CN204794640U - 一种直线电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的直线电机，包括定子和动子，定子沿YZ平面的截面为U型结构，动子设于定子的U型结构内，定子和动子之间设有气隙；动子包括沿Y轴平行分布的两组磁铁阵列、设于两组磁铁阵列之间的动子轭和连接动子轭的滑块，每组磁铁阵列由至少一个Halbach单元构成，滑块与定子滑动连接，动子轭采用非导磁材料制成。采用非导磁材料制成动子轭，材质轻盈，降低了电机的整体重量，同时避免了涡流效应和磁滞效应引起的损耗和发热问题，提高了直线电机的工作效率；此外，该动子部分与电缆线没有直接连接，不仅简化了电机的结构和制造复杂度，而且运动不受电缆线的限制，增加电机的行程和系统可靠性。

Description

一种直线电机

技术领域

本实用新型涉及电机领域，具体涉及一种直线电机。

背景技术

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是由一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。其中由定子演变而来的一侧作为初级，由转子演变而来的一侧作为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。以直线感应电动机为例：当初级线圈绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。直线电机的控制系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须在安全可靠的前提下满足技术与经济共同需求。

最早的直线电机通常为单边型直线同步电机，如图1所示，包括由永磁体11’和定子轭12’构成的定子1’和由动子轭21’和线圈绕组22’构成的动子2’，动子2’设于定子1’上方，相对定子1’进行直线运动，该种直线电机在运行过程中会产生巨大的单边磁拉力，给电机的制造和运行造成很大的困难，同时由于直线电机自身的边端效应和漏磁及其较大的气隙宽度，造成运行效率的低下和能量的损耗。

针对以上问题，之后出现了双边型直线电机，如图2所示，将永磁铁11’作为定子1’部分，将线圈绕组22’作为动子2’部分。但是采用这种结构的电机由于线圈绕组22’部分与电缆线之间有物理连接，在电机动子2’作往复运动时必将造成电缆线的损坏和漏电等问题，同时制约电机的行程，降低了电机系统运行的可靠性。同时，该直线电机采用传统方法排列永磁铁11’，形成的气隙磁密没有很好的正弦性，导致在电机的气隙中形成大量的高次谐波，从而降低电机的性能。此外，该直线电机使用硅钢片作为动子2’和定子1’的材料，硅钢片具有很好的导磁作用，然而硅钢片容易引起涡流效应和磁滞效应，而且过高的磁密会造成硅钢片的饱和现象，增加损耗和发热，加上硅钢片的材质重，降低了直线电机的工作效率。

实用新型内容

本实用新型为了克服以上不足，提供了一种有效提高气隙磁密和输出推力，降低电机的重量和损耗，提高电机性能和工作效率的直线电机。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种直线电机，包括定子和动子，所述定子沿YZ平面的截面为U型结构，所述动子设于所述定子的U型结构内，所述定子和动子之间设有气隙；所述动子包括两组沿Y轴平行分布的磁铁阵列、设于两组所述磁铁阵列之间的动子轭和与所述动子轭连接的滑块，每组所述磁铁阵列由至少一个Halbach单元构成，所述滑块与定子滑动连接，所述动子轭采用非导磁材料制成。

进一步的，所述滑块设于所述动子轭的上下两侧。

进一步的，所述滑块通过内六角螺钉与动子轭固定连接。

进一步的，所述定子包括两组与所述U型结构的开口相对应的定子轭、连接两组所述定子轭的固定板、以及设于所述定子轭相对一侧的直线导轨，两组所述定子轭相对一侧均设有若干定子齿，所述定子齿之间设有线圈绕组，所述滑块与所述直线导轨滑动连接，所述气隙位于所述定子齿和磁铁阵列之间。

进一步的，所述线圈绕组通过槽楔与所述定子齿进行固定。

进一步的，所述线圈绕组与三相交流电连接。

进一步的，所述固定板、定子轭和定子齿由非导磁材料制成。

进一步的，所述非导磁材料为铝。

进一步的，每组所述磁铁阵列中Halbach单元的数量为一个。

进一步的，所述Halbach单元由三块永磁铁构成，所述三块永磁铁依次为第一磁铁、第二磁铁和第三磁铁或依次为第三磁铁、第二磁铁和第一磁铁，所述第一磁铁和第三磁铁沿XY平面的截面为T型，且第一磁铁的磁化方向沿Y轴正向，第三磁铁的磁化方向沿Y轴负向，所述第二磁铁沿XY平面的截面为倒T型，且第二磁铁的磁化方向沿X轴负向，两组所述磁铁阵列中永磁铁的排列次序不同。

