專利名稱：定位力互補(bǔ)式雙定子圓筒型直線電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種直線電機(jī)結(jié)構(gòu)，尤其涉及雙定子圓筒型直線電機(jī)，適用于空間體積有限的例如人工心臟泵等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，如人工心臟泵領(lǐng)域，應(yīng)用場(chǎng)合的空間體積很有限，需要使用小型尺寸的電機(jī)，所以要求能充分利用有限的空間體積，提高功率密度，成為設(shè)計(jì)這類電機(jī)的關(guān)鍵。雙定子圓筒型直線電機(jī)比普通圓筒型直線電機(jī)產(chǎn)生的推力大。目前已有的雙定子圓筒型直線電機(jī)主要有兩種一種為雙定子圓筒型直線感應(yīng)電機(jī)，其初級(jí)的內(nèi)外定子分別位于動(dòng)子內(nèi)外側(cè)，定子和動(dòng)子均由鐵心構(gòu)成，兩個(gè)定子上均繞有繞組，相比于永磁電機(jī)而言，感應(yīng)電機(jī)功率密度較小，且內(nèi)外定子上均有兩相繞組，12個(gè)線圈，使得電機(jī)的軸向長(zhǎng)度 較長(zhǎng)，不適合應(yīng)用于體積小的場(chǎng)合。另一種是橫向磁通的雙定子圓筒型直線振蕩電機(jī)，其兩個(gè)同心式的定子鐵心環(huán)并排套于動(dòng)子鐵心的外面，其缺點(diǎn)是增加了電機(jī)軸向的長(zhǎng)度，且相比于將一個(gè)定子置于動(dòng)子中空部分的結(jié)構(gòu)，功率密度較小，此外，其兩個(gè)定子對(duì)應(yīng)并排著的每個(gè)齒上的線圈相互串聯(lián)，不可以單獨(dú)控制單個(gè)定子繞組。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而提出一種定位力互補(bǔ)式雙定子圓筒型直線電機(jī)，在保證可靠性和安全性的前提下，充分利用有限的狹小的空間，在不影響其他靜態(tài)特性的情況下減小定位力，達(dá)到減小輸出力脈動(dòng)、提高推力密度的目的。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是本實(shí)用新型由同軸的內(nèi)定子環(huán)、外定子環(huán)和動(dòng)子環(huán)組成，內(nèi)定子環(huán)外空套動(dòng)子環(huán)，動(dòng)子環(huán)外空套外定子環(huán)，內(nèi)定環(huán)由第一永磁體和兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的、U型槽口朝向動(dòng)子環(huán)的內(nèi)部環(huán)形U型齒構(gòu)成，第一永磁體沿軸向勵(lì)磁且夾于兩個(gè)內(nèi)部環(huán)形U型齒之間，兩個(gè)內(nèi)部環(huán)形U型齒的兩個(gè)U型槽中均嵌有一套環(huán)狀的第一電樞繞組，兩套第一電樞繞組電流方向相反并串聯(lián)成A相；外定環(huán)由第二永磁體和兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的、U型槽口朝向動(dòng)子環(huán)的外部環(huán)形U型齒構(gòu)成，第二永磁體與第一永磁體的勵(lì)磁方向相同且夾于兩個(gè)外部環(huán)形U型齒之間，兩個(gè)外部環(huán)形U型齒的兩個(gè)U型槽中均嵌有一套環(huán)狀的第二電樞繞組，兩套第二電樞繞組電流方向相反并串聯(lián)成B相；動(dòng)子環(huán)的內(nèi)側(cè)環(huán)面和外側(cè)環(huán)面均為凸極齒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)環(huán)面上的每?jī)蓚€(gè)內(nèi)側(cè)面凸極齒的齒距與外側(cè)環(huán)面的每?jī)蓚€(gè)外側(cè)面凸極齒的齒距相同，且內(nèi)側(cè)面凸極齒和外側(cè)面凸極齒沿軸向整體錯(cuò)開四分之一齒距布置。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型內(nèi)部環(huán)形U型齒的U型槽寬>s1與U型齒寬匕的比例為I. 