專利名稱：減小定位力的模塊化永磁直線電機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種應用于小型直線推進系統中的永磁直線電機，例如應用于人
工心臟泵等。
背景技術：
直線電機是直接將電能轉化為直線運動的機械能的電機，不需要中間傳動機構，在提高可靠性運行的同時節約制造成本，因此能替代旋轉電機而廣泛應用于直線運動的場合。目前，小型直線電機已應用于人工心臟直線推進系統中，人工心臟狹小的空間對電機的體積有較高要求，需要電機在有限的空間里面具有較高的、較為平穩的推力密度，同時能減小電機的推力脈動，能提供較大、較為平穩的推力。另外，在應用時，對于電機的可靠性要求比較高，因為電機的可靠性直接關系到病人的生命安全，所以，需要設計出高可靠性的直線電機。同時，還要求電機重量輕，以方便病人的日常生活，減輕病人負擔。直線振蕩電機和混合式電機已被應用于人工心臟這種小型的直線運動的場合，在文獻“Electromagnetic modeling of a novel linear oscillating，，中(公開發表于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，振蕩電機一般工作于半個極距范圍內，其電磁推力在半個極距的中間一段距離中較為平穩，所以單相電機多作為振蕩電機使用，但是其缺陷是需要安裝彈簧來完成往復運動，而彈簧的使用壽命有限，直接威脅著電機的使用壽命。然后，兩相直線電機不同于單相電機，可以在一個極距的距離范圍內提供平穩的電磁推力，所以，兩相直線電機可以不需要彈簧來完成往復運動，可將兩相直線電機應用于需要高可靠性的場合。參見圖1，圖1示出了一種傳統E型定子鐵芯的冗余式圓筒型永磁直線電機的主視半剖視圖，該電機由外動子環I’和內定子環2’組成；外動子環I’由Halbach陣列永磁體環3’組成，其中徑向充磁的永磁體軸向寬度為軸向充磁的永磁體寬度的2倍；內定子環2’由初級E型鐵芯4’和電樞繞組5’組成；E型鐵芯4’的兩個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。E型鐵芯4’的兩個槽的槽距與動子極距的比為5/4，以保證兩相繞組之間相差電角度90°。這種傳統E型定子鐵芯的兩相圓筒型永磁直線電機，動子永磁體采用Halbach陣列，由于Halbach陣列的磁場主要在動子的一側，即圖1結構中顯示為磁場主要分布于動子(永磁體環)的內側經過E型定子鐵芯形成磁回路，而動子(永磁體環)外側磁場分布很少，省去了動子(永磁體環)外側的鐵芯，該電機的動子僅由永磁體構成，永磁體外面沒有鐵芯等導磁材料，從而減小了電機的重量。然而，其內部結構之間不能實現定位力的互補抵消，其定位力較大，嚴重影響了電機的推力性能。而且，該電機定子中間齒和邊端齒的磁路不對稱，中間齒上無邊端效應，而兩端齒上有邊端效應，所以使得產生的反電勢波形正負半周不對稱，導致原本應該相差90°電角度的兩相反電勢會發生相移，使得兩相反電勢相差的電角度實際上并不是90°。專利公開號為CN 101860174 A中提出了用模塊化結構來實現定位力的抵消，利用兩個相差180°電角度的模塊分別與動子相互作用產生兩個相位相差180°的定位力，從而實現定位力的抵消。通過添加與其相位相反的模塊來實現抵消功能，就是引入另外一個E型鐵芯，使兩個E型鐵芯相差180°電角度，增加了額外的、與原有結構相位相反的結構，必然導致了電機軸向長度增加一倍以上，造成電機長度的增加，這不適宜于體積限制要求較高的場合。
