專利名稱：微型動磁激振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動磁激振器，它以較高頻率、較小質(zhì)量和體積運行，適用于微型動
力機械(包括微型制冷及低溫機械)，小型及微型起搏器及往復(fù)泵以及聲學(xué)、低溫生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中需要產(chǎn)生激勵力的裝置。
背景技術(shù)：
能源緊缺和環(huán)保的嚴峻性迫切要求傳統(tǒng)的熱能動力工藝向無污染和可再生能源利用的方向發(fā)展，其中，可利用低品位熱源、無或少運動部件的斯特林和熱聲技術(shù)是最有潛力的發(fā)展方向之一。在太陽能發(fā)電中，硅電池只能利用其光合作用合成的能量，而斯特林和熱聲技術(shù)則可以利用太陽能中的全部熱量，這對提高太陽能的利用效率具有極其重要的意義；此外，常見的工業(yè)廢熱利用方法造價昂貴，利用效率低，而采用斯特林和熱聲技術(shù)則能有效地利用廢熱中蘊含的極高能量，并降低造價。而隨著高溫超導(dǎo)材料和高集成電路信息技術(shù)的發(fā)展，各種電器電子設(shè)備的功率密度和單位面積的熱流密度急劇增加，迫切需要尺寸小，冷卻能力強，可靠性高，且能對電子設(shè)備中需要降溫的部件進行單獨或集中冷卻的微型制冷機。而微型斯特林和熱聲制冷機具有較高的頻率，這對可再生能源的利用十分關(guān)鍵。此外，隨著低溫技術(shù)的迅速發(fā)展，制冷機在微型化、輕量化、集成化方面的需求日益增加。目前常用的低溫制冷機如斯特林制冷機、脈管制冷機等在微型化的過程中均面臨著一個重要的問題，即其外激勵源的微型化。而目前常用的各種傳統(tǒng)形式的壓縮機等驅(qū)動裝置的體積較大，已經(jīng)難以滿足微型機械輕量化的需求。為了解決在減小整機重量、體積的過程中使驅(qū)動裝置的性能保持不變甚至提高，有必要研究開發(fā)一種新型高效的激振器取代目前常用的往復(fù)式活塞壓縮機。 自20世紀70年代末英國牛津大學(xué)成功研制牛津型斯特林制冷機以來，采用線性直線電機為外激勵源，結(jié)構(gòu)簡化，工作壽命長、可靠性高的現(xiàn)代斯特林制冷技術(shù)得到了重點的發(fā)展和廣泛的關(guān)注。對于采用回熱器作為能量轉(zhuǎn)換和儲存部件的斯特林和熱聲制冷機來說，其關(guān)鍵是回熱器使直線壓縮機中活塞與氣缸只能用無油潤滑，這要求二者之間有良好的同軸度，而這需要依靠精確的設(shè)計和加工工藝來保證，不僅增加了整機的造價，也使得其微型化的難度加大。因此，簡化整機的設(shè)計和加工工藝，使其同軸度在裝配中可調(diào)整將有效地加快斯特林和熱聲制冷機微型化的進程。 近年來，直線壓縮機作為壓力波發(fā)生器以其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長的特點正逐漸取代傳統(tǒng)的往復(fù)式壓縮機。根據(jù)激振器中可動體的不同類型可以把直線壓縮機分為動鐵式、動圈式和動磁式三種。動鐵式由于動子的質(zhì)量較大，目前已經(jīng)很少被采用。動圈式整機尺寸大，且質(zhì)量較大，由于其動子線圈的往復(fù)運動，導(dǎo)致線圈中的引線易折斷，因此只適用于對激振器尺寸要求不高的低頻制冷機。動磁式激振器的磁體與活塞直接相連，線圈成為定子的一部分，簡化了整機的設(shè)計和裝配，減小了整機的體積和質(zhì)量，可實現(xiàn)高頻振蕩且可靠性較高，因此被越來越多的應(yīng)用于低溫制冷機中。 