專利名稱：一種圓筒形直線電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圓筒形直線電機(jī)，特別是一種永磁體置于定子上的直線電機(jī)，可作為油田直線抽油機(jī)驅(qū)動電機(jī)。
背景技術(shù)：
直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能而不需通過中間任何轉(zhuǎn)換裝置的電機(jī)，與“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”傳動方式相比較，可以省去中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，減少設(shè)備占用空間，提高系統(tǒng)效率。作為直線電機(jī)的一種結(jié)構(gòu)形式，圓筒形直線電機(jī)更具優(yōu)越性高運(yùn)行效率、高功率及力密度、良好的伺服性能、封閉的結(jié)構(gòu)、沒有繞組端部及容易克服單邊磁拉力、可以做成細(xì)長結(jié)構(gòu)。常規(guī)的圓筒形直線電機(jī)永磁體置于動子上，有效出力的永磁體僅為與定子相對的一小部分，在一個完整的直線電機(jī)的沖程中任一塊永磁體僅處于定子鐵心內(nèi)部時才會與電樞繞組相互作用產(chǎn)生力矩，在沖程的大部分區(qū)域永磁體位于定子區(qū)域之外并不會與電樞繞組相互作用產(chǎn)生力矩，如圖1所示，永磁體的利用率低，并且永磁體需要一個襯套作為保護(hù)，這會導(dǎo)致電機(jī)的電磁氣隙增大，氣隙磁密降低，永磁體置于動子上，繞組產(chǎn)生的磁通要通過永磁體，永磁體磁阻較大，因此繞組產(chǎn)生的磁通受到了很大的削弱；由于存在上述缺陷，因此現(xiàn)有圓筒形直線電機(jī)存在永磁體利用率低、功率密度較小等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是提供一種永磁體利用率高、功率密度大的圓筒形直線電機(jī)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為圓筒形直線電機(jī)，由1 50個單體直線電機(jī)單元組成， 單體直線電機(jī)單元由定子背軛、永磁體、定子鐵心、繞組線圈、動子導(dǎo)磁塊、動子鐵心組成， 每個定子鐵心由定子齒及定子軛構(gòu)成，每個定子鐵心上定子齒的數(shù)目為電機(jī)相數(shù)的2倍， 定子齒上分別放有集中式的繞組線圈，定子鐵心外部為定子背軛，定子背軛與定子鐵心相連，永磁體位于兩個定子背軛中間，永磁體為一圓環(huán)，沿軸向充磁，采用稀土永磁材料制成， 定子鐵心內(nèi)部為動子，定子鐵心內(nèi)表面與動子導(dǎo)磁塊外表面留有一定的間隙，形成氣隙，動子鐵心為導(dǎo)磁介質(zhì)，可為動子導(dǎo)磁塊形成磁通路。上述方案的原理是本發(fā)明的永磁主磁路為磁通從永磁體2的N極出發(fā)，通過一端定子背軛1、定子鐵心3、氣隙7、動子導(dǎo)磁塊5、動子鐵心6到另一端的動子導(dǎo)磁塊5、氣隙7、定子鐵心3、定子背軛1、回到永磁體2的S極，如圖2所示。以Y軸上的繞組線圈4產(chǎn)生的磁通為例，其路徑為Y軸方向上的繞組線圈4產(chǎn)生磁通，然后磁通分別穿過與相應(yīng)定子齒對應(yīng)的氣隙7，然后經(jīng)過動子導(dǎo)磁塊5、動子鐵心6，然后到相鄰定子齒對應(yīng)的動子導(dǎo)磁塊5，分別穿過氣隙后到達(dá)相鄰的定子齒，最終分別經(jīng)過定子軛部閉合，如圖3所示。繞組線圈所產(chǎn)生的磁通不經(jīng)過永磁體內(nèi)部，電樞反應(yīng)不會影響永磁體，同時繞組線圈磁通的路徑中的磁阻變小。圓筒形直線電機(jī)產(chǎn)生力矩的原理為永磁體產(chǎn)生激磁磁通，激磁磁通始終存在且方向不變，但是隨著動子位置的變化，激磁磁通切換其路徑，使得定子繞組內(nèi)磁鏈的大小和方向也發(fā)生變化，從而在電機(jī)的集中繞組中產(chǎn)生反電勢，當(dāng)繞組接到電源上并根據(jù)動子位置適時的控制定子齒上繞組線圈的通斷，并產(chǎn)生恒定方向的力矩。動子導(dǎo)磁塊排列方式為動子表面周向相鄰兩相的動子導(dǎo)磁塊沿軸向依次錯開Tm/m，其中τω為沿軸向相鄰2個動子導(dǎo)磁塊中心線之間的距離，m為電機(jī)繞組相數(shù)。