专利名称：定位力互补式双定子圆筒型直线电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种直线电机结构，尤其涉及双定子圆筒型直线电机，适用于空间体积有限的例如人工心脏泵等领域。
背景技术：
在ー些特殊应用场合，如人工心脏泵领域，应用场合的空间体积很有限，需要使用小型尺寸的电机，所以要求能充分利用有限的空间体积，提高功率密度，成为设计这类电机的关键。 双定子圆筒型直线电机比普通圆筒型直线电机产生的推力大。目前已有的双定子圆筒型直线电机主要有两种一种为双定子圆筒型直线感应电机，其初级的内外定子分别位于动子内外侧，定子和动子均由铁心构成，两个定子上均绕有绕组，相比于永磁电机而言，感应电机功率密度较小，且内外定子上均有两相绕组，12个线圈，使得电机的轴向长度较长，不适合应用于体积小的场合。另ー种是横向磁通的双定子圆筒型直线振荡电机，其两个同心式的定子铁心环并排套于动子铁心的外面，其缺点是増加了电机轴向的长度，且相比于将ー个定子置于动子中空部分的结构，功率密度较小，此外，其两个定子对应并排着的每个齿上的线圈相互串联，不可以单独控制单个定子绕组。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的缺陷而提出ー种定位力互补式双定子圆筒型直线电机，在保证可靠性和安全性的前提下，充分利用有限的狭小的空间，在不影响其他静态特性的情况下减小定位力，达到减小输出力脉动、提高推力密度的目的。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是本发明由同轴的内定子环、外定子环和动子环组成，内定子环外空套动子环，动子环外空套外定子环，内定环由第一永磁体和两个结构相同的、U型槽ロ朝向动子环的内部环形U型齿构成，第一永磁体沿轴向励磁且夹于两个内部环形U型齿之间，两个内部环形U型齿的两个U型槽中均嵌有一套环状的第一电枢绕组，两套第一电枢绕组电流方向相反并串联成A相；外定环由第二永磁体和两个结构相同的、U型槽ロ朝向动子环的外部环形U型齿构成，第二永磁体与第一永磁体的励磁方向相同且夹于两个外部环形U型齿之间，两个外部环形U型齿的两个U型槽中均嵌有ー套环状的第二电枢绕组，两套第二电枢绕组电流方向相反并串联成B相；动子环的内侧环面和外侧环面均为凸极齿状结构，内侧环面上的每两个内侧面凸极齿的齿距与外侧环面的每两个外侧面凸极齿的齿距相同，且内侧面凸极齿和外侧面凸极齿沿轴向整体错开四分之ー齿距布置。进ー步地，本发明内部环形U型齿的U型槽宽S1与U型齿宽ら的比例为I. 5 I. 7，第一永磁体宽度A与U型齿宽ら的比例为I. O I. 25，两个内部环形U型齿之间的槽距ろ与外侧环面上的凸极齿距灰的比例为O. 88 O. 96，内侧环面上的凸极齿宽叫与U型齿宽ら的比例为I. O I. 4，外部环形U型齿的U型槽宽与U型齿宽t2的比例为I. 2 I.4，第二永磁体宽度/72与U型齿宽t2的比例为O. 8 I. O，两个外部环形U型齿之间的槽距r2与凸极齿距灰的比例为O. 89 O. 92，外侧环面上的凸极齿宽仿2与U型齿宽t2的比例为I. O I. 4。本发明采用上述技术方案后，具有如下有益效果
