專利名稱：模塊化c型定子鐵芯的圓筒型永磁直線電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于小型直線推進(jìn)系統(tǒng)中的直線電機(jī)，例如應(yīng)用于人工心臟泵等。
背景技術(shù)：
直線電機(jī)是直接 將電能轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能的電機(jī)，不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在提高可靠性運(yùn)行的同時(shí)節(jié)約制造成本，因此能替代旋轉(zhuǎn)電機(jī)而廣泛應(yīng)用于直線運(yùn)動(dòng)的場合。目前，小型直線電機(jī)已應(yīng)用于人工心臟直線推進(jìn)系統(tǒng)中，人工心臟狹小的空間對(duì)電機(jī)的體積有較高要求，需要電機(jī)在有限的空間里面具有較高的、較為平穩(wěn)的推力密度，同時(shí)能減小電機(jī)的推力脈動(dòng)，能提供較大、較為平穩(wěn)的推力。另外，在應(yīng)用時(shí)，對(duì)于電機(jī)的可靠性要求比較高，因?yàn)殡姍C(jī)的可靠性直接關(guān)系到病人的生命安全，所以，需要設(shè)計(jì)出高可靠性的直線電機(jī)。同時(shí)，還要求電機(jī)重量輕，以方便病人的日常生活，減輕病人負(fù)擔(dān)。直線振蕩電機(jī)和混合式電機(jī)已被應(yīng)用于人工心臟這種小型的直線運(yùn)動(dòng)的場合，在文獻(xiàn)“Electromagnetic modeling of a novel linear oscillating，，中(公開發(fā)表于2008年 11 月 IEEE Transac tions on Magneiics 卷 44,期 11,頁 3855-3858 )，提出了一種單相的振蕩電機(jī)，振蕩電機(jī)一般工作于半個(gè)極距范圍內(nèi)，其電磁推力在半個(gè)極距的中間一段距離中較為平穩(wěn)，所以單相電機(jī)多作為振蕩電機(jī)使用，但是其缺陷是需要安裝彈簧來完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而彈簧的使用壽命有限，直接威脅著電機(jī)的使用壽命。然后，兩相直線電機(jī)不同于單相電機(jī)，可以在一個(gè)極距的距離范圍內(nèi)提供平穩(wěn)的電磁推力，所以，兩相直線電機(jī)可以不需要彈簧來完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可將兩相直線電機(jī)應(yīng)用于需要高可靠性的場合。參見

圖1，圖I示出了一種傳統(tǒng)E型定子鐵芯的冗余式圓筒型永磁直線電機(jī)的主視半剖視圖，該電機(jī)由外動(dòng)子環(huán)I’和內(nèi)定子環(huán)2’組成；外動(dòng)子環(huán)I’由Halbach陣列永磁體環(huán)3’組成，其中徑向充磁的永磁體軸向?qū)挾葹檩S向充磁的永磁體寬度的2倍；內(nèi)定子環(huán)2’由初級(jí)E型鐵芯4’和電樞繞組5’組成；E型鐵芯4’的兩個(gè)槽中分別嵌有兩套圓餅狀的電樞繞組5’，形成A、B兩相電機(jī)。E型鐵芯4’的兩個(gè)槽的槽距與動(dòng)子極距的比為5/4，以保證兩相繞組之間相差電角度90°。這種傳統(tǒng)E型定子鐵芯的兩相圓筒型永磁直線電機(jī)，動(dòng)子永磁體采用Halbach陣列，由于Halbach陣列的磁場主要在動(dòng)子的一側(cè)，即圖I結(jié)構(gòu)中顯示為磁場主要分布于動(dòng)子(永磁體環(huán))的內(nèi)側(cè)經(jīng)過E型定子鐵芯形成磁回路，而動(dòng)子(永磁體環(huán))外側(cè)磁場分布很少，省去了動(dòng)子(永磁體環(huán))外側(cè)的鐵芯，該電機(jī)的動(dòng)子僅由永磁體構(gòu)成，永磁體外面沒有鐵芯等導(dǎo)磁材料，從而減小了電機(jī)的重量。然而，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間不能實(shí)現(xiàn)定位力的互補(bǔ)抵消，其定位力較大，嚴(yán)重影響了電機(jī)的推力性能。