以三相電機(jī)為例，各相動子導(dǎo)磁塊分布如圖5所示，相鄰兩相動子導(dǎo)磁塊沿運(yùn)動方向錯開τω/3，沿運(yùn)動方向A相動子導(dǎo)磁塊超前B相動子導(dǎo)磁塊τ m/3，B相動子導(dǎo)磁塊超前C相動子導(dǎo)磁塊τω/3，假定A相繞組與 A相的動子導(dǎo)磁塊相對位置如圖4a所示時，此時A相的動子導(dǎo)磁塊在運(yùn)動方向上滯后A相繞組線圈中心線τω/3，Β相的動子導(dǎo)磁塊在運(yùn)動方向上超前B相繞組線圈中心線τω/3，如圖4c所示，C相動子導(dǎo)磁塊中心線與C相繞組線圈中心線對齊，如圖4e所示，此時僅A相定子繞組線圈導(dǎo)通，線圈電流產(chǎn)生的磁場使得轉(zhuǎn)子受到沿向的力，動子沿運(yùn)動方向平移τ m/3后，A相繞組線圈與A相動子導(dǎo)磁塊相對位置如圖4b所示，此時A相動子導(dǎo)磁塊中心線與A相繞組線圈中心線對齊，A相定子繞組線圈關(guān)斷；B相的動子導(dǎo)磁塊在運(yùn)動方向上滯后B相繞組線圈中心線τ m/3，如圖4d所示，C相的動子導(dǎo)磁塊在運(yùn)動方向上超前C相繞組線圈中心線τω/3，如圖4f所示。在此后的τω/3的動子沖程中，僅B相定子繞組線圈導(dǎo)通，并且在動子沿運(yùn)動方向再次平移τ m/3距離后關(guān)斷，再接下來的τω/3的動子沖程中僅 C相定子繞組線圈導(dǎo)通，三相繞組輪流導(dǎo)通，產(chǎn)生恒定方向的力矩。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明將永磁體置于定子上，轉(zhuǎn)子上不再有為保護(hù)永磁體而存在的襯套，因此定轉(zhuǎn)子之間的電磁氣隙減小，功率密度可得到提高；在傳統(tǒng)的圓筒形直線電機(jī)中，出力的永磁體僅為動子上與定子相對區(qū)域的少數(shù)部分，本發(fā)明中的永磁體置于定子上，永磁體一直處于與電樞繞組相互作用的狀態(tài)，永磁體的數(shù)量可大大減少，利用率得到提高。


圖1為常規(guī)圓筒形直線電機(jī)軸向截面圖；圖2為本發(fā)明圓筒形直線電機(jī)軸向截面圖；圖3為本發(fā)明圓筒形直線電機(jī)軸向端面圖；圖4為本發(fā)明圓筒形直線電機(jī)轉(zhuǎn)矩形成原理圖；圖5為本發(fā)明圓筒形直線電機(jī)動子導(dǎo)磁塊分布圖；圖6為由2個直線電機(jī)單元組成的圓筒形直線電機(jī)軸向截面圖。
具體實(shí)施例方式如圖2所示，為本發(fā)明的永磁體置于定子上的圓筒形直線電機(jī)的單元電機(jī)，圓筒形直線電機(jī)可由1 50個單元電機(jī)組成，一個單元電機(jī)組成的圓筒形直線電機(jī)由兩個定子背軛1、一個永磁體2、2個定子鐵心3、1個動子鐵心6，以及繞組線圈4和動子導(dǎo)磁塊5組成，一個單元電機(jī)內(nèi)的2個定子鐵心3的距離為沿軸向相鄰2個動子導(dǎo)磁塊5距離τ m的 2倍。單元電機(jī)中一個定子鐵心相差180度的兩個線圈及其在軸向上相應(yīng)位置的兩個線圈 (共計4個線圈)構(gòu)成電機(jī)的一相，本實(shí)施例中(如圖2和圖3所示)為一個3相的單元電機(jī)，繞組線圈4的數(shù)量為12，動子導(dǎo)磁塊5的數(shù)量根據(jù)電機(jī)相數(shù)、定子極距、電機(jī)的沖程確定，為圓筒形直線電機(jī)沖程與定子極距的比值的12倍，每個定子鐵心3包含定子齒的數(shù)量為相數(shù)的2倍，分別置有各相繞組線圈4，同屬一相的繞組線圈4在定子圓周上相差180° 機(jī)械角度，同屬一相的繞組線圈4的聯(lián)接方式為串聯(lián)以保證兩個線圈中的電流一致，從而更好的平衡兩側(cè)的單邊磁拉力；定子鐵心3外部為定子背軛1，定子背軛1與定子鐵心3相連，在兩個定子背軛1中間是永磁體2，定子鐵心3的內(nèi)部是動子，動子表面有動子導(dǎo)磁塊 5，定子鐵心3內(nèi)表面與動子導(dǎo)磁塊5表面留有一定的間隙，形成空氣隙7，動子鐵心6固定動子導(dǎo)磁塊5，并為動子導(dǎo)磁塊5提供磁通路。動子表面沿周向相鄰兩相的動子導(dǎo)磁塊5沿運(yùn)動方向依次錯開τω/πι，其中τω為沿軸向相鄰2個動子導(dǎo)磁塊5中心之間的距離，m為電機(jī)繞組相數(shù)。圖6所示的為由2個單元電機(jī)組成的圓筒形直線電機(jī)。