CN103199669A - 多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机 - Google Patents

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Abstract

多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机，属于电机领域，本发明为解决现有永磁直线电机在次级上装不锈钢或非金属纤维材料制成的永磁体固定装置，导致散热困难，而温升可能会最终导致永磁体发生不可逆退磁、限制电机出力、减小功率密度的问题。本发明包括初级和次级，初级设置在次级外部，初级和次级之间沿径向方向有气隙；初级由m个相同的相结构单元构成，每个相结构单元包括中间初级铁心、电枢绕组、两个端部初级铁心和两个永磁体环，中间初级铁心的两侧均设置永磁体环，每个永磁体环的外侧端面设置一个端部初级铁心，次级包括次级铁心和次级轴，次级铁心固定在次级轴上，圆环形的次级铁心的外圆壁上均匀开有多个环形凹槽，凹槽的开口面向初级。

Description

多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机
技术领域
本发明涉及多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机，属于电机领域。
背景技术
目前，我国大多数油田已经步入中后期开采阶段，因此，对采油设备的性能要求也随之提高。然而，多年来大量投入使用的抽油机，无论是游梁式还是无梁式，都是将旋转电机的旋转运动经过复杂的能量转换和传递转变成直线往复运动。这样就不可避免地存在***转换效率低、稳定性差的问题。为有效解决这些问题，直线电机驱动抽油机应运而生。直线电机驱动抽油机不同于传统抽油机，它利用直线电机的直线往复运动直接带动抽油杆上下运动，从而达到将油井内液体提升的目的。直线电机驱动抽油机结构简单、质量小、占地面积小。与相同规格的传统抽油机相比，其质量和占地面积仅为传统抽油机的50%。因此研究应用于抽油机的高效直线电机就极具现实意义。
相比较于传统的基于感应电机，开关磁阻电机原理的直线电机，永磁直线电机以其功率密度大，效率高等优势受到了广泛的关注与应用。在传统的永磁直线电机中，永磁体主要安装在直线电机的次级之上，通常为了防止高速运行时永磁体受到振动的影响而脱落，在次级上都装有不锈钢或非金属纤维材料制成的固定装置，导致散热困难，而温升可能会最终导致永磁体发生不可逆退磁、限制电机出力、减小功率密度等。此外，对于永磁***于次级的直线电机来说，其次级加工工艺也更加复杂。
发明内容
本发明目的是为了解决现有永磁直线电机在次级上装不锈钢或非金属纤维材料制成的永磁体固定装置，导致散热困难，而温升可能会最终导致永磁体发生不可逆退磁、限制电机出力、减小功率密度的问题，提出了一种永磁体安置于电机初级的多相圆筒型磁通切换式直线电机，该直线电机适用于直线抽油机、地铁等大行程应用场合。
本发明所述多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机，它包括初级和次级，初级设置在次级外部，初级和次级之间沿径向方向有气隙，所述气隙宽度为L；
初级由m个相同的相结构单元构成，每相邻两个相结构单元之间的距离为L2，每个相结构单元包括中间初级铁心、电枢绕组、两个端部初级铁心和两个永磁体环，中间初级铁心为圆环形，沿圆周方向在中间初级铁心的内侧壁开一环形凹槽，其槽口面向次级，电枢绕组嵌在所述环形凹槽内，中间初级铁心的两侧端面上均设置一个永磁体环，每个永磁体环的外侧端面设置一个端部初级铁心，端部初级铁心和永磁体环均为圆环形，两个永磁体环的充磁方向均为沿轴向的平行充磁，且方向相反，两个永磁体环沿轴向的中点之间的轴向距离为极距L1，且满足关系L2=2*L1/m，其中m为正整数；
次级包括次级铁心和次级轴，次级铁心固定在次级轴上，圆环形的次级铁心的外圆壁上均匀开有多个环形凹槽，凹槽的开口面向初级。
圆环形的次级铁心的凹槽开口部分沿轴向横跨宽度为D1，初级的中间初级铁心、一个端部初级铁心和一个永磁体环沿轴向宽度之和为D3，次级铁心的外圆壁上每相邻两个环形凹槽之间的凸起部分沿轴向的宽度D2，并且满足条件
Figure BDA00002855872600021
本发明的优点：针对背景技术中提出的问题，并结合直线抽油机、地铁等应用背景，本发明提出一种将永磁体置于初级上的圆筒型磁通切换式直线电机。该电机的永磁体安置在初级之上，次级上既无永磁体又无绕组，次级结构简单、坚固可靠。
附图说明
图1是本发明所述多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机的结构示意图，此时电枢绕组3不通电；
图2是本发明所述多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机在电枢绕组通以直流电时的磁通走向示意图；
