本發(fā)明涉及直線電機領域，準確地說是一種永磁直流電磁彈射直線電機或者說是一種永磁直流直線電機的設計方法。

背景技術：

電磁彈射器實際上是由多個完全相同的直線電機模塊構成。電磁彈射直線電機是電磁彈射器的核心部位，與直線電機的結構以及工作原理基本相同只是使用的領域不同。電磁彈射器分為兩種，分別是電磁線圈彈射器及電磁軌道彈射器。這兩種其實也就是交流直線電機和直流直線電機。其中直流直線電機和直線交流電動機相比，明顯的優(yōu)點是：運行效率高，沒有功率因數(shù)低的問題；控制比較方便、靈活。直線直流電動機和閉環(huán)控制系統(tǒng)結合在一起，可精密地控制位移，其速度和加速度控制范圍廣，調(diào)速的平滑性好。直線直流電動機的主要缺點是：存在著帶繞組的電樞和引流用的電刷(或動子上拖著″辮子″)。雖然在短行程的直線直流電機可采用無接觸結構型式，但在長行程結構系統(tǒng)中，就很難實現(xiàn)無刷無接觸運行。所以，在長行程的電磁彈射器領域采用由多臺相同的電磁彈射直線電機構成。另外，在精密控制直線電機中，還需要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，這也可以說是個缺點。直線直流電動機簡單的工作原理是：線圈可沿鐵棍軸向自由移動，在線圈的行程范圍內(nèi)，永久磁鐵給予它大致均勻的磁場B，當線圈中通入直流電源I時，導體線圈處于磁場中的部分就會受到電磁力的作用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術存在的上述弱點，提供一種結構簡單、無刷、可以長行程工作的一種永磁直流電磁彈射直線電機的設計方法，利用該原理可以設計制造無換向器永磁直流直線電機。

技術方案是：主要由定子和動子組成，定子部分主要由組合式定子鐵芯和直流繞組組成，線圈繞組環(huán)繞在長方體的定子鐵芯上；動子部分主要由定子左右兩側的兩塊(或多塊)永磁體和定位固定架組成；永磁體動子在定子的左右兩側且同性磁極面向定子線圈，并使面對永磁體磁極一側的線圈導線與該磁極的磁感線相互垂直；采用雙面耦合，定子線圈左右兩側的載流導線均對動子進行感應拖動。載流線圈在磁場中受到電磁力的作用是本發(fā)明的設計原理之一。下面結合實驗和附圖進行說明。

參見附圖1(a)，圖中的1表示兩塊N極相對的永久磁鐵。當兩N極之間的介質(zhì)為空氣或非鐵磁質(zhì)材料時，兩磁鐵相斥；當兩N極之間放置一鐵磁質(zhì)鐵板材(板的面積遠大于磁鐵的極面)時，兩磁鐵都吸引鐵板。這一現(xiàn)象說明磁感線由空氣進入鐵磁質(zhì)材料時，磁感線對法線有很大的偏離；鐵磁質(zhì)有對磁感線強烈地匯集以及隔離或者說屏蔽作用。鐵磁質(zhì)的這一特性也是本發(fā)明的設計原理之一。

參見附圖1(b)，圖中定子部分的鐵芯由位于左右兩側的鐵磁質(zhì)板材2a和位于中間位置的非鐵磁質(zhì)件2b組成。兩側鐵磁質(zhì)板材面向外的一側設有用來繞直流線圈2c的槽口，中間是用非鐵磁質(zhì)材料制成的板材，動子為兩塊磁鐵1，兩塊磁鐵的N極極面都面向定子鐵芯且之間留有氣隙3。當線圈2c接通直流電源，且使左端的導線電流流出“⊙”、右端的導線電流流入根據(jù)左手定則，鐵芯兩側的導線受到電磁力的方向都向上。如果永磁體1固定、那么線圈2c與鐵芯直線向上移動(不考慮地球的引力)，圖中用空心箭頭表示。根據(jù)定子與動子之間的力學關系，如果把永磁體1作為動子且只能上下自由移動，把線圈2c和鐵芯作為定子，那么永磁體1會向下移動。這就是本發(fā)明的基本設計原理。

本發(fā)明的結構特點是定子為電樞繞組、動子為永久磁鐵；永磁體的同磁性磁極(N極或S極)面向定子線圈繞組，并使面對永磁體磁極一側的線圈導線與該磁極的磁感線相互垂直；動子采用雙面耦合的方式拖動。設計原理：一是根據(jù)鐵磁質(zhì)具有對磁感線強烈地匯集作用以及隔離屏蔽的特性；二是根據(jù)載流線圈在磁場中產(chǎn)生電磁力的原理設計的。