經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，公開號為CN201110257，名稱為動磁激振器的專利申請，屬于一種動磁式壓縮機，其結(jié)構(gòu)形式為在圓筒形外殼內(nèi)裝有柱狀支吊彈簧、軛鐵及其內(nèi)部的線圈， 氣缸嵌入氣缸法蘭，氣缸法蘭和外殼對中配合，氣缸內(nèi)的活塞與活塞桿固定連接，穿過軛鐵 及其內(nèi)部的線圈支承在柱狀支吊彈簧中心。其特征是采用了兩個軸向和一個徑向充磁的永 磁體作為永磁環(huán)，活塞及永磁環(huán)的間隙配合定位依靠柱狀支吊彈簧以及氣缸法蘭。該發(fā)明
通過布置新型永磁環(huán)形式來提高磁場強度，利用柱狀支吊彈簧做懸掛結(jié)構(gòu)，但支吊彈簧的 徑向剛度不夠，無法滿足高同軸度要求，使得活塞在運行中易偏離其中心位置，發(fā)生偏轉(zhuǎn)而 撞缸；此外，其整機同軸度不可調(diào)節(jié)，需要精確設(shè)計各部件尺寸，并保證合理的裝配順序和 工藝，增加了加工和裝配難度。 中國發(fā)明專利申請公開號CN1773112A提出一種動磁式直線壓縮機，包括一直線 電機組件，主要有同心組合結(jié)構(gòu)的內(nèi)外磁軛、動磁線圈、永磁體和電機動子托架，永磁體位 于電動機動子托架上并處于由內(nèi)外磁軛構(gòu)成的磁場中。其特點是采用了新型型線的柔性板 簧作為長臂懸掛結(jié)構(gòu)及設(shè)置了壓縮機的防撞缸機構(gòu)。采用新型型線的柔性板簧雖然便于保 證板簧的軸向位移，但是第一其漸開線延伸到接近板簧外延處就終止了，形成長臂的根部。 板簧做軸向位移時，漸開線長臂繞其水平軸向扭轉(zhuǎn)。當彈簧處在最大位移處時，根部的疲勞 應(yīng)力最大使得根部斷裂。第二，采用在電機動子托架與內(nèi)磁軛可能接觸的平面上粘貼橡膠 防撞片的防撞缸機構(gòu)，事先要對各個零件的尺寸進行合理的設(shè)計，才能保證電機動子托架 與內(nèi)磁軛之間形成的間隙的距離在平衡位置時等于活塞的壓縮行程。第三，長臂的扭轉(zhuǎn)必 定使板簧的垂直軸發(fā)生擺動，因此，整機的同軸度僅僅依靠設(shè)計尺寸和加工的精確度是很 難得到保證的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提出了一種微型動磁激振器，通過板彈簧懸
吊結(jié)構(gòu)和磁軛定位方式，在裝配時可靈活調(diào)整同軸度，降低了對零件的加工要求，使整個裝
置結(jié)構(gòu)簡單；改進了板彈簧的型線，使動磁激振器的穩(wěn)定性更強，使用壽命更長。 微型動磁激振器，包括機殼40和安放于其內(nèi)的直線電機組件10、壓縮機組件20、
懸掛組件30 ; 直線電機組件10包括具有同心結(jié)構(gòu)的磁軛對、勵磁線圈13和永磁體環(huán)，給勵磁線 圈13通電，激勵磁軛對產(chǎn)生磁場，永磁體環(huán)位于磁軛對產(chǎn)生的磁場中，永磁體環(huán)由環(huán)狀的 軸向充磁體和徑向充磁體交替疊放構(gòu)成；壓縮機組件20包括汽缸21、汽缸支架22和活塞，汽缸21通過汽缸支架22固定于
磁軛對的中心環(huán)內(nèi)，活塞位于汽缸21內(nèi)，磁軛對懸吊定位于汽缸支架22上； 懸掛組件30包括位于汽缸21上方固定于機殼40內(nèi)壁上的板彈簧31，板彈簧31
采用圓漸開線切割而成，其漸開線延伸至板彈簧外徑，使板彈簧分成三個懸臂，相鄰懸臂通