圖3所示為本發(fā)明的永磁體置于定子上的圓筒形直線電機(jī)的單元電機(jī)軸向端面圖，本實(shí)例以三相電機(jī)為例，因此定子齒的數(shù)量為6，定子齒上置有繞組線圈4，繞組線圈4 為集中式。圖5所示為本發(fā)明的永磁體置于定子上的圓筒形直線電機(jī)的單元電機(jī)動子導(dǎo)磁塊5分布圖，以三相電機(jī)為例，相鄰兩相的動子導(dǎo)磁塊5沿運(yùn)動方向依次錯開τω/3，其中 τm為動子表面沿軸向相鄰2個動子導(dǎo)磁塊5中心線之間的距離。本發(fā)明所用的定子背軛1、動子導(dǎo)磁塊5、動子鐵心6均用導(dǎo)磁性能良好的材料制成，如電工純鐵，各種碳鋼，鑄鋼，合金鋼等磁性材料。定子鐵心3可用導(dǎo)磁性能良好的電工薄鋼板如電工純鐵、電工硅鋼板DR510、DR470、DW350等磁性材料沖壓疊制而成。永磁體2 的材料為磁性能良好的稀土永磁體，永磁體2為一軸向圓環(huán)，沿軸向充磁。繞組線圈4用導(dǎo)電良好的電磁線繞制后浸漆烘干而成。
權(quán)利要求
1.一種圓筒形直線電機(jī)，其特征在于由1 50個直線電機(jī)單元組成，直線電機(jī)單元由定子背軛(1)、永磁體(2)、定子鐵心(3)、繞組線圈(4)、動子導(dǎo)磁塊(5)、動子鐵心(6)組成，其中定子背軛(1)有兩個，兩個定子背軛(1)中間為永磁體，定子背軛的徑向內(nèi)側(cè)為定子鐵心(3)，每個定子鐵心(3)由定子齒及定子軛構(gòu)成，定子齒上分別放有繞組線圈(4)，定子鐵心(3)內(nèi)側(cè)為動子，動子由動子導(dǎo)磁塊(5)和動子鐵心(6)組成，定子鐵心(3)內(nèi)表面與動子導(dǎo)磁塊(5)外表面留有一定的間隙，形成氣隙(7)，動子鐵心(6)為導(dǎo)磁介質(zhì)，可為動子導(dǎo)磁塊(5)形成磁通路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓筒形直線電機(jī)，其特征在于所述的繞組線圈(4)為集中式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓筒形直線電機(jī)，其特征在于所述的定子鐵心(3)上定子齒的數(shù)量為電機(jī)相數(shù)的2倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓筒形直線電機(jī)，其特征在于所述的永磁體(2)為一圓環(huán)， 沿軸向充磁。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓筒形直線電機(jī)，其特征在于所述的永磁體(2)采用稀土永磁材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓筒形直線電機(jī)，其特征在于所述的2個定子鐵心(3)在軸向上的距離τ。為沿軸向相鄰2個動子導(dǎo)磁塊(5)距離τ m的2倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓筒形直線電機(jī)，其特征在于所述的動子導(dǎo)磁塊(5)排列方式為動子表面周向相鄰兩相的動子導(dǎo)磁塊(5)沿軸向依次錯開/m，其中τω為沿軸向相鄰2個動子導(dǎo)磁塊(5)中心線之間的距離，m為電機(jī)繞組相數(shù)。
全文摘要
一種圓筒形直線電機(jī)，由1～50個直線電機(jī)單元組成，每個直線電機(jī)單元由定子背軛、永磁體、定子鐵心、繞組線圈、動子導(dǎo)磁塊、動子鐵心組成，每個定子鐵心由定子齒及定子軛部構(gòu)成，定子齒上分別放有各相繞組線圈，定子鐵心外面是定子背軛，定子背軛與定子鐵心相連，兩個定子背軛之間是永磁體，永磁體的充磁方向?yàn)檠刂本€電機(jī)的軸線，定子鐵心內(nèi)部為動子，動子鐵心表面鑲有動子導(dǎo)磁塊，定子鐵心內(nèi)表面與動子導(dǎo)磁塊表面留有一定的間隙，形成空氣隙，動子鐵心為導(dǎo)磁介質(zhì)，可為動子導(dǎo)磁塊形成磁通路。本發(fā)明具有功率密度高、動子機(jī)械強(qiáng)度高、永磁體用量少成本低等優(yōu)點(diǎn)，可用做油田直線抽油機(jī)驅(qū)動電機(jī)。
文檔編號H02K41/02GK102306996SQ20111024718
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月26日
發(fā)明者劉西全, 杜國華, 王云燕, 王惠軍, 王靜雅, 高鵬飛 申請人:北京航空航天大學(xué)