图3是本发明所述多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机在电枢绕组反向通以直流电时的磁通走向示意图；
图4是本发明所述多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机在电枢绕组反向通以直流电，次级稳定在相应位置时的磁通走向示意图；
图5是图1的A-A剖视图；
图6是图1的B-B剖视图；
图7是图1的C-C剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机，它包括初级和次级，初级设置在次级外部，初级和次级之间沿径向方向有气隙，所述气隙宽度为L；
初级由m个相同的相结构单元构成，每相邻两个相结构单元之间的距离为L2，每个相结构单元包括中间初级铁心1、电枢绕组3、两个端部初级铁心2和两个永磁体环4，中间初级铁心1为圆环形，沿圆周方向在中间初级铁心1的内侧壁开一环形凹槽，其槽口面向次级，电枢绕组3嵌在所述环形凹槽内，中间初级铁心1的两侧端面上均设置一个永磁体环4，每个永磁体环4的外侧端面设置一个端部初级铁心2，端部初级铁心2和永磁体环4均为圆环形，两个永磁体环4的充磁方向均为沿轴向的平行充磁，且方向相反，两个永磁体环4沿轴向的中点之间的轴向距离为极距L1，且满足关系L2=2*L1/m，其中m为正整数；
次级包括次级铁心5和次级轴6，次级铁心5固定在次级轴6上，圆环形的次级铁心5的外圆壁上均匀开有多个环形凹槽，凹槽的开口面向初级。
圆环形的次级铁心5的凹槽开口部分沿轴向横跨宽度为D1，初级的中间初级铁心1、一个端部初级铁心2和一个永磁体环4沿轴向宽度之和为D3，次级铁心5的外圆壁上每相邻两个环形凹槽之间的凸起部分沿轴向的宽度D2，并且满足条件
Figure BDA00002855872600031
电枢绕组3为沿圆周方向绕制的环形绕组；图1中虚线框中为次级。
工作原理：
以次级位于图1所示位置为例来说明该圆筒型磁通切换式振荡电机的工作原理。
次级位于该指定位置，电枢绕组3不通电的时候，永磁体环4产生的磁通形成永磁磁通闭合回路7，其中，由永磁体环4产生的磁通经过一个端部初级铁心2、两个初级和次级之间沿径向方向的气隙、次级铁心5、中间初级铁心1和一个永磁体环4形成第一永磁磁通闭合回路7-1；由永磁体环4产生的磁通经过端部初级铁心2、初级和次级之间沿径向方向的气隙、次级铁心5的凸起部分、初级和次级铁心5凹槽之间的空气部分，中间初级铁心1的凸起部分和永磁体环4形成第二永磁磁通闭合回路7-2，如图1所示。
当电枢绕组3通以某一方向直流电的时候，如图2所示，电枢绕组3产生的磁通形成电枢磁通闭合回路8，其中，由电枢绕组3产生的磁通经过中间初级铁心1、一个永磁体环4、一个端部初级铁心2、两个初级和次级之间沿径向方向的气隙和次级铁心5形成第一电枢磁通闭合回路8-1；由电枢绕组3产生的磁通经过中间初级铁心1的一侧凸起部分、初级和次级铁心5凹槽之间的空气部分、次级铁心5、初级和次级之间沿径向方向的气隙和中间初级铁心1的另一侧凸起部分形成第二电枢磁通闭合回路8-2。第一电枢磁通闭合回路8-1与永磁磁通闭合回路7在一个端部初级铁心2里面的方向相同，二者形成叠加关系；第二电枢磁通闭合回路8-2与第二永磁磁通闭合回路7-2在中间初级铁心1的一侧凸起部分中的方向相反，电枢绕组3产生的磁通抵消了一部分永磁体环4在中间铁心1的一侧凸起部分中产生的磁通。永磁体环4和电枢绕组3共同作用的结果是：磁通在初级与次级相对的一个端部初级铁心2中得到加强；磁通在相应的位于该端部初级铁心2的一侧的中间初级铁心1的凸起部分受到削弱，从而使得次级稳定在这一位置。
当电枢绕组3通以与前述图2中方向相反的直流电的时候，如图3所示，电枢绕组3产生的磁通反向。第一电枢磁通闭合回路8-1与永磁磁通闭合回路7在一个端部初级铁心2里面的方向相反，电枢绕组3在一个端部初级铁心2中产生的磁通抵消了一部分永磁体环4在该部分产生的磁通，当电枢绕组的电流足够大时，电枢绕组3在一个端部初级铁心2中产生的磁通可以完全抵消永磁体环4在该部分产生的磁通；第二电枢磁通闭合回路8-2与第二永磁磁通闭合回路7-2在中间初级铁心1的一侧凸起部分中的方向相同，二者形成叠加关系。永磁体环4和电枢绕组3共同作用的结果是：磁通在初级与次级相对的一个端部初级铁心2中受到大幅削弱，对次级铁心5的吸引作用减弱；磁通在相应的位于该端部初级铁心2的一侧的中间初级铁心1的凸起部分大大加强，对次级铁心5的吸引作用加强，从而使得次级向中间铁心1中磁场吸引作用增强的一侧运动，如图4所示。
通过改变电枢绕组3供电电流的频率和幅值，就可以控制次级的运动速度和推力。
本发明的次级结构简单、坚固可靠，加工工艺简单。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，中间初级铁心1、端部初级铁心2和次级铁心5均由硅钢片叠加构成，或均由实心钢构成。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，中间初级铁心1、端部初级铁心2和次级铁心5由非晶态铁磁复合材料或SMC软磁复合材料构成。

