CN117879296B - 直线电机和电磁悬架 - Google Patents

Abstract

一种直线电机和电磁悬架，直线电机包括导向柱、中心柱和轴承，其中，导向柱沿第一方向延伸；中心柱套设在导向柱的外周；轴承设置在导向柱和中心柱之间，中心柱通过轴承与导向柱在第一方向上相对滑动；直线电机满足关系式：H2=H4‑n(H1+H3)，0≤n≤1.3，其中，H1为导向柱在第一方向上正向的运动行程，H2为轴承的长度，H3为导向柱在第一方向上反向的运动行程，H4为导向柱的长度。该直线电机中的轴承满足上述关系式，以解决电机中导向失效和散热差的问题。

Description

直线电机和电磁悬架

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，具体涉及一种直线电机和电磁悬架。

背景技术

悬架是汽车的车架与车桥(或车轮)之间的力传递结构的总称，其作用是传递车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并减少由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。

目前，主流悬架都是采用弹簧减震或者电磁结构。其中，电磁结构的悬架（电磁悬架）受到广泛关注。但是现有的电磁悬架中的轴承由于尺寸设计不合理的问题，经常会出现导向失效以致的歪斜情况，以及散热效果较差的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种直线电机和电磁悬架，解决直线电机中导向失效和散热差的问题。

为实现本发明的目的，本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，本发明提供一种直线电机，包括导向柱、中心柱和轴承，其中，导向柱沿第一方向延伸；中心柱套设在所述导向柱的外周；轴承设置在所述导向柱和所述中心柱之间，所述中心柱通过所述轴承与所述导向柱在所述第一方向上相对滑动；所述电磁悬架满足关系式：H2=H4-n(H1+H3)，0≤n≤1.3，其中，H1为所述导向柱在所述第一方向上正向的运动行程，H2为所述轴承的长度，H3为所述导向柱在所述第一方向上反向的运动行程，H4为所述导向柱的长度。

一种实施方式中，所述直线电机满足关系式：H2=H4-0.7(H1+H3)。

一种实施方式中，所述轴承还满足关系式：0.5mm≤(D-d)/2≤3mm，其中，D为所述轴承的外径，d为所述轴承的内径。

一种实施方式中，所述直线电机还包括铁芯和线圈，所述铁芯套设在所述中心柱的外周，所述线圈绕设在所述铁芯上。

一种实施方式中，所述直线电机还包括磁钢套筒，所述磁钢套筒套设在所述铁芯的外周。

一种实施方式中，所述直线电机还包括外壳，所述外壳包括外周板和顶板，所述外周板绕设在所述磁钢套筒的外周，所述顶板连接在所述外周板的一端面，所述中心柱穿设于所述顶板。

一种实施方式中，所述铁芯的外周壁和所述磁钢套筒的内周壁具有间隙，所述间隙距离L为0mm~2mm。

一种实施方式中，所述直线电机还包括底座，所述中心柱、所述磁钢套筒和所述外周板均与所述底座连接，且所述底座连接在所述外周板背向所述顶板的一端。

一种实施方式中，所述底座和所述中心柱为一体式结构。

第二方面，本发明还提供一种电磁悬架，包括第一方面各项实施方式中任一项所述的直线电机。

一方面，满足上述关系式时，通过导向柱的长度以及行程可以设计出合适长度的轴承，从而通过轴承实现导向柱的导向稳定性；并且，导向柱和轴承具有较长的重合长度，轴承的限位能力较强，使得导向柱不易倾斜，以此确保定子组件与动子组件的气隙均匀性，从而能够还能够避免互相接触而导致的直线电机失效的现象。另一方面，满足上述关系式时，通过导向柱的长度以及行程可以设计出合适长度的轴承，以此能够获得更有利于到热的轴承；在中心柱和轴承的接触面积较大，且轴承与导向柱的接触面积较大的情况下，轴承向外导热的效果更好，导热速度快；不但能够避免直线电机发生热失控的现象，还能够通过有效管理热量的发散，提高直线电机的寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种实施方式的直线电机的截面结构示意图；

