本發(fā)明涉及具有特殊需要的弧形路徑電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域,具體涉及一種基于電磁感應(yīng)的雙層轉(zhuǎn)子的弧線電機(jī)。
背景技術(shù):
電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件,在把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號(hào)的過程中起到了重要作用。比較常見的有異步感應(yīng)旋轉(zhuǎn)電機(jī),永磁同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)和永磁式直線電機(jī)等等,其工作原理無外乎兩種,一種為基于法拉第電磁感應(yīng)定律的電感式,一種為基于磁極間相互作用的永磁式。永磁同步電機(jī),磁動(dòng)勢(shì)由永磁體產(chǎn)生。磁動(dòng)勢(shì)、電壓和電流的波形均為正弦波形。高性能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要伺服操作系統(tǒng),永磁同步電機(jī)具有響應(yīng)迅速、高功率密度和效率高的優(yōu)點(diǎn)。但是,在一些情況下,永磁式電機(jī)有一些較為明顯的缺點(diǎn)。我國(guó)稀土資源緊缺,用以制造轉(zhuǎn)子永磁體的材料不足,導(dǎo)致價(jià)格昂貴;永磁電機(jī)不僅價(jià)格較貴,永磁體性能對(duì)溫度變化也較為敏感,在不損害磁體的情況下,感應(yīng)電機(jī)的定子峰值電流可以是轉(zhuǎn)子電流的幾倍;此外,永磁電機(jī)無法做到功率很大,而感應(yīng)式電機(jī)可以通過增大勵(lì)磁電流獲得較大的輸出功率。
現(xiàn)今情況下,旋轉(zhuǎn)電機(jī)逐漸滿足不了機(jī)電系統(tǒng)的需求,因此便出現(xiàn)了一些具有特殊功能的電機(jī),比如直線電機(jī),球電機(jī)等等。在一些系統(tǒng)中,還需要轉(zhuǎn)子作弧線運(yùn)動(dòng),因此需要一種滿足要求的弧線電機(jī),但幾乎沒有以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的弧線電機(jī)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明從傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)中得到啟發(fā),發(fā)明了一種基于電磁感應(yīng)式的雙層轉(zhuǎn)子的弧線電機(jī),并在相應(yīng)的垂直方向上通過電磁鐵使其實(shí)現(xiàn)磁懸浮,極大程度上消除了摩擦和轉(zhuǎn)子磨損。
本發(fā)明提供了一種基于電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)的弧線電機(jī),為電磁感應(yīng)式,包括定子、轉(zhuǎn)子和電磁鐵;其中轉(zhuǎn)子為兩層材質(zhì)的柱狀結(jié)構(gòu),外層材質(zhì)為銅,內(nèi)層材質(zhì)為鐵;電磁鐵布置在轉(zhuǎn)子的正上方。
所述的定子的線圈繞組在通過電流時(shí),在空氣隙中產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生因磁場(chǎng)變化感應(yīng)出的渦流;所述的轉(zhuǎn)子的內(nèi)層與定子和所產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)形成閉合磁場(chǎng)回路;所述的渦流與產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)相互作用,在洛倫茲力的作用下產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩,驅(qū)動(dòng)弧線形轉(zhuǎn)子沿著弧形導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。所述的轉(zhuǎn)子內(nèi)層還與電磁鐵相互作用實(shí)現(xiàn)磁懸浮。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果在于:
1)本發(fā)明的弧線電機(jī)采用電磁感應(yīng)式,通過增大勵(lì)磁電流,可以獲得較大的輸出功率,響應(yīng)較快,轉(zhuǎn)子可以連續(xù)平滑轉(zhuǎn)動(dòng),成本比永磁式電機(jī)要低,并且耐高溫。
2)本發(fā)明的電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為雙層不同材料的柱狀轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。外層為銅,用以產(chǎn)生渦流,從而在滑移磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩;內(nèi)層為鐵,導(dǎo)磁率較高,與定子和氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生磁回路。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造安裝方便,并且較容易實(shí)現(xiàn)磁懸浮。