本發(fā)明所述的一種永磁直流電磁彈射直線電機的設計方法，其有益效果在于：結構簡單，永磁動子的質(zhì)量輕慣性小；彈射過程中動子無需帶繞組電樞和引流用的電刷(或動子上拖著″辮子″)；適合長距離彈射。另外，本發(fā)明具有操作方便、靈活、容易控制電流大小的特點；具有負載、速度和加速度調(diào)節(jié)范圍大的優(yōu)點。缺點是：動子永磁體背向定子鐵芯的磁極為同性，會產(chǎn)生磁輻射污染，必要時須采取相應的屏蔽磁感線的措施。

附圖說明

附圖1(a)是證明鐵磁質(zhì)具有磁感線匯集和隔離屏蔽作用實驗的示意圖。

附圖1(b)是說明線圈在同性磁極磁場中受到電磁力平動的原理示意圖。

附圖2是表示本發(fā)明的設計原理示意圖。

附圖3是表示本發(fā)明的基本結構及工作原理的剖視示意圖。

(1)永磁體，(2)鐵板，(2a)鐵磁質(zhì)鐵芯，(2b)非鐵磁質(zhì)鐵芯，(2c)定子直流線圈，(3)永磁體與定子鐵芯之間的氣隙，(4)永磁體固定連接鐵板，(5)表示電磁彈射直線電機兩端的固定架，(6)位置感應器，(7)滑軌，(8)動子連接裝置。

具體實施

具體結構方案：結合圖2和圖3，對本發(fā)明作進一步說明。

參見圖2，實際上定子鐵芯內(nèi)的磁場是定子線圈電流和動子永磁體共同產(chǎn)生的合成磁場，而定子與動子之間氣隙3的磁場則是只有永磁磁場。定子鐵芯一般由磁導率高表面涂有絕緣漆的薄片狀硅鋼片疊壓而成，也可以用粉末狀鐵芯。鐵芯2a的厚度及外形尺寸應根據(jù)設計確定的最大工作電流I、永久磁鐵的磁場強度及相關參數(shù)而定。圖中的2b為非鐵磁質(zhì)材料，也就是既可以用抗磁質(zhì)材料也可以用順磁質(zhì)材料加工。另外，因空氣就是一種順磁質(zhì)材料，所以本發(fā)明的定子組合式鐵芯可以設計加工成中空結構形式。

如圖2所示，當線圈1接通直流電源時，根據(jù)左手定則：定子電樞線圈1受到電磁力的作用產(chǎn)生一個向右的力f_c。根據(jù)力學原理，此時動子永磁體上產(chǎn)生兩個向左的電磁力(用實心箭頭表示)，力的大小分別用f_a和f_b表示。這兩個向左的電磁力之和在量值上等于向右的力f_c(f_a+f_b＝f_c)。因線圈固定，所以工作時永磁體動子在電磁力的作用下向左彈射出去；返回時可改變線圈與直流電源接線的正負極即可實現(xiàn)。

參見圖3，(a)表示永磁直流電磁彈射直線電機的結構原理示意圖、(b)表示沿A-A方向的剖視。結合圖3(a)(b)，分別說明本發(fā)明作為彈射直線電機和直線電機使用時的具體工作程序。

作為彈射直線電機使用：彈射直線電機工作時有兩個階段，一個是彈射過程一個是返回過程。彈射是負載做功過程，返回是復位過程。如圖3(b)所示，當線圈1接通直流電源時，動子在電磁力(f_a+f_b)的作用下向左彈射出去；返回同樣是在電磁力的作用下實現(xiàn)。在彈射過程中，由于直流電流I的方向不變、定子載流線圈相對永磁體N極極面的有效導體數(shù)不變，那么根據(jù)左手定則動子受到電磁力的大小和方向也不變(不考慮動子與導軌的摩擦力和空氣的阻力)；動子在電磁力的作用下會加速向左運動。當動子加速達到設定的速度和位置時，感應器6將信號傳遞到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)下達指令，執(zhí)行元件切斷定子線圈2c電源、且同時改變電源的正負極再接通線圈2c。由于改變線圈2c與電源正負極的接法，動子會受到與彈射方向相反的電磁力作用，所以動子會立即制動停止變?yōu)榉聪蚍祷?。動子返回到初始位置時，同樣由位置感應器將信號傳遞到控制系統(tǒng)切斷定子線圈電源，動子停止。對于長距離彈射，可采用由多個相同的彈射直線電機模塊組合的方式來實現(xiàn)。對于彈射不同的負載以及彈出和返回速度不同時可以通過調(diào)節(jié)電流I的大小來實現(xiàn)。

作為直線電機使用：電磁彈射直線電機和直線電機并沒有質(zhì)的區(qū)別，只是說在不同的使用領域。電磁彈射直線電機用于彈射器領域、直線電機用于作往復運動的直線電機領域。再說，長行程彈射直線電機本身就是由多個相同的直線電機模塊組成，所以用本發(fā)明完全可以設計制造直線電機。