本实用新型提供的直线电机，包括定子和动子，所述定子沿YZ平面的截面为U型结构，所述动子设于所述定子的U型结构内，所述定子和动子之间设有气隙；所述动子包括沿Y轴平行分布的两组磁铁阵列、设于两组所述磁铁阵列之间的动子轭和连接所述动子轭的滑块，每组所述磁铁阵列由若干Halbach单元构成，所述滑块与定子滑动连接，所述动子轭采用非导磁材料制成。采用非导磁材料制成动子轭，材质轻盈，降低了电机的整体重量，同时避免了涡流效应和磁滞效应引起的损耗和发热问题，提高了直线电机的工作效率；采用Halbach单元构成的磁铁阵列形成的气隙磁密具有很好的正弦性，大大提升了直线电机的性能；此外，该动子部分与电缆线没有直接连接，不仅简化了电机的结构和制造复杂度，而且运动不受电缆线的限制，增加电机的行程和系统可靠性。

附图说明

图1是现有单边型直线同步电机的结构示意图；

图2是现有双边型直线电机的结构示意图；

图3是本实用新型无铁芯直线电机结构示意图；

图4是本实用新型无铁芯直线电机的磁回路示意图；

图5是本实用新型磁铁阵列的结构示意图。

图1-2中所示：1’、定子；11’、永磁铁；12’、定子轭；2’、动子；21’、动子轭；22’、线圈绕组。

图3-5中所示：1、定子；11、定子轭；12、固定板；13、直线导轨；14、定子齿；15、线圈绕组；2、动子；21、磁铁阵列；22、动子轭；23、滑块；24、Halbach单元；241、第一磁铁；242、第二磁铁；243、第三磁铁；3、气隙。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细描述：

如图3所示，一种直线电机，包括定子1和动子2，所述定子1沿YZ平面的截面为U型结构，所述动子2设于所述定子1的U型结构内，所述定子1和动子2之间设有气隙3；所述动子2包括两组沿Y轴(竖直方向)平行分布的磁铁阵列21、设于两组所述磁铁阵列21之间的动子轭22和与所述动子轭22连接的滑块23，每组所述磁铁阵列21由至少一个Halbach单元24构成，所述滑块23与定子1滑动连接，所述动子轭22采用非导磁材料制成，采用非导磁材料制成动子轭22，优选为铝材料，材质轻，质地坚韧，也避免了涡流效应和磁滞效应引起的损耗和发热问题，提高了直线电机的工作效率。

请重点参照图3，所述滑块23设于所述动子轭22的上下两侧，优选的，所述滑块23通过内六角螺钉与动子轭22固定连接，滑块23不仅起到支撑动子2的作用，同时与动子2一起相对定子1进行直线运动。

优选的，所述定子1包括两组与所述U型结构的开口相对应的定子轭11、连接两组所述定子轭11的固定板12、以及设于所述定子轭11相对一侧的直线导轨13，两组所述定子轭11相对一侧均设有若干定子齿14，所述定子齿14之间设有线圈绕组15，所述滑块23与所述直线导轨13滑动连接，所述气隙3位于所述定子齿14和磁铁阵列21之间。具体的，定子轭11为扁平的长方体结构，直线导轨13通过内六角螺钉固定在定子轭11上，由钢材料制成，硬度大，稳定性好，所述固定板12、定子轭11和定子齿14均由非导磁材料制成，优选的，由铝材料制成，材质轻，质地坚韧；线圈绕组15由铜材料制成，导电性好。

优选的，所述线圈绕组15通过槽楔(图中未标出)与所述定子齿14进行固定连接。优选的，所述线圈绕组15与三相交流电连接。具体的，将线圈绕组15端部连接成Y型，并将每一端分别与三相交流电的相应一端连接，对线圈绕组15通入三相交流电之后，使其对磁铁阵列21产生沿X轴方向的作用力，带动动子2沿X轴做直线运动，由于线圈绕组15设于定子1而非动子2上，使该动子2与电缆线没有直接连接，不仅简化了电机的结构和制造复杂度，而且运动不受电缆线的限制，增加电机的行程和系统可靠性。。