I、本发明具有的圆筒型结构比较适合狭小、扁平的空间，具有的同心式的双定子结构，动子置于两个定子之间，双定子的结构使得动子中空部分空间得以充分利用，提高了功率密度，减小了轴向的长度，节约了轴向空间，适合于狭小的空间。2、本发明利用两个定子的错位关系， 两个定子的错位关系反应在动子内侧面和外侧面的不对称结构上，整体上错开了一定的距离，达到动子内外侧定位カ互补的效果，有效减小电机的定位力，有效减小输出力脉动。3、本发明通过调整内定子、外定子，以及动子环内、外侧面的尺寸关系，实现内、夕卜侧定位力相差180°电角度，同时作用时叠加在一起相互抵消，成互补关系，从而在对其他静态特性没有影响的情况下，使得合成的总的定位力能实现最小化，提高电机可靠性。4、本发明的直线电机驱动方式避免了旋转电机驱动过程中传动部件的磨损问题，延长了部件的使用寿命，适用于人工心脏泵这样需要高可靠性、低速往复运动、同时又能产生较大的输出力的场合。5、本发明的永磁体和绕组均置于定子上，动子无永磁体无绕组，绕组利用率高，减少了移动部件的数量，当用于人工心脏泵时，可避免热量随动子进入血流中，导致人体温度过闻。6、本发明的动子环内外侧永磁体磁场无耦合，成并联形式，电枢互感极小，可忽略不计，所以内外侧体现出很强的独立性，相与相之间物理隔离，磁路解耦。
图I是本发明立体结构示意 图2是图I中轴向半剖视 图3是图2所示结构的尺寸标注 图4-6是本发明的工作原理 图7是本发明电枢互感 图8是本发明内、外侧和叠加之后合成的定位力的波形 图中1.内定子环；2.外定子环；3.动子环；4-1.第一永磁体；4-2.第二永磁体；5-1.第一电枢绕组；5-2.第二电枢绕组；6.内侧环面；7.外侧环面；8-1.内侧面凸极齿；8-2.外侧面凸极齿；9.内部环形U型齿；10.外部环形U型齿。
具体实施例方式如图I和图2所示，本发明由内定子环I、外定子环2、动子环3所组成，内定子环
I、外定子环2、动子环3三者同轴，轴向也是动子运动的方向。动子环3空套在内定子环I夕卜，外定子环2空套在动子环3タト，即动子环3置于内定子环I和外定子环2之间。内定环I由第一永磁体4-1和两个结构相同的内部环形U型齿9构成，两个内部环形U型齿9的U型槽的槽ロ朝向动子环3，内部环形U型齿9是由导磁材料加工而成，第一永磁体4-1夹在两个内部环形U型齿9之间，且第一永磁体4-1沿轴向励磁。在两个内部环形U型齿9的两个U型槽中均嵌有一套环状的第一电枢绕组5-1，两套第一电枢绕组5-1中通以方向相反的电流,将这两套第一电枢绕组5-1反向串联成ー相,为A相。外定环2由第二永磁体4-2和两个结构相同的外部环形U型齿10构成，两个外部环形U型齿10的U型槽的槽ロ也朝向动子环3，第二永磁体4-2夹在两个外部环形U型齿10之间，外部环形U型齿10也是由导磁材料加工而成，第二永磁体4-2也沿轴向励磁，且励磁方向与第一永磁体4-1的励磁方向相同。在两个外部环形U型齿10的两个U型槽中均嵌有一套环状的第二电枢绕组5-2，两套第二电枢绕组5-2中通以方向相反的电流，将这两套第二电枢绕组5-2反向串联成ー相，为B相。A、B两相绕组采用独立的H桥控制，构成两相电机。动子环3由动子铁心构成，动子铁心由导磁材料加工而成(如电エ铁)，其上无永磁体也无绕组。动子环3的内侧环面6和外侧环面7均为凸极齿状结构，内侧环面6上的每两个内侧面凸极齿8-1之间沿轴向的齿距与外侧环面7的每两个外侧面凸极齿8-2之间沿 轴向的齿距相同，从而保证动子环3内侧和外侧电周期相同。