图2是一种实施方式的直线电机的结构尺寸示意图；

图3是一种实施方式的直线电机偏斜的示意图；

图4是现有技术中的一种实施方式的直线电机的温升仿真图；

图5是本发明提供的一种实施方式的直线电机的温升仿真图。

附图标记说明：

100-直线电机，1-中心柱，2-铁芯，3-线圈，4-磁钢套筒，5-外壳，51-顶板，52-外周板，53-底座，6-轴承，7-导向柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本发明所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供一种直线电机100，请参考图1，包括导向柱7、中心柱1和轴承6。导向柱7沿第一方向延伸；中心柱1套设在导向柱7的外周；轴承6设置在导向柱7和中心柱1之间，中心柱1通过轴承6与导向柱7在第一方向上相对滑动；

具体的，直线电机100包括定子组件和动子组件，其中，定子组件与动子组件保持相对直线运动。需要解释的，定子组件和动子组件的运动关系是相对的，所以定子组件和动子组件的运动关系可以互换。举例而言，在直线电机工作时，定子组件可以保持静止，动子组件相对运动；或者，动子组件可以保持静止，定子组件相对运动。

可选的，定子组件和动子组件通过轴承6实现相对运动。

可选的，定子组件包括中心柱1，动子组件包括导向柱7。其中，第一导向柱7和中心柱1均沿第一方向延伸，需要解释的，中心柱1和导向柱7均为圆柱形结构，所以，第一方向为导向柱7以及中心柱1的轴向。

可选的，中心柱1为空心的套筒结构，包括第一内腔，第一内腔沿上述中的第一方向延伸，轴承6和至少部分的导向柱7均安装在第一内腔。

可选的，中心柱1为两端开口的结构，分别为上端和下端。导向柱7和轴承6自下端伸入到容纳腔内，上端可以与其他零部件连接，从而使得中心柱1被固定。

可选的，轴承6为空心的套筒结构，包括第二内腔，第二内腔沿上述中的第一方向延伸，至少部分的导向柱7安装在第二内腔。

可选的，轴承6可以包括内圈和外圈。其中，轴承6装配在中心柱1的内部（即第一内腔），且外圈与中心柱1的内壁连接；导向柱7装配在轴承6的内部（即第二内腔），且内圈与导向柱7间隙配合。通过在内圈上的间隙配合以使得导向柱7在第一方向上滑动，从而使定子组件能够沿与动子组件的相对滑动，所以轴承6的首要功能为确保动子组件和定子组件的相对直线运动。

一种实施方式中，请参考图2，直线电机满足关系式：H2=H4-n(H1+H3)，0≤n≤1.3，其中，H1为导向柱7在第一方向上正向的运动行程，H2为轴承6的长度，H3为导向柱7在第一方向上反向的运动行程，H4为导向柱7的长度，其中H1、H2、H3、H4的单位均为mm。

具体的，直线电机包括第一状态、第二状态和第三状态。其中，第一状态下，中心柱1和导向柱7的位置关系如图2所示；第二状态为导向柱7沿轴线方向（第一方向）向上运动后所能够达到的最大距离位置；第三状态为导向柱7沿轴线方向（第一方向）向下运动后所能够达到的最大距离位置。

所以，H1为导向柱7自第一状态运动到第二状态后的运动距离，H3为导向柱7自第一状态运动到第三状态后的运动距离。H2为轴承6的长度，H4为导向柱7的长度；可以理解的，H2可以小于H4。

可以理解的，如图3所示，分别为现有技术中轴承短小的直线电机（图3中A）与本发明提供的直线电机100（图3中B）的示意图，在间隙配合中，两物体必然产生偏斜（图3中A），两者重合面越长，配合后的偏斜越小（图3中B）。所以，在导向柱7的刚度以及长度为固定的情况下，轴承6的长度越长，轴承6与导向柱7的重合面越长，从而能够保证定子组件和动子组件的同轴度，即越能保证气隙均匀性，以避免导向柱7发生侧倾。

所以，第一方面，满足上述关系式时，通过导向柱7的长度以及行程可以设计出合适长度的轴承6，从而通过轴承6实现导向柱7的导向稳定性；并且，导向柱7和轴承6具有较长的重合长度，轴承6的限位能力较强，使得导向柱7不易倾斜，以此确保定子组件与动子组件的气隙均匀性，从而能够还能够避免互相接触而导致的直线电机100失效的现象。