而且，該電機(jī)定子中間齒和邊端齒的磁路不對(duì)稱，中間齒上無邊端效應(yīng)，而兩端齒上有邊端效應(yīng)，所以使得產(chǎn)生的反電勢波形正負(fù)半周不對(duì)稱，導(dǎo)致原本應(yīng)該相差90°電角度的兩相反電勢會(huì)發(fā)生相移，使得兩相反電勢相差的電角度實(shí)際上并不是90°。專利公開號(hào)為CN 101860174 A中提出了用模塊化結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)定位力的抵消，利用兩個(gè)相差180°電角度的模塊分別與動(dòng)子相互作用產(chǎn)生兩個(gè)相位相差180°的定位力，從而實(shí)現(xiàn)定位力的抵消。通過添加與其相位相反的模塊來實(shí)現(xiàn)抵消功能，就是引入另外一個(gè)E型鐵芯，使兩個(gè)E型鐵芯相差180°電角度，增加了額外的、與原有結(jié)構(gòu)相位相反的結(jié)構(gòu)，必然導(dǎo)致了電機(jī)軸向長度增加一倍以上，造成電機(jī)長度的增加，這不適宜于體積限制要求較高的場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)缺陷而提供一種模塊化C型定子鐵芯的圓筒型永磁直線電機(jī)，能夠在不改變傳統(tǒng)的E型定子結(jié)構(gòu)的電機(jī)軸向長度的情況下，減小定位力，實(shí)現(xiàn)定位力最小化，提高推力性能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括外動(dòng)子環(huán)和內(nèi)定子環(huán)，內(nèi)定子環(huán)由電樞繞組、非導(dǎo)磁材料制成的磁障、導(dǎo)磁材料制成的第一、第二 C型鐵芯組成；第一、第二 C型鐵芯的結(jié)構(gòu)相同、中間固定夾有磁障、沿軸向排列、與外動(dòng)子環(huán)之間的間隙相同；第一、第二 C型鐵芯均具有一個(gè)C型槽，C型槽的開口處朝向外動(dòng)子環(huán)，每個(gè)C型槽中嵌有一套電樞繞組；第一、第二 C型鐵芯的軸向長度為一個(gè)動(dòng)子極距，磁障的軸向?qū)挾葹樗鲆粋€(gè)動(dòng)子極距的1/4。·本發(fā)明的有益效果是
I、本發(fā)明將原有E型定子結(jié)構(gòu)電機(jī)中的一個(gè)E型鐵芯拆分為兩個(gè)模塊化的C型鐵芯，充分利用原有的鐵芯來分隔成兩個(gè)C型模塊，兩相繞組仍然置于兩個(gè)C型槽中，兩個(gè)模塊化C型鐵芯結(jié)構(gòu)與動(dòng)子產(chǎn)生相位相反的定位力，雖然構(gòu)成兩相的兩個(gè)模塊化C型定子鐵芯相差90°電角度，但是由于一個(gè)模塊與動(dòng)子產(chǎn)生的定位力在一個(gè)電周期當(dāng)中變化兩個(gè)周期，所以，兩個(gè)相差90°電角度的模塊可以使產(chǎn)生的定位力相差180°電角度，相位相反，兩者疊加抵消形成電機(jī)總定位力，從而實(shí)現(xiàn)定位力抵消，在不改變原有的兩相繞組相差90°電角度的基礎(chǔ)上，達(dá)到減小電機(jī)總的定位力的效果，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊產(chǎn)生的定位力的相互抵消，減小推力脈動(dòng)，提高電機(jī)推力性能，可以滿足小體積、大推力密度的應(yīng)用需求，同時(shí)提高了運(yùn)行的可靠性。2、本發(fā)明的內(nèi)定子環(huán)上的兩套繞組分別嵌在兩個(gè)槽中，使得兩相繞組之間達(dá)到物理上電路、溫度的隔離的效果，當(dāng)其中一相因?yàn)槎搪范鴮?dǎo)致溫度急速上升時(shí)，另外一相繞組不會(huì)受到影響，可實(shí)現(xiàn)帶故障運(yùn)行，增強(qiáng)可靠性。3、本發(fā)明的內(nèi)定子環(huán)由兩個(gè)相同的模塊化結(jié)構(gòu)和中間夾磁障構(gòu)成，磁障的引入使得兩個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)物理上隔離，磁路上解耦，形成兩個(gè)相互獨(dú)立的模塊，提高電機(jī)運(yùn)行的容錯(cuò)性。