但是内侧面凸极齿8-1和外侧面凸极齿8-2沿轴向整体错开四分之ー齿距的距离布置，使得A、B两相相差90°电角度。如图3所示，本发明关键在于各部件之间的尺寸配合，在综合考虑反电势波形、定位力波形以及磁密的情况下，本发明限定几个主要尺寸比例关系如下内部环形U型齿9的U型槽宽A与内部环形U型齿9的U型齿宽tx的比例为I. 5 I. 7，第一永磁体4-1宽度A与U型齿宽tx的比例为I. O I. 25，两个内部环形U型齿9之间的槽距ハ与动子环3的外侧环面7上的凸极齿距# (内、外侧面上的齿距相同)的比例为O. 88 O. 96，动子环3的内侧环面6上的凸极齿宽叫与U型齿宽ら的比例为I. O I. 4，外定子环2上的外部环形U型齿10的U型槽宽S2与U型齿宽t2的比例为I. 2 I. 4，第二永磁体4-2宽度/72与U型齿宽ら的比例为O. 8 I. 0，两个外部环形U型齿10之间的槽距ァ2与凸极齿距PF的比例为O. 89 O. 92，外侧环面7上的凸极齿宽》2与U型齿宽t2的比例为I. O I. 4。在上面提到的几个主要尺寸中，优选出ー组定位力抵消效果较优的合适的尺寸如下u型槽宽S1与U型齿宽tx的比例为I. 6，第一永磁体4-1宽度A与U型齿宽tx的比例为I. 25,槽距T1与凸极齿距W的比例为O. 9,凸极齿宽叫与U型齿宽ら的比例为I. 4 ;夕卜部环形U型齿10的U型槽宽与U型齿宽ら的比例为I. 25，第二永磁体4-2宽度内与U型齿宽t2的比例为O. 8，两个外部环形U型齿10之间的槽距ァ2与凸极齿距PF的比例为O. 9，凸极齿宽与U型齿宽t2的比例为1.4。本发明经过合理的尺寸设计，组成内定子环I的内部环形U型齿9的U型槽宽、齿宽以及第一永磁体4-1的宽度均与组成外定子环2的外部环形U型齿10的U型槽宽、齿宽以及第ニ永磁体4-2的宽度的尺寸大小不同，同吋，动子环3的内侧面凸极齿8-1与外侧面凸极齿8-2齿宽不同，使得动子环3内侧的定位力变化频率和外侧的定位力变化频率均为反电势变化频率的两倍，且内外侧定位力方向相反，所以，内外侧定位力相差180°电角度，即内外侧定位カ互补，相互抵消。參见图4、5、6所示，随着动子环3的移动，磁通路径和方向的变化情况，如图中箭头所示，由于第一、第二永磁体4-1、4-2的励磁方向是恒定的，产生的磁通穿过内部环形U型齿9、外部环形U型齿10定子齿，通过气隙，进入相对应的内侧面凸极齿8-1、外侧面凸极齿8-2动子齿，再从相邻的动子齿中穿出，通过气隙，从定子齿中返回到原定子。内、外两个磁路相互独立,形成并联的磁路结构。随着动子环3的移动，跟电枢绕组匝链的磁链的数量和方向都在发生变化，进而在电枢绕组两端感生出反电势，反电势与电枢电流的作用产生电磁推力，推动动子环3移动。 参见图7的电枢互感图，从图7中可以看出，内、外电枢绕组间的互感很小，跟自感比起来几乎为零，可忽略不计，这样内、外部绕组可独立控制。参见图8的内、外侧和叠加之后合成的定位力的波形图，从图8中可以看出，单独的内、外侧的定位力都达到60N，波动比较大，而且内、外侧的定位力波形相位相反，相差180°，两个力同时作用于动子，相互叠加抵消，叠加之后的定位力最大幅值仅12N，为原来的 20%，有效减小了定位力。
权利要求
