基于同轴线圈、铁芯的驱动子式直线电机的制作方法
【专利摘要】一种基于同轴线圈、铁芯的驱动子式直线电机，一个长外磁筒WCT里面套一个配套长度的内磁轴NCZ，用励磁线圈LCX或永磁铁YCT产生磁场，外磁筒与内磁轴一端用铁磁材料的连接铁芯LJT连接成称为主磁体的一整块磁铁，使得外磁筒与内磁轴各为一磁极；另一端用非磁性材料做成的定位体DWT固定，确保外磁筒内壁轴线和内磁轴轴线同轴，使得外磁筒内壁与内磁轴外壁之间形成一个间隙筒，间隙筒中装配驱动子QDZ，驱动线圈QDX、驱动铁芯QDT与滑动子HDZ固定为一体，成为驱动子，驱动子通电后可以在间隙筒中穿梭。
【专利说明】
基于同轴线圈、铁芯的驱动子式直线电机
技术领域
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[0001]本发明是一种直线电机，属于电机领域。本发明简称驱动子式电机。
【背景技术】
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[0002]直线电机种类繁多，如:交流直线感应电动机(LIM)，交流直线同步电动机(LSM)，直流直线电动机(LDM)，直线步进电动机(LPM)，直线电磁螺线管电动机(LES)，直线振荡电动机(LOM)，等，其中，交流直线感应电动机在动力驱动中得到了很好的应用，比如高铁、航母的电磁弹射器等，但是，其技术复杂性很高，导致可靠性难以保证。
[0003]直线电磁螺线管电动机(LES)的优点是结构简单，直流无刷驱动；直线电磁螺线管电动机(LES)俗称为音圈电机,米用与喇ΠΛ中的音圈相同的工作原理，一个外圆筒磁极套一个内圆轴磁极，内外磁极间形成圆筒形空隙，环形音圈套在空隙中可以沿内圆轴滑动。就目前而言，LES的缺点很明显，主要是没有解决长距离大功率驱动的问题。
[0004]发明目的:
[0005]本发明的目的是解决LES式电机无法长距离大功率驱动的问题。得到一种结构简单，直流无刷驱动，驱动力大、效率高、驱动力可调的电机。从实验样机看是成功的。
[0006]本发明基本原理:一种基于同轴线圈、铁芯的驱动子式直线电机，为了叙述简便，先给出以下定义和约定:
[0007]?本文中说到的圆形、梯形、多边形、椭圆形，都是指轴或筒的截面形状。
[0008]?内磁轴(NCZ):是用铁磁性材料做成的圆形长轴NCZ，它可以是空心轴或实心轴，也可以是一根高抗弯强度非磁性材料的空心或实心轴(内磁轴骨架筒NCZ2)外面套许多环形永磁铁(YCT1)，NCZ^YCT1合并成NCZ。
[0009]?外磁筒:是用铁磁性材料做成的长筒WCT，也可以是一根非磁性材料的空心管(外磁筒骨架筒WCT2)里面嵌套许多环形永磁铁(YCT2)，WCT2+YCT2合并成WCT ;也可以是许多环形永磁铁用螺丝连接成外磁筒。其基本型为长圆筒，即，其基本型的截面为圆环形，夕卜磁筒也可以是复合型(复合型解释见下面)，定义外磁筒中所包含的基本型磁筒的轴线为外磁筒的轴线，理想化外磁筒轴线定义为驱动式电机的轴线，与内磁轴轴线同轴，由于驱动子通过延伸体(延伸体见后面的解释)穿过外磁筒拖动被加速体加速，所以需要在外磁筒上开槽或连接铁芯上开孔，统一约定，外磁筒、外磁筒骨架筒、外磁筒环形永磁铁都带有驱动槽缺口，以下不再说明。
[0010]?配套长度:外磁筒与内磁轴很长，如果它们之间的长度差与长度之比很小，则称
[0011]?两者的长度为配套长度，类似于长度基本上相等，外磁筒与内磁轴为配套长度。
[0012]?圆中心线和轴线:一根弯曲圆柱,其各处圆截面中心的连线称为圆中心线，当弯曲圆柱曲率为无穷大时就成了直圆柱，圆中心线就称为轴线，为了叙述简洁，本文定义曲率半径大于驱动子长度20倍时，称该曲线称为直线，所以，轴线引申到包括缓慢的弯曲的中心线，比如跳跃式起飞甲板安装弹射器时，其内磁轴和外磁筒有一点缓慢的弯曲，本文也称其中心线为轴线。