過彈性壓緊環(huán)聯(lián)成一體；活塞底部固定于板彈簧31的中心孔處； 機殼40的頂端中心處開有進氣閥44，汽缸21底部中心開有排氣閥45。 本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在1、磁路結(jié)構(gòu)由軸向和徑向充磁的中空永磁體環(huán)交替疊
放構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)既能更好地發(fā)揮銣鐵硼材料的高矯頑力，又能有效地減少施加在動子上
的殘留的非平衡橫向力，降低動子相對于中心縱軸的機械偏心，使磁通量集中于中心區(qū)域，
最大限度地發(fā)揮勵磁線圈的有用功，減少漏磁損失，提高磁場強度梯度。因此，采用這種結(jié)
4構(gòu)，不僅使整個裝置耗費較少的材料，體積更小，質(zhì)量更輕，更重要的是可以提高激振器輸 出力常數(shù)，有效改善激振器的性能。2、采用柔性板彈簧懸吊活塞，并用汽缸支架懸掛上下磁 軛，在裝配時通過監(jiān)測勵磁線圈中的最小電流，尋找磁軛的最優(yōu)裝配方位，保證活塞桿和汽 缸在運行中的同軸度，并用激光固化工藝來固定，使在加工和裝配中出現(xiàn)的同軸誤差傳遞， 在裝配時得到調(diào)整和補償，使同軸度不再只依賴于加工精度。3、對板彈簧的型線進行了改 進，使其漸開線一直延伸至板彈簧的外徑上，將板彈簧分成三塊懸臂，以躲避疲勞截面和應(yīng) 力集中點。4、在機座與上、下磁軛之間的空隙中填入由彈性材料制成的壓緊環(huán)，利用彈性材 料吸收激振器在運行時電機組件、壓縮機組件、懸吊組件與機殼的振動能量，保持同軸度不 變。5、采用板彈簧做動子的支吊架，把勵磁線圈置于磁軛內(nèi)，把永磁體環(huán)置于活塞和汽缸之 間，可極大地減少整機尺寸和質(zhì)量，實現(xiàn)薄型磁阻電機的目的。6、可根據(jù)功率及使用場所靈 活布置永磁體環(huán)，放大尺寸用于中小型斯特林和熱聲制冷機中，或組合成大功率的級聯(lián)管， 使其適應(yīng)性廣泛，不僅可用于光電子技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)和空間遠程通訊技術(shù)中的微型制冷機， 還可應(yīng)用于心臟起搏器、醫(yī)用制氧系統(tǒng)和醫(yī)用冰箱中，同時還可與可再生能源相結(jié)合作為 新型的驅(qū)動裝置如太陽能熱聲發(fā)動機、制冷機等。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的一個實施例示意圖。
圖3是本發(fā)明的永磁體布置示意圖。
圖4是本發(fā)明的柔性板彈簧型線示意圖。
圖5是本發(fā)明的另一個實施例示意圖。
具體實施例方式
如圖1和圖2所示，本發(fā)明動磁式激振器包括直線電機組件10、壓縮機組件20、 懸掛組件30和機殼40。 直線電機組件10包括軸向充磁永磁體11，徑向充磁永磁體12，勵磁線圈13，上 磁軛14，下磁軛15，如圖3所示。永磁體由銣鐵硼材料制成，采用六片或八片平行取向的扇 形永磁體塊拼接而成的準輻射取向的磁路結(jié)構(gòu)，粘接在活塞桿23上，勵磁線圈13呈環(huán)狀鑲 嵌在上磁軛14與下磁軛15形成的凹槽內(nèi)，軸向永磁體11、徑向永磁體12、線圈13與上磁 軛14、下磁軛15共同形成完整的磁路。 壓縮機組件20包括汽缸21，汽缸支架22，活塞桿23，活塞頭24，如圖2所示。