專利名稱：定位力互補式雙定子圓筒型直線電機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種直線電機結構，尤其涉及雙定子圓筒型直線電機，適用于空間體積有限的例如人工心臟泵等領域。
背景技術：
在一些特殊應用場合，如人工心臟泵領域，應用場合的空間體積很有限，需要使用小型尺寸的電機，所以要求能充分利用有限的空間體積，提高功率密度，成為設計這類電機的關鍵。雙定子圓筒型直線電機比普通圓筒型直線電機產生的推力大。目前已有的雙定子圓筒型直線電機主要有兩種一種為雙定子圓筒型直線感應電機，其初級的內外定子分別位于動子內外側，定子和動子均由鐵心構成，兩個定子上均繞有繞組，相比于永磁電機而言，感應電機功率密度較小，且內外定子上均有兩相繞組，12個線圈，使得電機的軸向長度 較長，不適合應用于體積小的場合。另一種是橫向磁通的雙定子圓筒型直線振蕩電機，其兩個同心式的定子鐵心環(huán)并排套于動子鐵心的外面，其缺點是增加了電機軸向的長度，且相比于將一個定子置于動子中空部分的結構，功率密度較小，此外，其兩個定子對應并排著的每個齒上的線圈相互串聯(lián)，不可以單獨控制單個定子繞組。
發(fā)明內容本實用新型的目的是為克服現(xiàn)有技術的缺陷而提出一種定位力互補式雙定子圓筒型直線電機，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，達到減小輸出力脈動、提高推力密度的目的。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術方案是本實用新型由同軸的內定子環(huán)、外定子環(huán)和動子環(huán)組成，內定子環(huán)外空套動子環(huán)，動子環(huán)外空套外定子環(huán)，內定環(huán)由第一永磁體和兩個結構相同的、U型槽口朝向動子環(huán)的內部環(huán)形U型齒構成，第一永磁體沿軸向勵磁且夾于兩個內部環(huán)形U型齒之間，兩個內部環(huán)形U型齒的兩個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結構相同的、U型槽口朝向動子環(huán)的外部環(huán)形U型齒構成，第二永磁體與第一永磁體的勵磁方向相同且夾于兩個外部環(huán)形U型齒之間，兩個外部環(huán)形U型齒的兩個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；動子環(huán)的內側環(huán)面和外側環(huán)面均為凸極齒狀結構，內側環(huán)面上的每兩個內側面凸極齒的齒距與外側環(huán)面的每兩個外側面凸極齒的齒距相同，且內側面凸極齒和外側面凸極齒沿軸向整體錯開四分之一齒距布置。進一步地，本實用新型內部環(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. 25，兩個內部環(huán)形U型齒之間的槽距巧與外側環(huán)面上的凸極齒距『的比例為O. 88 O. 96，內側環(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。本實用新型采用上述技術方案后，具有如下有益效果I、本實用新型具有的圓筒型結構比較適合狹小、扁平的空間，具有的同心式的雙定子結構，動子置于兩個定子之間，雙定子的結構使得動子中空部分空間得以充分利用，提高了功率密度，減小了軸向的長度，節(jié)約了軸向空間，適合于狹小的空間。2、本實用新型利用兩個定子的錯位關系，兩個定子的錯位關系反應在動子內側面和外側面的不對稱結構上，整體上錯開了一定的距離，達到動子內外側定位力互補的效果，有效減小電機的定位力，有效減小輸出力脈動。3、本實用新型通過調整內定子、外定子，以及動子環(huán)內、外側面的尺寸關系，實現(xiàn)內、外側定位力相差180°電角度，同時作用時疊加在一起相互抵消，成互補關系，從而在對 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現(xiàn)最小化，提高電機可靠性。4、本實用新型的直線電機驅動方式避免了旋轉電機驅動過程中傳動部件的磨損問題，延長了部件的使用壽命，適用于人工心臟泵這樣需要高可靠性、低速往復運動、同時又能產生較大的輸出力的場合。5、本實用新型的永磁體和繞組均置于定子上，動子無永磁體無繞組，繞組利用率高，減少了移動部件的數(shù)量，當用于人工心臟泵時，可避免熱量隨動子進入血流中，導致人體溫度過高。6、本實用新型的動子環(huán)內外側永磁體磁場無耦合，成并聯(lián)形式，電樞互感極小，可忽略不計，所以內外側體現(xiàn)出很強的獨立性，相與相之間物理隔離，磁路解耦。