5 I. 7，第一永磁體寬度A與U型齒寬的比例為I. O I. 25，兩個(gè)內(nèi)部環(huán)形U型齒之間的槽距巧與外側(cè)環(huán)面上的凸極齒距『的比例為O. 88 O. 96，內(nèi)側(cè)環(huán)面上的凸極齒寬叫與U型齒寬的比例為I. O I. 4，外部環(huán)形U型齒的U型槽寬S2與U型齒寬t2的比例為I. 2 I. 4，第二永磁體寬度/72與U型齒寬t2的比例為O. 8 I. O，兩個(gè)外部環(huán)形U型齒之間的槽距r2與凸極齒距PF的比例為O. 89 O. 92，外側(cè)環(huán)面上的凸極齒寬仿2與U型齒寬t2的比例為I. O I. 4。本實(shí)用新型采用上述技術(shù)方案后，具有如下有益效果I、本實(shí)用新型具有的圓筒型結(jié)構(gòu)比較適合狹小、扁平的空間，具有的同心式的雙定子結(jié)構(gòu)，動(dòng)子置于兩個(gè)定子之間，雙定子的結(jié)構(gòu)使得動(dòng)子中空部分空間得以充分利用，提高了功率密度，減小了軸向的長(zhǎng)度，節(jié)約了軸向空間，適合于狹小的空間。2、本實(shí)用新型利用兩個(gè)定子的錯(cuò)位關(guān)系，兩個(gè)定子的錯(cuò)位關(guān)系反應(yīng)在動(dòng)子內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)上，整體上錯(cuò)開了一定的距離，達(dá)到動(dòng)子內(nèi)外側(cè)定位力互補(bǔ)的效果，有效減小電機(jī)的定位力，有效減小輸出力脈動(dòng)。3、本實(shí)用新型通過調(diào)整內(nèi)定子、外定子，以及動(dòng)子環(huán)內(nèi)、外側(cè)面的尺寸關(guān)系，實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外側(cè)定位力相差180°電角度，同時(shí)作用時(shí)疊加在一起相互抵消，成互補(bǔ)關(guān)系，從而在對(duì) 其他靜態(tài)特性沒有影響的情況下，使得合成的總的定位力能實(shí)現(xiàn)最小化，提高電機(jī)可靠性。4、本實(shí)用新型的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式避免了旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)過程中傳動(dòng)部件的磨損問題，延長(zhǎng)了部件的使用壽命，適用于人工心臟泵這樣需要高可靠性、低速往復(fù)運(yùn)動(dòng)、同時(shí)又能產(chǎn)生較大的輸出力的場(chǎng)合。5、本實(shí)用新型的永磁體和繞組均置于定子上，動(dòng)子無(wú)永磁體無(wú)繞組，繞組利用率高，減少了移動(dòng)部件的數(shù)量，當(dāng)用于人工心臟泵時(shí)，可避免熱量隨動(dòng)子進(jìn)入血流中，導(dǎo)致人體溫度過高。6、本實(shí)用新型的動(dòng)子環(huán)內(nèi)外側(cè)永磁體磁場(chǎng)無(wú)耦合，成并聯(lián)形式，電樞互感極小，可忽略不計(jì)，所以內(nèi)外側(cè)體現(xiàn)出很強(qiáng)的獨(dú)立性，相與相之間物理隔離，磁路解耦。
圖I是本實(shí)用新型立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I中軸向半剖視圖；圖3是圖2所示結(jié)構(gòu)的尺寸標(biāo)注圖；圖4-6是本實(shí)用新型的工作原理圖；圖7是本實(shí)用新型電樞互感圖；圖8是本實(shí)用新型內(nèi)、外側(cè)和疊加之后合成的定位力的波形圖；圖中1.內(nèi)定子環(huán)；2.外定子環(huán)；3.動(dòng)子環(huán)；4-1.第一永磁體；4-2.第二永磁體；5-1.第一電樞繞組；5-2.第二電樞繞組；6.內(nèi)側(cè)環(huán)面；7.外側(cè)環(huán)面；8-1.內(nèi)側(cè)面凸極齒；8-2.外側(cè)面凸極齒；9.內(nèi)部環(huán)形U型齒；10.外部環(huán)形U型齒。
具體實(shí)施方式