1.ー种定位力互补式双定子圆筒型直线电机，由同轴的内定子环(I)、外定子环(2)和动子环(3)组成，内定子环(I)外空套动子环(3)，动子环(3)外空套外定子环(2)，其特征是内定环(I)由第一永磁体(4-1)和两个结构相同的、U型槽ロ朝向动子环(3)的内部环形U型齿(9)构成，第一永磁体(4-1)沿轴向励磁且夹于两个内部环形U型齿(9)之间，两个内部环形U型齿(9)的两个U型槽中均嵌有一套环状的第一电枢绕组(5-1)，两套第一电枢绕组(5-1)电流方向相反并串联成A相；外定环(2)由第二永磁体(4-2)和两个结构相同的、U型槽ロ朝向动子环(3)的外部环形U型齿(10)构成，第二永磁体(4-2)与第一永磁体(4-1)的励磁方向相同且夹于两个外部环形U型齿(10)之间，两个外部环形U型齿(10)的两个U型槽中均嵌有一套环状的第二电枢绕组(5-2)，两套第二电枢绕组(5-2)电流方向相反并串联成B相；动子环(3)的内侧环面(6)和外侧环面(7)均为凸极齿状结构，内侧环面(6)上的每两个内侧面凸极齿(8-1)的齿距与外侧环面(7)的每两个外侧面凸极齿(8-2)的齿距相同，且内侧面凸极齿(8-1)和外侧面凸极齿(8-2)沿轴向整体错开四分之ー齿距布置。
2.根据权利要求I所述的定位力互补式双定子圆筒型直线电机，其特征是所述内部环形U型齿(9)的U型槽宽ろ与U型齿宽ら的比例为I. 5 I. 7，所述第一永磁体(4-1)宽度A与U型齿宽ら的比例为I. O I. 25，两个内部环形U型齿(9)之间的槽距ハ与外侧环面(7)上的凸极齿距灰的比例为O. 88 O. 96，内侧环面(6)上的凸极齿宽％与U型齿宽ら的比例为I. O I. 4，所述外部环形U型齿(10)的U型槽宽与U型齿宽t2的比例为I. 2 I. 4，所述第二永磁体(4-2)宽度与U型齿宽t2的比例为O. 8 I. O,两个外部环形U型齿(10)之间的槽距ァ2与凸极齿距『的比例为O. 89 O. 92，外侧环面(7)上的凸极齿宽与U型齿宽t2的比例为I. O I. 4。
3.根据权利要求2所述的定位力互补式双定子圆筒型直线电机，其特征是U型槽宽&与U型齿宽ら的比例为I. 6,宽度P1与U型齿宽ら的比例为I. 25,槽距T1与凸极齿距#的比例为O. 9,凸极齿宽％与U型齿宽tx的比例为I. 4 ；U型槽宽S2与U型齿宽t2的比例为.1.25，宽度与U型齿宽ら的比例为O. 8，槽距r2与凸极齿距#的比例为O. 9,凸极齿宽 与U型齿宽t2的比例为I. 4。
全文摘要
本发明公开一种定位力互补式双定子圆筒型直线电机，内、外定环均由永磁体和两个结构相同的、U型槽口朝向动子环的环形U型齿构成，永磁体沿轴向励磁且夹于两个环形U型齿之间，环形U型齿的两个U型槽中均嵌有一套环状的电枢绕组，动子环的内侧环面上的每两个内侧面凸极齿的齿距与外侧面的每两个外侧面凸极齿的齿距相同，且内侧面凸极齿和外侧面凸极齿沿轴向整体错开四分之一齿距布置；内定子环的环形U型齿的U型槽宽、齿宽以及永磁体的宽度均与外定子环的环形U型齿的U型槽宽、齿宽以及永磁体的宽度的尺寸大小不同；动子环内侧的定位力变化频率和外侧的定位力变化频率均为反电势变化频率的两倍，内外侧定位力互补，减小定位力。
文档编号H02K16/04GK102694444SQ201210181050
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月5日 优先权日2012年6月5日
发明者严淑君, 刘国海, 吉敬华, 王芳群, 赵文祥, 陆继远 申请人:江苏大学