3)本發(fā)明的電機(jī)在轉(zhuǎn)子的垂直方向上利用電磁鐵對(duì)鐵層轉(zhuǎn)子的吸引力較易實(shí)現(xiàn)磁懸浮。代替了軸承,減少了摩擦和材料損耗,可以獲得較高的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,同時(shí)通過改變電磁鐵的電流大小來改變垂直方向上轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的弧線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是本發(fā)明的弧線電機(jī)的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3是本發(fā)明提供的一個(gè)定子繞組的通電相序示例圖;
圖4是本發(fā)明的雙層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式電機(jī)的轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)體,通常多呈鼠籠狀。而本發(fā)明提供的基于電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)的弧線電機(jī)的轉(zhuǎn)子不再使用傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的鼠籠導(dǎo)條結(jié)構(gòu),而是兩層的柱狀結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的弧線電機(jī)為電磁感應(yīng)式,如圖1所示,包括定子、轉(zhuǎn)子和若干電磁鐵。其中,定子繞組1安裝在定子鐵芯2上的定子槽3上。轉(zhuǎn)子的外邊面為弧線形可沿著弧形導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子是兩層材質(zhì)的柱狀結(jié)構(gòu),外層材質(zhì)是銅,稱為銅層轉(zhuǎn)子4,內(nèi)層材質(zhì)為鐵,稱為鐵層轉(zhuǎn)子5。若干電磁鐵6布置在轉(zhuǎn)子的正上方。
內(nèi)層轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁率較高的鐵,一個(gè)作用是用來與定子和氣隙磁場(chǎng)形成閉合磁場(chǎng)回路,另一個(gè)作用是與電磁鐵相互作用實(shí)現(xiàn)磁懸浮。兩層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相互結(jié)合在一起,可以考慮在鐵柱表面上鍍銅實(shí)現(xiàn)。
定子鐵芯內(nèi)嵌入具有一定相序的線圈繞組,通過相應(yīng)的電流,就會(huì)在空氣隙中產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生因磁場(chǎng)變化感應(yīng)出的渦流。定子線圈繞組通電后,轉(zhuǎn)子與定子和氣隙磁場(chǎng)所形成的閉合磁場(chǎng)回路是定子→空氣隙→銅層轉(zhuǎn)子→鐵質(zhì)轉(zhuǎn)子→鐵質(zhì)轉(zhuǎn)子→銅層轉(zhuǎn)子→空氣隙→定子。渦流與所產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)相互作用,在洛倫茲力的作用下產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩,驅(qū)動(dòng)弧線形轉(zhuǎn)子沿著弧形導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的電機(jī)在轉(zhuǎn)子的垂直方向上利用電磁鐵對(duì)鐵層轉(zhuǎn)子的吸引力較易實(shí)現(xiàn)磁懸浮。因?yàn)閮?nèi)層轉(zhuǎn)子為鐵質(zhì)材料,是磁性材料,所以在轉(zhuǎn)子正上方布置若干電磁鐵,可以吸引內(nèi)層的鐵質(zhì)轉(zhuǎn)子,以抵消轉(zhuǎn)子的自重??梢允褂秒姕u流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電磁鐵與鐵質(zhì)轉(zhuǎn)子間的空氣隙的大小,從而通過改變電磁鐵的電流來改變吸引力的大小,使鐵質(zhì)轉(zhuǎn)子維持在一個(gè)恒定的位置。通過改變電磁鐵的電流大小來改變垂直方向上轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置的方式代替了軸承,減少了摩擦和材料損耗,轉(zhuǎn)子也可以獲得較高的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。
如圖3所示,為定子繞組的通電相序,以6槽為例,繞組分相如下所示,其分相規(guī)律類似于普通的旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)電機(jī),電源的三相a,b,c依次相差120°相位。圖中,以b相繞組為例,b+與b-是同一相電流,可以是同一匝繞組,相位是相同的,但電流正方向不同。本發(fā)明的弧線電機(jī),可通過增大定子的勵(lì)磁電流,獲得較大的輸出功率,增大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的連續(xù)平滑轉(zhuǎn)動(dòng),成本比永磁式電機(jī)要低,并且耐高溫。
如圖4所示,為雙層的電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),外層銅質(zhì)轉(zhuǎn)子用來產(chǎn)生渦流,內(nèi)層鐵質(zhì)轉(zhuǎn)子用來構(gòu)成磁場(chǎng)回路。由于集膚效應(yīng)的作用,外層轉(zhuǎn)子不宜做的太厚,其中可以根據(jù)以下公式計(jì)算渦流滲透深度,從而估計(jì)銅層轉(zhuǎn)子的厚度δ。
其中,ω為定子線圈電流的角頻率,σ為銅質(zhì)轉(zhuǎn)子的電導(dǎo)率,μ0為真空磁導(dǎo)率,μr為銅質(zhì)轉(zhuǎn)子的相對(duì)磁導(dǎo)率。