如圖I和圖2所示，本實(shí)用新型由內(nèi)定子環(huán)I、外定子環(huán)2、動(dòng)子環(huán)3所組成，內(nèi)定子環(huán)I、外定子環(huán)2、動(dòng)子環(huán)3三者同軸，軸向也是動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的方向。動(dòng)子環(huán)3空套在內(nèi)定子環(huán)I外，外定子環(huán)2空套在動(dòng)子環(huán)3外，即動(dòng)子環(huán)3置于內(nèi)定子環(huán)I和外定子環(huán)2之間。內(nèi)定環(huán)I由第一永磁體4-1和兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的內(nèi)部環(huán)形U型齒9構(gòu)成，兩個(gè)內(nèi)部環(huán)形U型齒9的U型槽的槽口朝向動(dòng)子環(huán)3，內(nèi)部環(huán)形U型齒9是由導(dǎo)磁材料加工而成，第一永磁體4-1夾在兩個(gè)內(nèi)部環(huán)形U型齒9之間，且第一永磁體4-1沿軸向勵(lì)磁。在兩個(gè)內(nèi)部環(huán)形U型齒9的兩個(gè)U型槽中均嵌有一套環(huán)狀的第一電樞繞組5-1，兩套第一電樞繞組5-1中通以方向相反的電流,將這兩套第一電樞繞組5-1反向串聯(lián)成一相,為A相。外定環(huán)2由第二永磁體4-2和兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的外部環(huán)形U型齒10構(gòu)成，兩個(gè)外部環(huán)形U型齒10的U型槽的槽口也朝向動(dòng)子環(huán)3，第二永磁體4-2夾在兩個(gè)外部環(huán)形U型齒10之間，外部環(huán)形U型齒10也是由導(dǎo)磁材料加工而成，第二永磁體4-2也沿軸向勵(lì)磁，且勵(lì)磁方向與第一永磁體4-1的勵(lì)磁方向相同。在兩個(gè)外部環(huán)形U型齒10的兩個(gè)U型槽中均嵌有一套環(huán)狀的第二電樞繞組5-2，兩套第二電樞繞組5-2中通以方向相反的電流，將這兩套第二電樞繞組5-2反向串聯(lián)成一相，為B相。A、B兩相繞組采用獨(dú)立的H橋控制 ，構(gòu)成兩相電機(jī)。動(dòng)子環(huán)3由動(dòng)子鐵心構(gòu)成，動(dòng)子鐵心由導(dǎo)磁材料加工而成(如電工鐵)，其上無(wú)永磁體也無(wú)繞組。動(dòng)子環(huán)3的內(nèi)側(cè)環(huán)面6和外側(cè)環(huán)面7均為凸極齒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)環(huán)面6上的每?jī)蓚€(gè)內(nèi)側(cè)面凸極齒8-1之間沿軸向的齒距與外側(cè)環(huán)面7的每?jī)蓚€(gè)外側(cè)面凸極齒8-2之間沿軸向的齒距相同，從而保證動(dòng)子環(huán)3內(nèi)側(cè)和外側(cè)電周期相同。但是內(nèi)側(cè)面凸極齒8-1和外側(cè)面凸極齒8-2沿軸向整體錯(cuò)開四分之一齒距的距離布置，使得A、B兩相相差90°電角度。如圖3所示，本實(shí)用新型關(guān)鍵在于各部件之間的尺寸配合，在綜合考慮反電勢(shì)波形、定位力波形以及磁密的情況下，本實(shí)用新型限定幾個(gè)主要尺寸比例關(guān)系如下內(nèi)部環(huán)形U型齒9的U型槽寬&與內(nèi)部環(huán)形U型齒9的U型齒寬G的比例為I. 5 I. 7，第一永磁體4-1寬度A與U型齒寬的比例為I. O I. 25，兩個(gè)內(nèi)部環(huán)形U型齒9之間的槽距與動(dòng)子環(huán)3的外側(cè)環(huán)面7上的凸極齒距PF (內(nèi)、外側(cè)面上的齒距相同)的比例為O. 88 O. 96，動(dòng)子環(huán)3的內(nèi)側(cè)環(huán)面6上的凸極齒寬&與U型齒寬的比例為I. O I. 4，外定子環(huán)2上的外部環(huán)形U型齒10的U型槽寬S2與U型齒寬t2的比例為I. 2 I. 4，第二永磁體4-2寬度P2與U型齒寬t2的比例為O. 8 I. 0，兩個(gè)外部環(huán)形U型齒10之間的槽距r2與凸極齒距#的比例為O. 89 O. 92，外側(cè)環(huán)面7上的凸極齒寬與U型齒寬t2的比例為I. O