[0013]?主磁体:用励磁线圈LCX或永磁铁YCT产生磁场，外磁筒和内磁轴的一端用铁磁性材料的连接铁芯LJT连接，另一端用非磁性材料定位体DWT固定，使外磁筒与内磁轴保持平行，形成内外一对磁极。
[0014].间隙筒:外磁筒内壁与内磁轴外壁之间形成一个大间隙的间隙筒，大间隙指该间隙筒的径向间隙与外磁筒壁厚或内磁轴半径为同一个数量级。
[0015]?零间隙:指两邻面紧密接触，其间隙视为零。
[0016]?微间隙:指两邻面不接触而无摩擦但间隙很小，其间隙远小于间隙筒的大间隙。
[0017]?驱动子:由驱动线圈、驱动铁芯和滑动子固定为一体构成，附图中驱动方向朝左。
[0018]?驱动线圈:是一个绕在非磁性材料薄壁筒上的线圈。将所述薄壁筒和线圈粘接固定，视为一个整体，合称为驱动线圈，驱动线圈呈微间隙地套在内磁轴外面，在分析电磁力时，默认驱动线圈通以直流电。
[0019]?驱动铁芯:在驱动线圈的外层零间隙地套一个铁磁性材料套筒称驱动铁芯，其作用有两个，一个是使驱动子处磁阻小于间隙筒其它处磁阻，以改善磁路，另一个是固定驱动子和驱动钩，为了避免筒的环形方向形成涡流，该套筒可以是由两个半边套筒绝缘地拼而成，也可以是一个整体套筒，在由经线和轴线所确定的平面上，将套筒筒壁沿轴向开一条绝缘缝；驱动铁芯壁厚可以根据设计调整，如果注重减小磁阻，就需要加厚套筒壁厚，如果注重减轻驱动子，就需要减薄套筒壁厚，如果其壁厚等于零，就是相当于驱动子没有驱动铁芯，只有驱动线圈。
[0020]?延伸体:固定于驱动子上，穿过外磁筒的包围向外提供驱动力的器件，有驱动钩和牵引绳两类，1、驱动钩:外磁筒沿轴向开一条驱动槽，驱动子上有一个驱动钩，从驱动槽伸出到外磁筒外面，勾住被加速体(飞机、炮弹、火箭、刨床头等)作直线加速运动；2、牵引绳:在连接铁芯LJT或定位体DWT上穿通孔TK，固定于驱动子上的牵引绳穿过通孔牵引被加速体。驱动子的电缆与延伸体一起穿过外磁筒。
[0021]?驱动铁芯外壁与外磁筒内壁之间的间隙称驱动子外环间隙，简称外环间隙；驱动线圈内壁与内磁轴外壁之间的间隙称驱动子内环间隙，简称内环间隙。
[0022]?滑动子:包括滑动式滑套和滚轮式滑套，滑动子是驱动子沿轴向运动的载体
[0023]?基本型:圆形称基本型形状，简称基本型，从筒的角度说可以称圆筒形。
[0024]?复合型:矩形的一条边与圆形的直径重叠，组成图形去掉内部线条后的外轮廓图形(像天安门的拱门)，简称复合型。同样方法，梯形、多边形与圆形也可以组成复合型，圆形与椭圆形复合也是复合型。
[0025]?截面:指外磁筒、内磁轴、间隙筒和驱动子垂直于轴线的横截面，截面包含基本型截面和复合型截面，合称环形截面。
[0026]?轴线:外磁筒内壁、内磁轴外壁、间隙筒和驱动子，它们的轴线，指环形截面中所包含圆形截面的中轴线，理想状态下，它们的所有轴线相互重合、同轴，它们的所有母线和轴线相互平行，一旦确定环形形状，那么沿轴向全长截面为形状一致。
[0027]?导线和线圈外层都有绝缘层。
[0028]?顺磁场拼接:由许多永磁铁环按相同的磁场方向一个挨一个拼接起来，组成一块大磁铁。
[0029]?同类体:附图中，同类器件或同一器件的不同视图称同类体，采用相同的符号，不同的下标表示，如=WCT表示外磁筒，其中WCTpWCI^WCI^WCTpWCI^WCL、分别表示圆筒形外磁筒外观、圆筒形外磁筒剖视、圆筒形外磁筒截面、复合型外磁筒外观、复合型外磁筒剖视、复合型外磁筒截面。