發明內容本實用新型的目的是為克服上述現有技術缺陷而提供一種能減小定位力的模塊化永磁直線電機，能夠在不改變傳統的E型定子結構的電機軸向長度的情況下，減小定位力，實現定位力最小化，提高推力性能。為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案是:包括外動子環和內定子環，內定子環由電樞繞組、非導磁材料制成的磁障、導磁材料制成的第一、第二 C型鐵芯組成；第一、第二 C型鐵芯的結構相同、中間固定夾有磁障、沿軸向排列、與外動子環之間的間隙相同；第一、第二 C型鐵芯均具有一個C型槽，C型槽的開口處朝向外動子環，每個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動子極距，磁障的軸向寬度為所述一個動子極距的1/4。本實用新型的有益效果是:1、本實用新型將原有E型定子結構電機中的一個E型鐵芯拆分為兩個模塊化的C型鐵芯，充分利用原有的鐵芯來分隔成兩個C型模塊，兩相繞組仍然置于兩個C型槽中，兩個模塊化C型鐵芯結構與動子產生相位相反的定位力，雖然構成兩相的兩個模塊化C型定子鐵芯相差90°電角度，但是由于一個模塊與動子產生的定位力在一個電周期當中變化兩個周期，所以，兩個相差90°電角度的模塊可以使產生的定位力相差180°電角度，相位相反，兩者疊加抵消形成電機總定位力，從而實現定位力抵消，在不改變原有的兩相繞組相差90°電角度的基礎上，達到減小電機總的定位力的效果，實現兩個模塊產生的定位力的相互抵消，減小推力脈動，提高電機推力性能，可以滿足小體積、大推力密度的應用需求，同時提高了運行的可靠性。2、本實用新型的內定子環上的兩套繞組分別嵌在兩個槽中，使得兩相繞組之間達到物理上電路、溫度的隔離的效果，當其中一相因為短路而導致溫度急速上升時，另外一相繞組不會受到影響，可實現帶故障運行，增強可靠性。3、本實用新型的內定子環由兩個相同的模塊化結構和中間夾磁障構成，磁障的引入使得兩個模塊化結構物理上隔離，磁路上解耦，形成兩個相互獨立的模塊，提高電機運行的容錯性。4、本實用新型形成的兩個模塊化C型結構的4個定子齒都是邊端齒，雖然都存在邊端效應，但是磁路上是對稱的，所以，反電勢正負半周是對稱的，而且兩相反電勢相差90°電角度，沒有相移的情況發生。5、本實用新型的內定子環模塊化組裝結構方便了生產加工，提高了生產效率，且方便產品使用時的組裝。6、本實用新型也可應用于動子永磁體結構為軸向充磁的電機。
[0015]
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細說明:圖1為背景技術中所述的E型定子鐵芯的兩相圓筒型永磁直線電機主視半剖視圖；圖2為本實用新型的結構主視半剖視圖；圖3是圖1所不的傳統E型定子鐵芯的兩相圓筒型永磁直線電機在空載動子速度為0.lm/s時的兩相反電勢圖；圖4是圖2所示的本實用新型在空載動子速度為0.lm/s時的兩相反電勢圖；圖5是圖1所示電機和圖2所示的本實用新型的定位力對比圖；圖6是圖2所示的本實用新型所產生的定位力及其疊加抵消形成的總定位力的效果圖；圖7是圖2所示的本實用新型所產生的定位力和推力的對比圖；圖中:1外動子環；2內定子環；3永磁體環；4第一 C型鐵芯；5電樞繞組；6磁障；8第二C型鐵芯。
具體實施方式
參見圖2,本實用新型包括外動子環I和內定子環2,外動子環I由Halbach陣列永磁體環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寬度是軸向充磁的永磁體軸向寬度的2倍。內定子環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均由導磁材料制作而成，可采用沖片疊壓而成，磁障6由非導磁材料制作而成。第一 C型鐵芯4、磁障6、第二 C型鐵芯8沿軸向排列，并且三者與外動子環I之間的間隙相同，第一 C型鐵芯4和第二 C型鐵芯8為模塊化結構,兩者的結構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C型槽7，C型槽7的開口處均朝向外動子環I。電樞繞組5呈圓餅狀，嵌于C型槽7中，且每一個C型槽7中嵌有一套繞組，構成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動子極距L，中間夾著的磁障6的軸向寬度M為一個動子極距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構，達到了物理上和結構加工上的模塊化，以及磁路上的模塊化。參見圖3的傳統E型定子鐵芯的兩相圓筒型永磁直線電機在空載動子速度為