由 活塞桿23和活塞頭24構(gòu)成的活塞采用無磁鋼材料制成，為一體結(jié)構(gòu)，以減少同心誤差傳 遞，并需保證裝配時與汽缸留有一定的間隙，汽缸支架22與汽缸為一體，并成銳角相交，用 以懸掛上磁軛14與下磁軛15，當裝配完懸吊組件30及活塞桿23與永磁體11和12后，給 勵磁線圈13通以低電壓、低頻率交流電，在磁場作用下，永磁體11、 12帶動活塞桿23往復(fù) 運動，當活塞桿23運行順暢與汽缸21無碰撞時，通過勵磁線圈的電流最小，此時用激光固 化工藝將上磁軛14、下磁軛15定位在汽缸支架22上，保證活塞桿23和汽缸21的同軸同 心。 懸掛組件30包括柔性板彈簧31，板彈簧支架32及活塞桿鉚接片33。4所
5示，柔性板彈簧采用圓漸開線切割而成，其漸開線延伸至板彈簧外徑，使板彈簧分成三個懸 臂，通過彈性壓緊環(huán)聯(lián)成一體。在整機裝配后通過較低溫度的釬焊，將各部件位置固定。板 彈簧與板彈簧支架采用彈簧鋼或鈹青銅材料制成，并要進行退火處理，以保證有足夠的強 度。機殼40包括機座41、壓緊環(huán)42、支撐凸臺43、及安裝在機座41上的進氣閥44和汽缸 21出口上的排氣閥45。板彈簧支架32裝在機殼底部的支撐凸臺43上，活塞桿23從板彈 簧31的中心孔穿過，通過活塞頭鉚接片33與板彈簧31聯(lián)結(jié)固定。當電機組件10、壓縮機 組件20、懸掛組件30裝配完畢后，在機座41與上磁軛14、下磁軛15之間的空隙中填入由 彈性材料制成的壓緊環(huán)42，通過彈性材料的自由伸縮，可保證激振器在運行時的電機組件 10、壓縮機組件20、懸吊組件30與機殼40保持同軸同心，不發(fā)生撞缸事件。
圖5是本發(fā)明的另一個實施例示意圖，適于在大功率的場所使用。直線電機組件 10包括軸向充磁永磁體ll，徑向充磁永磁體12，勵磁線圈13，內(nèi)磁軛14，外磁軛15，動磁 支架16，動磁支架支撐塊17及非導(dǎo)磁環(huán)板18。永磁體采用六片或八片分塊粘接在動磁支 架16上，動磁支架16焊接在活塞桿23上，再用動磁支架支撐塊17進行固定。勵磁線圈13 呈環(huán)狀鑲嵌在內(nèi)磁軛14的凹槽內(nèi)，外磁軛15固定在機座上41上，與機座41共同組成機殼 的一部分。內(nèi)磁軛14與外磁軛15通過非導(dǎo)磁環(huán)板18相連接。軸向永磁體11、徑向永磁 體12、線圈13與內(nèi)磁軛14、外磁軛15共同形成完整的磁路。壓縮機組件20包括汽缸21， 汽缸支架22，活塞桿23，活塞頭24，活塞桿23和活塞頭24采用無磁鋼材料制成，為一體結(jié) 構(gòu)，以減少同心誤差傳遞，并需保證加工時與汽缸留有一定的間隙，汽缸支架22與汽缸為 一體，并導(dǎo)成圓角，用以懸掛內(nèi)磁軛14，當裝配完懸吊組件30及活塞桿23與永磁體11和 12后，給勵磁線圈13通以低電壓、低頻率交流電，在磁場作用下，永磁體11、12帶動活塞桿 23往復(fù)運動，當活塞桿23運行順暢與汽缸21無碰撞時，通過勵磁線圈的電流最小，此時用 激光固化方式將內(nèi)磁軛14定位在汽缸支架22上，再用焊接方式進行固定，保證活塞桿23 和汽缸21的同軸同心。懸掛組件30包括柔性板彈簧31，板彈簧支架32及活塞頭鉚接片 33。柔性板彈簧采用圓漸開線切割而成，漸開線延伸至外圓底部，上下兩片對齊后分別與與 板彈簧支架用鉚接方式固定在一起，板彈簧與板彈簧支架采用彈簧鋼或鈹青銅材料制成， 并要進行退火處理，以保證有足夠的強度。板彈簧支架裝在機殼底部的支撐凸臺42上，活 塞桿23從板彈簧31的中心孔穿過，通過活塞桿鉚接片33與板彈簧31聯(lián)結(jié)固定。機殼40 包括機座41、支撐凸臺42、及安裝在機座41上的進氣閥43和汽缸21出口上的排氣閥44。