进一步的，如图4所示，较为短小的轴承同样不利于传热，在直线电机正常工作时，定子组件通入电流，则必然会产生发热损失，此发热损失以能量的方式向周围辐射，若不及时导出热量，将导致整个电机内部产生温升现象，而磁钢受温度影响较为灵敏，高温易导致退磁风险后电机失效，那么在设计时需要将内部热量尽快导出或降温。较短的轴承导致定子组件与周围接触面积小，仅能通过空气导热，空气的传热系数低，无法快速将热量传出，轴承未起到快速传递热量的作用，未有效得到利用。

所以，第二方面，如图5所示，满足上述关系式时，通过导向柱7的长度以及行程可以设计出合适长度的轴承6，以此能够获得更有利于到热的轴承6；在中心柱1和轴承6的接触面积较大，且轴承6与导向柱7的接触面积较大的情况下，轴承6向外导热的效果更好，导热速度快；不但能够避免直线电机100发生热失控的现象，还能够通过有效管理热量的发散，提高直线电机100的寿命。

当n接近或等于0时，H2（即轴承6长度）会无限趋近于H4（即导向柱7的长度），会导致轴承6的长度过长，轴承6的制造成本升高，性价比降低。当n接近或超过1.3时，H2（即轴承6长度）过小，则会导致轴承6和导向柱7之间的气隙均匀性较差，且传热能力降低，轴承6的寿命降低。

一种实施方式中，直线电机满足关系式：H2=H4-0.7(H1+H3)。通常直线电机的常用运动行程为其最大行程的70%，那么较优解即为保证在70%运动行程范围内，所以可以设定n=0.7，以此导向柱7能够获得最大有效接合长度。

一种实施方式中，轴承6还满足关系式： 0.5mm≤(D-d)/2≤3mm，其中，D为轴承6的外径，d为轴承6的内径。

具体的，在上述实施方式的基础上，轴承6为圆柱状，所以轴承6还需要考虑到其壁厚对性能的影响。其中，满足上述关系式时，轴承6的壁厚在合适的范围内，不但有利于提高传热，还有能够确保结构强度以及空间利用率。

当轴承6的壁厚大于上述范围时，不利于轻量化、空间占用大且不利于传热；当轴承6的壁厚小于上述范围时，不利于结构强度和加工尺寸的保证。

优选的，(D-d)/2=2mm。

所以轴承6的尺寸设计存在一种理论值，其既能满足导向又能满足传热并且能够满足轴承6的加工、寿命等自身要求，如图2所示，设直线电机动子组件向下运动行程为H1、轴承6的长度为H2、内径为d（图中未示出）、外径为D（图中未示出）、直线电机动子组件向上运动行程为H3、导向杆长度为H4。

一种实施方式中，请参考图1，直线电机100还包括铁芯2和线圈3，铁芯2套设在中心柱1的外周，线圈3绕设在铁芯2上。

具体的，定子组件还包括铁芯2和线圈3，其中铁芯2装配在中心柱1的外周，线圈3装配在铁芯2上。在导向杆相对运动时，中心柱1、铁芯2以及线圈3可以保持固定。

一种实施方式中，请参考图1，直线电机还包括磁钢套筒4，磁钢套筒4套设在铁芯2的外周。

具体的，转子组件还包括磁钢套筒4，磁钢套筒4的为空心的套筒结构，包括第三内腔，第三内腔沿上述中的第一方向延伸，铁芯2、线圈3、轴承6均安装在第三内腔，且至少部分的中心柱1和导向柱7容置于第三内腔。

一种实施方式中，请参考图1，直线电机还包括外壳5，外壳5包括外周板52和顶板51，外周板52绕设在磁钢套筒4的外周，顶板51连接在外周板52的一端面，中心柱1穿设于顶板51。

具体的，外壳5围合容纳腔，且外壳5包括外周板52以及顶板51。容纳腔的轮廓形状可以为圆柱形。上述中的磁钢套筒4、铁芯2和线圈3均收容在容纳腔内。中心柱1自顶板51所在的一端穿过顶板51伸入到容纳腔中，导向柱7自背离顶板51的一段伸入到容纳腔中。

可以理解的，磁钢套筒4、导向柱7以及外壳5共同组成动子组件。磁钢套筒4在铁芯2和线圈3的作用下沿第一方向上下移动，并且导向柱7在轴承6的配合下连通外壳5一起跟随磁钢套筒4一起移动。