[0030]本发明的特征是:一个长外磁筒WCT里面套一个配套长度的内磁轴NCZ，用励磁线圈LCX或永磁铁YCT产生磁场，外磁筒与内磁轴一端用铁磁材料的连接铁芯LJT连接成称为主磁体的一整块磁铁，使得外磁筒与内磁轴各为一磁极；另一端用非磁性材料做成的定位体DWT固定，确保外磁筒内壁轴线和内磁轴轴线同轴，同时,连接铁芯和定位体使得外磁筒内壁与内磁轴外壁之间形成一个间隙筒，间隙筒中装配驱动子QDZ，驱动子外壁与外磁筒内壁呈微间隙，驱动子内壁与内磁轴外壁呈微间隙，驱动子可以在间隙筒中穿梭。
[0031]驱动线圈QDX、驱动铁芯QDT与滑动子HDZ固定为一体，成为驱动子，它们的轴线与内磁轴轴线同轴，驱动线圈是一个绕在非磁性材料薄壁筒上的线圈，将所述薄壁筒和线圈粘接固定，视为一个整体，成为驱动线圈，驱动线圈呈微间隙地套在内磁轴外面，驱动线圈的外层零间隙套一个称为驱动铁芯铁的铁磁性材料套筒，驱动铁芯作用有两个，一个是使驱动子处磁阻小于间隙筒其它处磁阻，使得驱动子处磁通密度大于间隙筒其它处磁通密度，以改善磁路；另一个是通过驱动铁芯将驱动线圈、滑动子和驱动钩固定为一个驱动子整体。为了避免驱动铁芯在环形方向形成涡流，驱动铁芯可以是由两个半边套筒绝缘地拼而成，也可以是一个整体套筒，在由经线和轴线所确定的平面上，将套筒筒壁沿轴向开一条绝缘缝；驱动铁芯壁厚可以根据设计调整，如果注重减小磁阻，就需要加厚套筒壁厚，如果注重减轻驱动子，就需要减薄套筒壁厚；驱动铁芯外壁与外磁筒内壁之间为微间隙，两者被滑动子维持微间隙而无摩擦，只有滑动子产生的微摩擦阻力，同样，驱动线圈内壁与内磁轴外壁之间也是微间隙，两者被滑动子维持微间隙而无摩擦，只有滑动子产生的微摩擦阻力，所以，驱动子在轴向运动时受到的摩擦阻力很小；由于驱动铁芯减小了磁阻，所以驱动子处磁场较强，朝驱动子轴线方向看，磁力线呈放射状，即，垂直于内磁轴表面，垂直指向外磁筒内壁，当然是呈放射状垂直指向驱动线圈的导线，当驱动线圈接通直流电后，会受到轴向电磁力，在电磁力的驱动下，驱动子沿着间隙筒轴向作直线加速运动，驱动子上延伸体穿过外磁筒的包围向外提供驱动力，拖动被加速体加速。
实施例:
[0032]实施例1——主磁体的基本结构。
[0033]主磁体结构:一个长外磁筒WCT里面套一个配套长度的内磁轴NCZ，外磁筒与内磁轴一端用铁磁材料的连接铁芯LJT连接成称为主磁体的一整块磁铁，用励磁线圈LCX或永磁铁YCT产生磁场,使得外磁筒与内磁轴各为一磁极，永磁铁较好的方法是用铷铁硼制造外磁筒和内磁轴；另一端用非磁性材料做成的定位体DWT固定，确保外磁筒内壁轴线和内磁轴轴线同轴，在外磁筒内壁与内磁轴外壁之间形成一个间隙筒，间隙筒中装配驱动子QDZ，驱动子外壁与外磁筒内壁呈微间隙，驱动子内壁与内磁轴外壁呈微间隙，驱动子可以在间隙筒中穿梭。外磁筒和内磁轴是直的或者缓慢弯曲的。
[0034]实施例1.1——内磁轴的基本结构。
[0035]内磁轴有励磁线圈励磁和永磁铁励磁两类，
[0036]励磁线圈励磁:图1中内磁轴是采用高饱和磁通密度的铁磁性材料，励磁线圈LCX套在内磁轴上，通电后产生磁场，这种励磁方式的优势是磁场大小可调、主磁体结构简单。
[0037]永磁铁YCT励磁:如果图1去掉励磁线圈，就成了嵌套式励磁结构示意图，改用永磁铁产生磁场，嵌套式外磁筒和内磁轴的截面为图1.1，内磁轴由内磁轴骨架筒NCZ2和内磁轴永磁铁筒YCT1构成，内磁轴骨架筒是一根很长的高抗弯强度管或棒，许多永磁铁环顺磁场拼接套在内磁轴骨架筒NCZ2外部构成内磁轴永磁铁筒YCI\。
[0038]磁力的偏心和重力的作用会使得内磁轴径向受力不对称，难免弓I起内磁轴弯曲，避免内磁轴弯曲可以采取6条措施，第I是采用高抗弯强度材料；第2是为了克服重力造成的弯曲，先要将内磁轴做成朝相反的方向预弯曲，与重力造成的弯曲相抵消；第3是为了克服磁力不对称造成的弯曲，需要配备修正磁铁，在外磁筒外面加装修正磁铁使磁力对称，用以修正磁力造成的弯曲；第4是在驱动子的两端装配滑动子，用于维持驱动子处内磁轴与外磁筒之间的相对位置；第5是采用间隙筒修正子，用于维持修正子处内磁轴与外磁筒之间的相对位置；第6是内磁轴采用空心结构有利于在同等重量的前提下增强抗弯性。