Claims (5)

1.多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机，其特征在于，它包括初级和次级，初级设置在次级外部，初级和次级之间沿径向方向有气隙，所述气隙宽度为L；
初级由m个相同的相结构单元构成，每相邻两个相结构单元之间的距离为L2，每个相结构单元包括中间初级铁心（1）、电枢绕组（3）、两个端部初级铁心（2）和两个永磁体环（4），中间初级铁心（1）为圆环形，沿圆周方向在中间初级铁心（1）的内侧壁开一环形凹槽，其槽口面向次级，电枢绕组（3）嵌在所述环形凹槽内，中间初级铁心（1）的两侧端面上均设置一个永磁体环（4），每个永磁体环（4）的外侧端面设置一个端部初级铁心（2），端部初级铁心（2）和永磁体环（4）均为圆环形，两个永磁体环（4）的充磁方向均为沿轴向的平行充磁，且方向相反，两个永磁体环（4）沿轴向的中点之间的轴向距离为极距L1，且满足关系L2=2*L1/m，其中m为正整数；
次级包括次级铁心（5）和次级轴（6），次级铁心（5）固定在次级轴（6）上，圆环形的次级铁心（5）的外圆壁上均匀开有多个环形凹槽，凹槽的开口面向初级。
2.根据权利要求1所述多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机，其特征在于，电枢绕组（3）为沿圆周方向绕制的环形绕组。
3.根据权利要求1所述多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机，其特征在于，圆环形的次级铁心（5）的凹槽开口部分沿轴向横跨宽度为D1，初级的中间初级铁心（1）、一个端部初级铁心（2）和一个永磁体环（4）沿轴向宽度之和为D3，次级铁心（5）的外圆壁上每相邻两个环形凹槽之间的凸起部分沿轴向的宽度D2，并且满足条件
Figure FDA00002855872500011
4.根据权利要求1所述多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机，其特征在于，中间初级铁心（1）、端部初级铁心（2）和次级铁心（5）均由硅钢片叠加构成，或均由实心钢构成。
5.根据权利要求1所述多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机，其特征在于，中间初级铁心（1）、端部初级铁心（2）和次级铁心（5）由非晶态铁磁复合材料或SMC软磁复合材料构成。
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