0.lm/s時的兩相反電勢圖，從圖3可見,反電勢的波形正半周和負半周不對稱,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定子齒(如圖1所示的定子齒和邊端齒)上磁路不對稱，一個齒位于定子中部，不受邊端效應影響，一個齒位于定子的端部，受到邊端效應的影響，使得兩個齒上磁路不對稱。參見圖4的本實用新型在空載動子速度為0.lm/s時的兩相反電勢圖，從圖4可見，兩相反電勢的波形正半周和負半周對稱，并且兩相反電勢之間相差90°電角度。這是由于每個C型槽7的中電樞繞組5相鄰的兩個定子齒均為邊端齒，磁路上對稱。[0029]參見圖5中傳統型電機和本實用新型電機的定位力對比圖，從圖5可見，傳統E型鐵芯定子電機產生的定位力較大，而本實用新型的定位力明顯減小，僅為傳統型的7.8%，本實用新型定位力減小的效果很明顯，可實現定位力最小化。參見圖6中本實用新型中兩個模塊分別產生的定位力和它們疊加抵消形成的電機總定位力的效果圖，從圖6可見，本實用新型總的定位力是兩個模塊化結構所分別產生的相位相反的定位力相互疊加抵消的結果，所以，本實用新型的定位力可以實現最小化。直線電機所產生的推力包括三個部分:電磁推力、定位力和磁阻力。其中，定位力的波動是產生推力脈動的主要因素。那么減小定位力，實現定位力的最小化是電機提供較為平穩推力的一個重要的手段。參見圖7中本實用新型所產生的定位力和推力的對比圖，從圖7可以看出，推力脈動為18N，定位力脈動為16N，引起推力脈動的主要因素為定位力。
權利要求1.一種減小定位力的模塊化永磁直線電機，包括外動子環(I)和內定子環(2)，其特征是:內定子環(2 )由電樞繞組(5 )、非導磁材料制成的磁障(6 )、導磁材料制成的結構相同的第一、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、與外動子環(I)之間的間隙相同；第一、第二 C型鐵芯(4、8)均具有一個C型槽(7)，C型槽(7)的開口處朝向外動子環(1)，每個C型槽(7)中嵌有一套電樞繞組(5);第一、第二 C型鐵芯(4、8)的軸向長度為一個動子極距，磁障(6)的軸向寬度為所述一個動子極距的1/4。
2.根據權利要求1所述的減小定位力的模塊化永磁直線電機，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.根據權利要求1所述的減小定位力的模塊化永磁直線電機，其特征是:外動子環(I)由Halbach陣列永磁體環(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寬度是軸向充磁的永磁體軸向寬度的2倍。
專利摘要本實用新型公開一種應用于小型直線推進系統中的減小定位力的模塊化永磁直線電機，內定子環由電樞繞組、非導磁材料制成的磁障、導磁材料制成的結構相同的兩C型鐵芯組成，兩C型鐵芯中間固定夾有磁障、沿軸向排列、與外動子環之間間隙相同；兩C型鐵芯均具有一個C型槽，C型槽的開口處朝向外動子環，每個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動子極距，磁障的軸向寬度為一個動子極距的1/4；兩個模塊化C型鐵芯結構與動子產生相位相反的定位力，實現定位力抵消；兩相繞組之間達到物理上電路、溫度的隔離效果，可實現帶故障運行；磁障使得兩個模塊化C型鐵芯物理上隔離，磁路上解耦，提高電機運行的容錯性。
文檔編號H02K1/22GK202997904SQ201220627418
公開日2013年6月12日 申請日期2012年11月26日 優先權日2012年11月26日
發明者吉敬華, 趙文祥, 嚴淑君, 房卓婭 申請人:江蘇大學