4、本發(fā)明形成的兩個(gè)模塊化C型結(jié)構(gòu)的4個(gè)定子齒都是邊端齒，雖然都存在邊端效應(yīng)，但是磁路上是對(duì)稱的，所以，反電勢正負(fù)半周是對(duì)稱的，而且兩相反電勢相差90 °電角度，沒有相移的情況發(fā)生。5、本發(fā)明的內(nèi)定子環(huán)模塊化組裝結(jié)構(gòu)方便了生產(chǎn)加工，提高了生產(chǎn)效率，且方便產(chǎn)品使用時(shí)的組裝。6、本發(fā)明也可應(yīng)用于動(dòng)子永磁體結(jié)構(gòu)為軸向充磁的電機(jī)。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明圖I為背景技術(shù)中所述的E型定子鐵芯的兩相圓筒型永磁直線電機(jī)主視半剖視 圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主視半剖視 圖3是圖I所示的傳統(tǒng)E型定子鐵芯的兩相圓筒型永磁直線電機(jī)在空載動(dòng)子速度為O. lm/s時(shí)的兩相反電勢 圖4是圖2所示的本發(fā)明在空載動(dòng)子速度為O. lm/s時(shí)的兩相反電勢 圖5是圖I所示電機(jī)和圖2所示的本發(fā)明的定位力對(duì)比 圖6是圖2所示的本發(fā)明所產(chǎn)生的定位力及其疊加抵消形成的總定位力的效果 圖7是圖2所示的本發(fā)明所產(chǎn)生的定位力和推力的對(duì)比 圖中1外動(dòng)子環(huán)；2內(nèi)定子環(huán)；3永磁體環(huán)；4第一 C型鐵芯；5電樞繞組；6磁障；8第 二 C型鐵芯。
具體實(shí)施例方式參見圖2,本發(fā)明包括外動(dòng)子環(huán)I和內(nèi)定子環(huán)2,外動(dòng)子環(huán)I由Halbach陣列永磁體環(huán)3組成，兩塊徑向充磁方向相反的永磁體中間夾一塊軸向充磁的永磁體，且相鄰兩塊軸向充磁的永磁體充磁方向也相反。其中徑向充磁的永磁體軸向?qū)挾仁禽S向充磁的永磁體軸向?qū)挾鹊?倍。內(nèi)定子環(huán)2由第一 C型鐵芯4、第二 C型鐵芯8、電樞繞組5和磁障6組成。第一C型鐵芯4和第二 C型鐵芯8均由導(dǎo)磁材料制作而成，可采用沖片疊壓而成，磁障6由非導(dǎo)磁材料制作而成。第一 C型鐵芯4、磁障6、第二 C型鐵芯8沿軸向排列，并且三者與外動(dòng)子環(huán)I之間的間隙相同，第一 C型鐵芯4和第二 C型鐵芯8為模塊化結(jié)構(gòu),兩者的結(jié)構(gòu)及布置方式完全相同，第一 C型鐵芯4和第二 C型鐵芯8中間固定夾有磁障6，第一 C型鐵芯4和第二 C型鐵芯8均具有一個(gè)C型槽7，C型槽7的開口處均朝向外動(dòng)子環(huán)I。電樞繞組5呈圓餅狀，嵌于C型槽7中，且每一個(gè)C型槽7中嵌有一套繞組，構(gòu)成A、B兩相。第一 C型鐵芯4和第二 C型鐵芯8的軸向長度均為一個(gè)動(dòng)子極距L，中間夾著的磁障6的軸向?qū)挾萂為一個(gè)動(dòng)子極距L的1/4，中間磁障6的徑向高度H與第一 C型鐵芯4和第二 C型鐵芯8的徑向高度一致，從而使得A、B兩相相間電角度為90°。采用這種模塊化的定子結(jié)構(gòu)，達(dá)到了物理上和結(jié)構(gòu)加工上的模塊化，以及磁路上的模塊化。參見圖3的傳統(tǒng)E型定子鐵芯的兩相圓筒型永磁直線電機(jī)在空載動(dòng)子速度為
O.lm/s時(shí)的兩相反電勢圖，從圖3可見,反電勢的波形正半周和負(fù)半周不對(duì)稱,并且兩相反電勢之間相差的電角度為65°，不是90°。這是由于每相繞組的相鄰兩邊兩個(gè)定子齒(如圖I所示的定子齒和邊端齒)上磁路不對(duì)稱，一個(gè)齒位于定子中部，不受邊端效應(yīng)影響，一個(gè)齒位于定子的端部，受到邊端效應(yīng)的影響，使得兩個(gè)齒上磁路不對(duì)稱。參見圖4的本發(fā)明在空載動(dòng)子速度為O. lm/s時(shí)的兩相反電勢圖，從圖4可見,兩相反電勢的波形正半周和負(fù)半周對(duì)稱，并且兩相反電勢之間相差90°電角度。這是由于每個(gè)C型槽7的中電樞繞組5相鄰的兩個(gè)定子齒均為邊端齒，磁路上對(duì)稱。參見圖5中傳統(tǒng)型電機(jī)和本發(fā)明電機(jī)的定位力對(duì)比圖，從圖5可見，傳統(tǒng)E型鐵芯定子電機(jī)產(chǎn)生的定位力較大，而本發(fā)明的定位力明顯減小，僅為傳統(tǒng)型的7. 8%,本發(fā)明定位力減小的效果很明顯，可實(shí)現(xiàn)定位力最小化。