I.4。在上面提到的幾個(gè)主要尺寸中，優(yōu)選出一組定位力抵消效果較優(yōu)的合適的尺寸如下u型槽寬S1與U型齒寬tx的比例為I. 6，第一永磁體4-1寬度A與U型齒寬tx的比例為I. 25,槽距A與凸極齒距W的比例為O. 9,凸極齒寬叫與U型齒寬G的比例為I. 4 ;夕卜部環(huán)形U型齒10的U型槽寬S2與U型齒寬 2的比例為I. 25，第二永磁體4-2寬度內(nèi)與U型齒寬t2的比例為O. 8，兩個(gè)外部環(huán)形U型齒10之間的槽距r2與凸極齒距PF的比例為
O.9，凸極齒寬與U型齒寬t2的比例為1.4。本實(shí)用新型經(jīng)過合理的尺寸設(shè)計(jì)，組成內(nèi)定子環(huán)I的內(nèi)部環(huán)形U型齒9的U型槽寬、齒寬以及第一永磁體4-1的寬度均與組成外定子環(huán)2的外部環(huán)形U型齒10的U型槽寬、齒寬以及第二永磁體4-2的寬度的尺寸大小不同，同時(shí)，動(dòng)子環(huán)3的內(nèi)側(cè)面凸極齒8-1與外側(cè)面凸極齒8-2齒寬不同，使得動(dòng)子環(huán)3內(nèi)側(cè)的定位力變化頻率和外側(cè)的定位力變化頻率均為反電勢(shì)變化頻率的兩倍，且內(nèi)外側(cè)定位力方向相反，所以，內(nèi)外側(cè)定位力相差180°電角度，即內(nèi)外側(cè)定位力互補(bǔ)，相互抵消。參見圖4、5、6所示，隨著動(dòng)子環(huán)3的移動(dòng)，磁通路徑和方向的變化情況，如圖中箭頭所示，由于第一、第二永磁體4-1、4-2的勵(lì)磁方向是恒定的，產(chǎn)生的磁通穿過內(nèi)部環(huán)形U型齒9、外部環(huán)形U型齒10定子齒，通過氣隙，進(jìn)入相對(duì)應(yīng)的內(nèi)側(cè)面凸極齒8-1、外側(cè)面凸極齒8-2動(dòng)子齒，再?gòu)南噜彽膭?dòng)子齒中穿出，通過氣隙，從定子齒中返回到原定子。內(nèi)、外兩個(gè)磁路相互獨(dú)立,形成并聯(lián)的磁路結(jié)構(gòu)。隨著動(dòng)子環(huán)3的移動(dòng)，跟電樞繞組匝鏈的磁鏈的數(shù)量和方向都在發(fā)生變化，進(jìn)而在電樞繞組兩端感生出反電勢(shì)，反電勢(shì)與電樞電流的作用產(chǎn)生電磁推力，推動(dòng)動(dòng)子環(huán)3移動(dòng)。參見圖7的電樞互感圖，從圖7中可以看出，內(nèi)、外電樞繞組間的互感很小，跟自感比起來(lái)幾乎為零，可忽略不計(jì)，這樣內(nèi)、外部繞組可獨(dú)立控制。參見圖8的內(nèi)、外側(cè)和疊加之后合成的定位力的波形圖，從圖8中可以看出，單獨(dú)的內(nèi)、外側(cè)的定位力都達(dá)到60N，波動(dòng)比較大，而且內(nèi)、外側(cè)的定位力波形相位相反，相差180°，兩個(gè)力同時(shí)作用于動(dòng)子，相互置加抵消，置加之后的定位力最大幅值僅有12N,為原來(lái)的20%，有效減小了定位力。
權(quán)利要求1.一種定位力互補(bǔ)式雙定子圓筒型直線電機(jī)，由同軸的內(nèi)定子環(huán)(I)、外定子環(huán)(2)和動(dòng)子環(huán)(3)組成，內(nèi)定子環(huán)(I)外空套動(dòng)子環(huán)(3)，動(dòng)子環(huán)(3)外空套外定子環(huán)(2)，其特征是內(nèi)定環(huán)(I)由第一永磁體(4-1)和兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的、U型槽口朝向動(dòng)子環(huán)(3)的內(nèi)部環(huán)形U型齒(9)構(gòu)成，第一永磁體(4-1)沿軸向勵(lì)磁且夾于兩個(gè)內(nèi)部環(huán)形U型齒(9)之間，兩個(gè)內(nèi)部環(huán)形U型齒(9)的兩個(gè)U型槽中均嵌有一套環(huán)狀的第一電樞繞組(5-1)，兩套第一電樞繞組(5-1)電流方向相反并串聯(lián)成A相；外定環(huán)(2)由第二永磁體(4-2)和兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的、U型槽口朝向動(dòng)子環(huán)(3)的外部環(huán)形U型齒(10)構(gòu)成，第二永磁體(4-2)與第一永磁體(4-1)的勵(lì)磁方向相同且夾于兩個(gè)外部環(huán)形U型齒(10)之間，兩個(gè)外部環(huán)形U型齒(10)的兩個(gè)U型槽中均嵌有一套環(huán)狀的第二電樞繞組(5-2)，兩套第二電樞繞組(5-2)電流方向相反并串聯(lián)成B相；動(dòng)子環(huán)(3)的內(nèi)側(cè)環(huán)面(6)和外側(cè)環(huán)面(7)均為凸極齒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)環(huán)面(6)上的每?jī)蓚€(gè)內(nèi)側(cè)面凸極齒(8-1)的齒距與外側(cè)環(huán)面(7)的每?jī)蓚€(gè)外側(cè)面凸極齒(8-2)的齒距相同，且內(nèi)側(cè)面凸極齒(8-1)和外側(cè)面凸極齒(8-2)沿軸向整體錯(cuò)開四分之一齒距布置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定位力互補(bǔ)式雙定子圓筒型直線電機(jī)，其特征是所述內(nèi)部環(huán)形U型齒(9)的U型槽寬&與U型齒寬G的比例為I. 5 I. 7，所述第一永磁體(4-1)寬度A與U型齒寬的比例為I. O I. 25，兩個(gè)內(nèi)部環(huán)形U型齒(9)之間的槽距λ與外側(cè)環(huán)面(7)上的凸極齒距PF的比例為O. 88 O. 96，內(nèi)側(cè)環(huán)面(6)上的凸極齒寬A與U型齒寬G的比例為I. O I. 4，所述外部環(huán)形U型齒(10)的U型槽寬S2與U型齒寬t2的比例為I. 2 I. 4，所述第二永磁體(4-2)寬度與U型齒寬t2的比例為O. 8 I. O,兩個(gè)外部環(huán)形U型齒(10)之間的槽距r2與凸極齒距『的比例為O. 89 O. 92，外側(cè)環(huán)面(7)上的凸極齒寬與U型齒寬t2的比例為I. O I. 4。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定位力互補(bǔ)式雙定子圓筒型直線電機(jī)，其特征是U型槽寬&與U型齒寬G的比例為I. 6,寬度P1與U型齒寬G的比例為I. 25,槽距A與凸極齒距#的比例為O. 9,凸極齒寬巧與U型齒寬tx的比例為I. 4 ；U型槽寬S2與U型齒寬t2的比例為I. 25，寬度與U型齒寬 2的比例為O. 8，槽距r2與凸極齒距#的比例為O. 9,凸極齒寬巧與U型齒寬t2的比例為I. 4。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種定位力互補(bǔ)式雙定子圓筒型直線電機(jī)，內(nèi)、外定環(huán)均由永磁體和兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的、U型槽口朝向動(dòng)子環(huán)的環(huán)形U型齒構(gòu)成，永磁體沿軸向勵(lì)磁且夾于兩個(gè)環(huán)形U型齒之間，環(huán)形U型齒的兩個(gè)U型槽中均嵌有一套環(huán)狀的電樞繞組，動(dòng)子環(huán)的內(nèi)側(cè)環(huán)面上的每?jī)蓚€(gè)內(nèi)側(cè)面凸極齒的齒距與外側(cè)面的每?jī)蓚€(gè)外側(cè)面凸極齒的齒距相同，且內(nèi)側(cè)面凸極齒和外側(cè)面凸極齒沿軸向整體錯(cuò)開四分之一齒距布置；內(nèi)定子環(huán)的環(huán)形U型齒的U型槽寬、齒寬以及永磁體的寬度均與外定子環(huán)的環(huán)形U型齒的U型槽寬、齒寬以及永磁體的寬度的尺寸大小不同；動(dòng)子環(huán)內(nèi)側(cè)的定位力變化頻率和外側(cè)的定位力變化頻率均為反電勢(shì)變化頻率的兩倍，內(nèi)外側(cè)定位力互補(bǔ)，減小定位力，提高可靠性。
文檔編號(hào)H02K16/04GK202713091SQ20122025984
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月5日
發(fā)明者吉敬華, 嚴(yán)淑君, 趙文祥, 劉國(guó)海, 王芳群, 陸繼遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)