一种实施方式中，请参考图1，铁芯2的外周壁和磁钢套筒4的内周壁具有间隙，间隙距离L为0mm~2mm。

具体的，磁钢套筒4和铁芯2之间具有间隙，此间隙是电磁悬架正常工作的必要条件，整个圆周范围的间隙理想状态下需要均匀相等，可以抵消各方向的磁钢套筒4对铁芯2的磁偏力，气隙偏差越大，各方向磁偏力差异越大，无法互相抵消，即轴承6受到的侧向力越大，摩擦阻力越大，直线电机100的性能损失越大。

一种实施方式中，请参考图1，直线电机100还包括底座53，中心柱1、磁钢套筒4和外周板52均与底座53连接，且底座53连接在外周板52背向顶板51的一端。

具体的，底座53与中心柱1连接固定，并且底座53还用于承载磁钢套筒4。

可选的，外周板52和底座53为一体式结构。

一种实施方式中，底座53和中心柱1为一体式结构。

基于上述直线电机100的结构，当直线电机100在正常工作时，线圈3通入电流并产生热量，即线圈3发热，本发明还给出直线电机100的两条传热路径：

（1）线圈3→铁芯2→间隙→磁钢套筒4→外壳5→外部环境。

（2）线圈3→铁芯2→轴承6→导向柱7→外部环境。

可以理解的，在路径上的每个零件的导热率越高，导热系数越高，则热量传递效果越好，越能够尽快的传递到外部环境进行散热，而轴承6作为路径上的一环，其与导向柱7的配合尺寸设计不好时，热量只能从铁芯2和导向柱7之间的空气进行传热，而空气的导热系数0.027 W/(m·K)远远小于轴承6的导热系数（轴承6材质通常为铝236W/(m·K)或铜398W/(m·K)或钢35~50 W/(m·K)），则轴承6与导向柱7的设计配合尺寸十分讲究，需要尽量使热量能够沿导热系数更高的轴承6进行换热，增加传热效率，降低直线电机100内部温度，避免磁钢套筒4温度过高退磁等风险。

一种实施方式中，本发明还提供一种电磁悬架，包括上述实施方式中任一项的直线电机。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指标的方位或位置关系为基于附图所述的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种直线电机，其特征在于，包括：导向柱，沿第一方向延伸；中心柱，套设在所述导向柱的外周；轴承，设置在所述导向柱和所述中心柱之间，所述中心柱通过所述轴承与所述导向柱在所述第一方向上相对滑动；所述直线电机满足关系式：H2=H4-n(H1+H3)，0≤n≤1.3，其中，H1为所述导向柱在所述第一方向上正向的运动行程，H2为所述轴承的长度，H3为所述导向柱在所述第一方向上反向的运动行程，H4为所述导向柱的长度。

2.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述直线电机满足关系式：H2=H4-0.7(H1+H3)。

3.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述轴承还满足关系式：0.5mm≤(D-d)/2≤3mm，其中，D为所述轴承的外径，d为所述轴承的内径。

4.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述直线电机还包括铁芯和线圈，所述铁芯套设在所述中心柱的外周，所述线圈绕设在所述铁芯上。

5.根据权利要求4所述的直线电机，其特征在于， 所述直线电机还包括磁钢套筒，所述磁钢套筒套设在所述铁芯的外周。

6.根据权利要求5所述的直线电机，其特征在于，所述直线电机还包括外壳，所述外壳包括外周板和顶板，所述外周板绕设在所述磁钢套筒的外周，所述顶板连接在所述外周板的一端面，所述中心柱穿设于所述顶板。

7.根据权利要求6所述的直线电机，其特征在于，所述铁芯的外周壁和所述磁钢套筒的内周壁具有间隙，所述间隙的距离L为0mm~2mm。

8.根据权利要求6所述的直线电机，其特征在于，所述直线电机还包括底座，所述中心柱、所述磁钢套筒和所述外周板均与所述底座连接，且所述底座连接在所述外周板背向所述顶板的一端。

9.根据权利要求8所述的直线电机，其特征在于，所述底座和所述中心柱为一体式结构。

10.一种电磁悬架，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的直线电机。