如图5所示，每组所述磁铁阵列21中Halbach单元24的数量为一个，优选的，所述Halbach单元24由三块永磁铁构成，所述三块永磁铁依次为第一磁铁241、第二磁铁242和第三磁铁243或依次为第三磁铁243、第二磁铁242和第一磁铁241，所述第一磁铁241和第三磁铁243沿XY平面的截面为T型，且第一磁铁241的磁化方向沿Y轴正向，第三磁铁243的磁化方向沿Y轴负向，所述第二磁铁242沿XY平面的截面为倒T型，且第二磁铁242的磁化方向沿X轴负向，所述两组磁铁阵列21中永磁铁的排列次序不同，如图4所示，上层磁铁阵列21中从左至右依次为第一磁铁241、第二磁铁242和第三磁铁243，下层磁铁阵列21中从左至右依次为第三磁铁243、第二磁铁242和第一磁铁241。如图5所示，磁力线从左侧磁铁的N极出发，依次经过气隙3、定子齿14、定子轭11、定子齿14和气隙3、回到右侧磁铁的S极，形成一个磁回路。由于Halbach单元24的单边磁屏蔽效应，造成两组磁铁阵列21靠近一侧的磁力线相互抵消，另一侧磁力线加强，因此磁铁阵列21靠近动子轭22处的磁密忽略，而靠近气隙3处的磁密则加强，使直线电机的输出功率增大，故障率降低。此外，由于永磁铁采用不规则的T型或倒T型结构，相比规则的矩形永磁铁，该结构产生的气隙磁密具有更好的正弦性，更低的谐波含量，大大降低了电机输出的推力波动和损耗，进一步提高了电机的稳定性和工作效率。

综上所述，本实用新型提供的无铁芯直线电机，采用非导磁材料制成动子轭22，材质轻盈，降低了电机的整体重量，同时避免了涡流效应和磁滞效应引起的损耗和发热问题，提高了直线电机的工作效率；采用Halbach单元24构成的磁铁阵列21形成的气隙磁密具有很好的正弦性，大大提升了直线电机的性能；此外，该动子2与电缆线没有直接连接，不仅简化了电机的结构和制造复杂度，而且运动不受电缆线的限制，增加电机的行程和系统可靠性。

虽然说明书中对本实用新型的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本实用新型的保护范围。在不脱离本实用新型宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直线电机，包括定子和动子，其特征在于，所述定子沿YZ平面的截面为U型结构，所述动子设于所述定子的U型结构内，所述定子和动子之间设有气隙；所述动子包括两组沿Y轴平行分布的磁铁阵列、设于两组所述磁铁阵列之间的动子轭和与所述动子轭连接的滑块，每组所述磁铁阵列由至少一个Halbach单元构成，所述滑块与定子滑动连接，所述动子轭采用非导磁材料制成。

2.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述滑块设于所述动子轭的上下两侧。

3.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述滑块通过内六角螺钉与动子轭固定连接。

4.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述定子包括两组与所述U型结构的开口相对应的定子轭、连接两组所述定子轭的固定板、以及设于所述定子轭相对一侧的直线导轨，两组所述定子轭相对一侧均设有若干定子齿，所述定子齿之间设有线圈绕组，所述滑块与所述直线导轨滑动连接，所述气隙位于所述定子齿和磁铁阵列之间。

5.根据权利要求4所述的直线电机，其特征在于，所述线圈绕组通过槽楔与所述定子齿进行固定。

6.根据权利要求4所述的直线电机，其特征在于，所述线圈绕组与三相交流电连接。

7.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述固定板、定子轭和定子齿由非导磁材料制成。

8.根据权利要求1或7任一项所述的直线电机，其特征在于，所述非导磁材料为铝。

9.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，每组所述磁铁阵列中Halbach单元的数量为一个。

10.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述Halbach单元由三块永磁铁构成，所述三块永磁铁依次为第一磁铁、第二磁铁和第三磁铁或依次为第三磁铁、第二磁铁和第一磁铁，所述第一磁铁和第三磁铁沿XY平面的截面为T型，且第一磁铁的磁化方向沿Y轴正向，第三磁铁的磁化方向沿Y轴负向，所述第二磁铁沿XY平面的截面为倒T型，且第二磁铁的磁化方向沿X轴负向，两组所述磁铁阵列中永磁铁的排列次序不同。