圖I是本實用新型立體結構示意圖；圖2是圖I中軸向半剖視圖；圖3是圖2所示結構的尺寸標注圖；圖4-6是本實用新型的工作原理圖；圖7是本實用新型電樞互感圖；圖8是本實用新型內、外側和疊加之后合成的定位力的波形圖；圖中1.內定子環(huán)；2.外定子環(huán)；3.動子環(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.內側環(huán)面；7.外側環(huán)面；8-1.內側面凸極齒；8-2.外側面凸極齒；9.內部環(huán)形U型齒；10.外部環(huán)形U型齒。
具體實施方式
如圖I和圖2所示，本實用新型由內定子環(huán)I、外定子環(huán)2、動子環(huán)3所組成，內定子環(huán)I、外定子環(huán)2、動子環(huán)3三者同軸，軸向也是動子運動的方向。動子環(huán)3空套在內定子環(huán)I外，外定子環(huán)2空套在動子環(huán)3外，即動子環(huán)3置于內定子環(huán)I和外定子環(huán)2之間。內定環(huán)I由第一永磁體4-1和兩個結構相同的內部環(huán)形U型齒9構成，兩個內部環(huán)形U型齒9的U型槽的槽口朝向動子環(huán)3，內部環(huán)形U型齒9是由導磁材料加工而成，第一永磁體4-1夾在兩個內部環(huán)形U型齒9之間，且第一永磁體4-1沿軸向勵磁。在兩個內部環(huán)形U型齒9的兩個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和兩個結構相同的外部環(huán)形U型齒10構成，兩個外部環(huán)形U型齒10的U型槽的槽口也朝向動子環(huán)3，第二永磁體4-2夾在兩個外部環(huán)形U型齒10之間，外部環(huán)形U型齒10也是由導磁材料加工而成，第二永磁體4-2也沿軸向勵磁，且勵磁方向與第一永磁體4-1的勵磁方向相同。在兩個外部環(huán)形U型齒10的兩個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兩相繞組采用獨立的H橋控制 ，構成兩相電機。動子環(huán)3由動子鐵心構成，動子鐵心由導磁材料加工而成(如電工鐵)，其上無永磁體也無繞組。動子環(huán)3的內側環(huán)面6和外側環(huán)面7均為凸極齒狀結構，內側環(huán)面6上的每兩個內側面凸極齒8-1之間沿軸向的齒距與外側環(huán)面7的每兩個外側面凸極齒8-2之間沿軸向的齒距相同，從而保證動子環(huán)3內側和外側電周期相同。但是內側面凸極齒8-1和外側面凸極齒8-2沿軸向整體錯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，本實用新型關鍵在于各部件之間的尺寸配合，在綜合考慮反電勢波形、定位力波形以及磁密的情況下，本實用新型限定幾個主要尺寸比例關系如下內部環(huán)形U型齒9的U型槽寬&與內部環(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. 25，兩個內部環(huán)形U型齒9之間的槽距與動子環(huán)3的外側環(huán)面7上的凸極齒距PF (內、外側面上的齒距相同)的比例為O. 88 O. 96，動子環(huán)3的內側環(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寬度內與U型齒寬t2的比例為O. 8，兩個外部環(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。本實用新型經過合理的尺寸設計，組成內定子環(huán)I的內部環(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，動子環(huán)3的內側面凸極齒8-1與外側面凸極齒8-2齒寬不同，使得動子環(huán)3內側的定位力變化頻率和外側的定位力變化頻率均為反電勢變化頻率的兩倍，且內外側定位力方向相反，所以，內外側定位力相差180°電角度，即內外側定位力互補，相互抵消。