參見圖6中本發(fā)明中兩個(gè)模塊分別產(chǎn)生的定位力和它們疊加抵消形成的電機(jī)總定位力的效果圖，從圖6可見，本本發(fā)明總的定位力是兩個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)所分別產(chǎn)生的相位相反的定位力相互疊加抵消的結(jié)果，所以，本發(fā)明的定位力可以實(shí)現(xiàn)最小化。直線電機(jī)所產(chǎn)生的推力包括三個(gè)部分電磁推力、定位力和磁阻力。其中，定位力的波動(dòng)是產(chǎn)生推力脈動(dòng)的主要因素。那么減小定位力，實(shí)現(xiàn)定位力的最小化是電機(jī)提供較為平穩(wěn)推力的一個(gè)重要的手段。參見圖7中本發(fā)明所產(chǎn)生的定位力和推力的對(duì)比圖，從圖7可以看出，推力脈動(dòng)為18N，定位力脈動(dòng)為16N，引起推力脈動(dòng)的主要因素為定位力?！?br> 權(quán)利要求
1.一種模塊化C型定子鐵芯的圓筒型永磁直線電機(jī)，包括外動(dòng)子環(huán)(I)和內(nèi)定子環(huán)(2),其特征是內(nèi)定子環(huán)(2)由電樞繞組(5)、非導(dǎo)磁材料制成的磁障(6)、導(dǎo)磁材料制成的結(jié)構(gòu)相同的第一、第二 C型鐵芯(4、8)組成；第一、第二 C型鐵芯(4、8)的中間固定夾有磁障6、沿軸向排列、與外動(dòng)子環(huán)I之間的間隙相同；第一、第二 C型鐵芯(4、8)均具有一個(gè)C型槽(7 )，C型槽(7 )的開口處朝向外動(dòng)子環(huán)(I)，每個(gè)C型槽(7 )中嵌有一套電樞繞組(5 );第一、第二 C型鐵芯(4、8)的軸向長度為一個(gè)動(dòng)子極距，磁障(6)的軸向?qū)挾葹樗鲆粋€(gè)動(dòng)子極距的1/4。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模塊化C型定子鐵芯的圓筒型永磁直線電機(jī)，其特征是磁障(6)的徑向高度與第一、第二 C型鐵芯(4、8)的徑向高度相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模塊化C型定子鐵芯的圓筒型永磁直線電機(jī)，其特征是夕卜動(dòng)子環(huán)(I)由Halbach陣列永磁體環(huán)(3)組成，兩塊徑向充磁方向相反的永磁體中間夾有一塊軸向充磁的永磁體，且相鄰兩塊軸向充磁的永磁體充磁方向相反，徑向充磁的永磁體軸向?qū)挾仁禽S向充磁的永磁體軸向?qū)挾鹊?倍。
全文摘要
本發(fā)明公開一種應(yīng)用于小型直線推進(jìn)系統(tǒng)中的模塊化C型定子鐵芯的圓筒型永磁直線電機(jī)，內(nèi)定子環(huán)由電樞繞組、非導(dǎo)磁材料制成的磁障、導(dǎo)磁材料制成的結(jié)構(gòu)相同的兩C型鐵芯組成，兩C型鐵芯中間固定夾有磁障、沿軸向排列、與外動(dòng)子環(huán)之間間隙相同；兩C型鐵芯均具有一個(gè)C型槽，C型槽的開口處朝向外動(dòng)子環(huán)，每個(gè)C型槽中嵌有一套電樞繞組；兩C型鐵芯的軸向長度為一個(gè)動(dòng)子極距，磁障的軸向?qū)挾葹橐粋€(gè)動(dòng)子極距的1/4；兩個(gè)模塊化C型鐵芯結(jié)構(gòu)與動(dòng)子產(chǎn)生相位相反的定位力，實(shí)現(xiàn)定位力抵消；兩相繞組之間達(dá)到物理上電路、溫度的隔離效果，可實(shí)現(xiàn)帶故障運(yùn)行；磁障使得兩個(gè)模塊化C型鐵芯物理上隔離，磁路上解耦，提高電機(jī)運(yùn)行的容錯(cuò)性。
文檔編號(hào)H02K41/03GK102938603SQ20121048250
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者吉敬華, 趙文祥, 嚴(yán)淑君, 房卓婭 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)