主磁路，外层Halbach永磁阵列3产生的第二外层主磁通19经中间导磁铁心7、外层气隙12、外层初级9形成闭合主磁路，外层Halbach永磁阵列3产生的外层漏磁通18经中间导磁铁心7形成闭合回路。同理，内层Halbach永磁阵列8产生的第一内层主磁通22、第二内层主磁通21和内层漏磁通20，内层Halbach永磁阵列8产生的第一内层主磁通22经内层气隙13、内层初级10形成闭合主磁路，内层Halbach永磁阵列8产生的第二内层主磁通21经中间导磁铁心7、内层气隙13、内层初级10上的内层导磁铁心4形成闭合主磁路，内层Halbach永磁阵列8产生的内层漏磁通20经中间导磁铁心7形成闭合回路。中间导磁铁心7作为外层Halbach永磁阵列3和内层Halbach永磁阵列8产生的磁场之间起到屏蔽作用，从而减小磁场耦合。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于外层Halbach永磁阵列3中的永磁体均匀粘贴在中间导磁铁心7的外表面上，沿轴向方向每相邻的两个永磁体的轴向中轴线相互重合，沿圆周方向每相邻的两个永磁体的圆周方向中轴线位于同一圆周线上，外层Halbach永磁阵列3的每极有n个永磁体，沿轴向方向位于同一轴向中轴线的永磁体由左往右每极中n个永磁体的充磁方向依次逆时针递增α＝180°/n角度。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。以逆时针旋转方向为正方向，外层Halbach永磁阵列3上，每极下有三个永磁体，每对极下每个永磁体的充磁方向排列为：沿轴向由左往右分别以180°/3递增，设定永磁体3-1沿径向方向充磁30°，永磁体3-2沿径向方向充磁90°，永磁体3-3沿径向方向充磁150°，永磁体3-4沿径向方向充磁210°，永磁体3-5沿径向方向充磁270°，永磁体3-6沿径向方向充磁330°。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于内层Halbach永磁阵列8中的永磁体均匀粘贴在中间导磁铁心7的内表面上，沿轴向方向每相邻的两个永磁体的轴向中轴线相互重合，沿圆周方向每相邻的两个永磁体的圆周方向中轴线位于同一圆周线上，内层Halbach永磁阵列8的每极有m个永磁体，沿轴向方向位于同一轴向中轴线的永磁体由左往右每极中m个永磁体的充磁方向依次逆时针递减β＝180°/m角度。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。以逆时针旋转方向为正方向，内层Halbach永磁阵列8上，每极下有三个永磁体，每对极下每个永磁体的充磁方向排列为：沿轴向由左往右分别以180°/3递减，设定永磁体8-1沿径向方向充磁330°，永磁体8-2沿径向方向充磁270°，永磁体8-3沿径向方向充磁210°，永磁体8-4沿径向方向充磁150°，永磁体8-5沿径向方向充磁90°，永磁体8-6沿径向方向充磁30°。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同点在于所述的n、m为整数，当n≥且m≥5时，外层Halbach永磁阵列3在外层气隙12产生正弦形气隙磁场，内层Halbach永磁阵列8在内层气隙13产生正弦形气隙磁场，两个正弦磁场彼此之间干扰很小，彼此相互独立。其它组成和连接方式与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同点在于外层Halbach永磁阵列3和内层Halbach永磁阵列8中均至少包含有一对极。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同点在于外层Halbach永磁阵列3和内层Halbach永磁阵列8中的永磁体为磁钢块。其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同点在于外层Halbach永磁阵列3和内层Halbach永磁阵列8中的永磁体为瓦片形永磁体，瓦片形永磁体沿圆周方向形成环形永磁阵列。其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同点在于外层绕组2和内层绕组5中的绕组为饼式绕组。其它组成和连接方式与具体实施方式六或七相同。