權(quán)利要求
微型動磁激振器，包括機殼(40)和安放于其內(nèi)的直線電機組件(10)、壓縮機組件(20)、懸掛組件(30)，其特征在于；直線電機組件(10)包括具有同心結(jié)構(gòu)的磁軛對、勵磁線圈(13)和永磁體環(huán)，給勵磁線圈(13)通電，激勵磁軛對產(chǎn)生磁場，永磁體環(huán)位于磁軛對產(chǎn)生的磁場中，永磁體環(huán)由環(huán)狀的軸向充磁體和徑向充磁體交替疊放構(gòu)成；壓縮機組件(20)包括汽缸(21)、汽缸支架(22)和活塞，汽缸(21)通過汽缸支架(22)固定于磁軛對的中心環(huán)內(nèi)，活塞位于汽缸(21)內(nèi)，磁軛對懸吊定位于汽缸支架(22)上；懸掛組件(30)包括位于汽缸(21)上方固定于機殼(40)內(nèi)壁上的板彈簧(31)，板彈簧(31)采用圓漸開線切割而成，其漸開線延伸至板彈簧外徑，使板彈簧分成三個懸臂，相鄰懸臂通過彈性壓緊環(huán)聯(lián)成一體；活塞底部固定于板彈簧(31)的中心孔處；機殼(40)的頂端中心處開有進氣閥(44)，汽缸(21)底部中心開有排氣閥(45)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型動磁激振器，其特征在于，所述磁軛對包括上磁軛和下 磁軛，勵磁線圈(13)鑲嵌于上下磁軛之間的凹槽內(nèi)，永磁體環(huán)位于活塞和汽缸(21)之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型動磁激振器，其特征在于，所述磁軛對包括內(nèi)磁軛和外 磁軛，勵磁線圈(13)安放于內(nèi)磁軛上，永磁體環(huán)位于內(nèi)外磁軛之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的微型動磁激振器，其特征在于，在機殼與磁軛對間的 空隙中填放有彈性壓緊環(huán)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的微型動磁激振器，其特征在于，永磁體環(huán)至少由兩個 環(huán)狀的軸向充磁體和兩個環(huán)狀的徑向充磁體交替疊放構(gòu)成。
全文摘要
一種微型動磁激振器，主要包括直線電機組件、壓縮機組件和懸掛組件，直線電機組件包括同心的磁軛對、勵磁線圈和永磁體環(huán)，永磁體環(huán)由環(huán)狀的軸向充磁體和徑向充磁體交替疊放構(gòu)成；壓縮機組件中的汽缸通過汽缸支架固定于磁軛對的中心環(huán)內(nèi)，活塞位于汽缸內(nèi)，磁軛對懸吊定位于汽缸支架上；懸掛組件為一板彈簧，板彈簧采用圓漸開線切割而成，其漸開線延伸至板彈簧外徑，使板彈簧分成三個懸臂，相鄰懸臂通過彈性壓緊環(huán)聯(lián)成一體，活塞底部固定于板彈簧的中心孔處。本發(fā)明通過板彈簧懸吊結(jié)構(gòu)和磁軛定位方式，在裝配時可靈活調(diào)整同軸度，降低了對零件的加工要求，使整個裝置結(jié)構(gòu)簡單；改進了板彈簧的型線，使動磁激振器的穩(wěn)定性更強，使用壽命更長。
文檔編號H02K33/18GK101741208SQ20091027318
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者丁國忠, 張春萍, 張曉青, 胡興華, 郭方中 申請人:華中科技大學(xué)