參見圖4、5、6所示，隨著動子環(huán)3的移動，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的勵磁方向是恒定的，產生的磁通穿過內部環(huán)形U型齒9、外部環(huán)形U型齒10定子齒，通過氣隙，進入相對應的內側面凸極齒8-1、外側面凸極齒8-2動子齒，再從相鄰的動子齒中穿出，通過氣隙，從定子齒中返回到原定子。內、外兩個磁路相互獨立,形成并聯(lián)的磁路結構。隨著動子環(huán)3的移動，跟電樞繞組匝鏈的磁鏈的數(shù)量和方向都在發(fā)生變化，進而在電樞繞組兩端感生出反電勢，反電勢與電樞電流的作用產生電磁推力，推動動子環(huán)3移動。參見圖7的電樞互感圖，從圖7中可以看出，內、外電樞繞組間的互感很小，跟自感比起來幾乎為零，可忽略不計，這樣內、外部繞組可獨立控制。參見圖8的內、外側和疊加之后合成的定位力的波形圖，從圖8中可以看出，單獨的內、外側的定位力都達到60N，波動比較大，而且內、外側的定位力波形相位相反，相差180°，兩個力同時作用于動子，相互置加抵消，置加之后的定位力最大幅值僅有12N,為原來的20%，有效減小了定位力。
權利要求1.一種定位力互補式雙定子圓筒型直線電機，由同軸的內定子環(huán)(I)、外定子環(huán)(2)和動子環(huán)(3)組成，內定子環(huán)(I)外空套動子環(huán)(3)，動子環(huán)(3)外空套外定子環(huán)(2)，其特征是內定環(huán)(I)由第一永磁體(4-1)和兩個結構相同的、U型槽口朝向動子環(huán)(3)的內部環(huán)形U型齒(9)構成，第一永磁體(4-1)沿軸向勵磁且夾于兩個內部環(huán)形U型齒(9)之間，兩個內部環(huán)形U型齒(9)的兩個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)和兩個結構相同的、U型槽口朝向動子環(huán)(3)的外部環(huán)形U型齒(10)構成，第二永磁體(4-2)與第一永磁體(4-1)的勵磁方向相同且夾于兩個外部環(huán)形U型齒(10)之間，兩個外部環(huán)形U型齒(10)的兩個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；動子環(huán)(3)的內側環(huán)面(6)和外側環(huán)面(7)均為凸極齒狀結構，內側環(huán)面(6)上的每兩個內側面凸極齒(8-1)的齒距與外側環(huán)面(7)的每兩個外側面凸極齒(8-2)的齒距相同，且內側面凸極齒(8-1)和外側面凸極齒(8-2)沿軸向整體錯開四分之一齒距布置。
2.根據(jù)權利要求I所述的定位力互補式雙定子圓筒型直線電機，其特征是所述內部環(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. 25，兩個內部環(huán)形U型齒(9)之間的槽距λ與外側環(huán)面(7)上的凸極齒距PF的比例為O. 88 O. 96，內側環(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)權利要求2所述的定位力互補式雙定子圓筒型直線電機，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。
專利摘要本實用新型公開一種定位力互補式雙定子圓筒型直線電機，內、外定環(huán)均由永磁體和兩個結構相同的、U型槽口朝向動子環(huán)的環(huán)形U型齒構成，永磁體沿軸向勵磁且夾于兩個環(huán)形U型齒之間，環(huán)形U型齒的兩個U型槽中均嵌有一套環(huán)狀的電樞繞組，動子環(huán)的內側環(huán)面上的每兩個內側面凸極齒的齒距與外側面的每兩個外側面凸極齒的齒距相同，且內側面凸極齒和外側面凸極齒沿軸向整體錯開四分之一齒距布置；內定子環(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；動子環(huán)內側的定位力變化頻率和外側的定位力變化頻率均為反電勢變化頻率的兩倍，內外側定位力互補，減小定位力，提高可靠性。
文檔編號H02K16/04GK202713091SQ20122025984
公開日2013年1月30日 申請日期2012年6月5日 優(yōu)先權日2012年6月5日
發(fā)明者吉敬華, 嚴淑君, 趙文祥, 劉國海, 王芳群, 陸繼遠 申請人:江蘇大學