结合图4原理为：

外层Halbach永磁阵列3及其在外层气隙12内产生的正弦磁场、以及外层初级9可形成一单元圆筒形直线电机14。内层Halbach永磁阵列8及其在内层气隙13内形成的正弦磁场、以及内层初级10可形成另一单元圆筒形直线电机15。中间永磁阵列11上，中间导磁铁心7既作为外层Halbach永磁阵列3和内层Halbach永磁阵列8产生的部分主磁通和漏磁通路径，又能在一单元圆筒形直线电机14和另一单元圆筒形直线电机15的磁场之间起到屏蔽作用，从而减小两个单元圆筒形直线电机之间的磁场耦合。

当中间次级11作为圆筒形直线电机的定子，即作为两个单元圆筒形直线电机14、15的共用定子，此时两个单元圆筒形直线电机均为动电枢结构，彼此之间互相独立，可以通过对外层绕组2和内层绕组5中的电流或电压进行单独控制，从而实现对电机中外层初级9和内层初级10的独立运动控制。也可以通过对外层绕组2和内层绕组5中的电流或电压的配合控制，从而使得外层初级9和内层初级10的配合运动输出。

当中间次级11作为圆筒形直线电机的动子，即作为两个单元圆筒形直线电机14、15的共用动子，此时两个单元圆筒形直线电机均为动磁钢直线电机结构形式。外层绕组2和内层绕组5中供电电流具有相同的频率，共用动子，也即中间次级11的输出力为两个单元圆筒形直线电机的推力之和。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (7)

1.一种具有双层气隙的圆筒形直线电机，其特征在于它由外层初级(9)、内层初级(10)和中间次级(11)组成；外层初级(9)由轭(1)、齿(16)和外层绕组(2)组成，轭(1)为圆筒状导磁铁心，齿(16)为圆环形导磁铁心，齿(16)和外层绕组(2)沿电机动子运动方向依次间隔排列在轭(1)的内壁上；内层初级(10)由内层导磁铁心(4)、内层绕组(5)和非导磁轴(6)组成；非导磁轴(6)为圆筒状非导磁轴，内层导磁铁心(4)为外表面沿电机动子运动方向依次间隔开有若干个环形槽的导磁铁心，所述的环形槽内绕制有内层绕组(5)，内层导磁铁心(4)套装在非导磁轴(6)上；中间次级(11)由外层Halbach永磁阵列(3)、中间导磁铁心(7)和内层Halbach永磁阵列(8)组成；中间导磁铁心(7)为圆筒形导磁铁心，外层Halbach永磁阵列(3)和内层Halbach永磁阵列(8)分别粘贴在中间导磁铁心(7)的外表面和内表面；外层Halbach永磁阵列(3)和内层Halbach永磁阵列(8)中位于同一轴径向位置的一对极充磁方向相反；外层初级(9)与中间次级(11)之间形成外层气隙(12)，内层初级(10)与中间次级(11)之间形成内层气隙(13)。

2.根据权利要求1所述的一种具有双层气隙的圆筒形直线电机，其特征在于外层Halbach永磁阵列(3)的每极有n个永磁体，沿轴向方向位于同一轴向中轴线的永磁体由左往右每极中n个永磁体的充磁方向依次逆时针递增α角度，其中α＝180°/n。

3.根据权利要求1所述的一种具有双层气隙的圆筒形直线电机，其特征在于内层Halbach永磁阵列(8)的每极有m个永磁体，沿轴向方向位于同一轴向中轴线的永磁体由左往右每极中m个永磁体的充磁方向依次逆时针递减β角度，其中β＝180°/m。

4.根据权利要求2或3所述的一种具有双层气隙的圆筒形直线电机，其特征在于外层Halbach永磁阵列(3)和内层Halbach永磁阵列(8)中均至少包含有一对极。

5.根据权利要求4所述的一种具有双层气隙的圆筒形直线电机，其特征在于外层Halbach永磁阵列(3)和内层Halbach永磁阵列(8)中的永磁体为磁钢块。

6.根据权利要求4所述的一种具有双层气隙的圆筒形直线电机，其特征在于外层Halbach永磁阵列(3)和内层Halbach永磁阵列(8)中的永磁体为瓦片形永磁体。

7.根据权利要求5或6所述的一种具有双层气隙的圆筒形直线电机，其特征在于外层绕组(2)和内层绕组(5)中的绕组为饼式绕组。

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