[0039]实施例1.2——外磁筒的基本结构。
[0040]外磁筒有励磁线圈励磁和永磁铁励磁两类，励磁线圈励磁与内磁轴的相同。
[0041]永磁铁YCT励磁:永磁铁励磁有两种结构，一种结构是嵌套式磁铁,如果图1去掉励磁线圈，就成了嵌套式励磁结构示意图，改用永磁铁产生磁场，图1.1中包含了一个嵌套式外磁筒的截面,外磁筒由外磁筒骨架筒WCT3和外磁筒永磁铁筒构成，许多环形永磁铁YCT2顺磁场拼接嵌在外磁筒骨架筒WCT3内部，构成外磁筒；另一种结构是拼接式磁铁(图2)，许多小段拼接式环形永磁铁(包括圆盘形和复合型形状)YCT3通过包括螺丝连接在内的机械连接，成为一个很长的外磁筒。
[0042]内磁轴骨架筒和外磁筒骨架筒都是由高强度材料制成，该高强度材料可以是磁性材料或非磁性材料，由于磁性材料会形成漏磁回路，所以用高强度非磁性材料比较好。
[0043]驱动子向外提供驱动力有两种方式，一种是驱动钩QDG，一种是牵引绳，两者都需要穿过外磁筒的包围拖动被加速体加速，针对驱动钩类延伸体，需要外磁筒沿轴向开一条驱动槽QDC，驱动子上的驱动钩，从驱动槽伸出到外磁筒外面，勾住被加速体作直线加速运动，驱动子的电缆也是与驱动钩一起通过驱动槽；针对牵弓I绳类延伸体，在驱动方向反方向的定位体或连接铁芯(图1中是定位体DWT，图2中是连接铁芯LJT)上穿通孔TK，固定于驱动子上的牵引绳穿过通孔TK牵引被加速体。
[0044]实施例2——驱动子的基本结构。
[0045]驱动子是由驱动线圈QDX、驱动铁芯QDT和滑动子HDZ固定为一体构成，驱动子QDZ包括圆柱形驱动子QDZ1和复合型形状驱动子QDZ2，驱动线圈是一个呈微间隙地套在内磁轴外面的线圈；驱动铁芯是在驱动线圈的外层零间隙地套一个铁磁性材料套筒；滑动子包括滑动式滑套和滚轮式滑套。
[0046]实施例2.1——驱动线圈的基本结构。
[0047]驱动线圈是一个绕在非磁性材料薄壁筒上的线圈，将所述薄壁筒和整个线圈粘接固定，视为一个整体，合称为驱动线圈，驱动线圈呈微间隙地套在内磁轴外面，在分析电磁力时，默认驱动线圈通以直流电。
[0048]实施例2.2——驱动铁芯的基本结构。
[0049]驱动铁芯是在驱动线圈的外层零间隙地套一个铁磁性材料套筒，其作用有两个，一个是使驱动子处磁阻小于间隙筒其它处磁阻，以改善磁路；另一个是固定驱动线圈、滑动子和驱动钩，使驱动子成为一个整体。为了避免在驱动铁芯圆周方向形成涡流，该套筒可以是由两个半边套筒绝缘地拼而成(用拼接螺丝P几拼接)，也可以是一个整体套筒，在由经线和轴线所确定的平面上，将套筒筒壁沿轴向开一条绝缘缝；驱动铁芯壁厚可以根据设计调整，如果注重减小磁阻，就需要加厚套筒壁厚，如果注重减轻驱动子，就需要加工减重孔JZK或者减薄套筒壁厚，如果其壁厚等于零，就是相当于驱动子没有驱动铁芯，只有驱动线圈。铁芯外壁与外磁筒内壁之间的间隙称驱动子外环间隙，简称外环间隙；驱动线圈内壁与内磁轴外壁之间的间隙称驱动子内环间隙，简称内环间隙。
[0050]在满足磁通量传输的前提下，为了减轻驱动铁芯重量，挖减重孔JZK，驱动铁芯成藕状。
[0051 ] 实施例2.3——滑动子的基本结构。
[0052]滑动子包括滑动式滑套和滚轮式滑套，滑动子是驱动子沿轴向运动的载体，滑动式滑套就是普通的非磁性材料滑套(比如黄铜套)；滚动式滑套是在非磁性材料饼FCB (包括圆形饼FCB1和复合型饼FCB2)上安装外环间隙滚轮GL1和内环间隙滚轮GL2,驱动子两端各固定一个滑动子，滚轮沿轴向滚动，使驱动子看起来像在间隙筒中轴向滑动，驱动铁芯外壁与外磁筒内壁之间被外环间隙滚轮GL1维持微间隙而无摩擦，只有滚轮产生的微摩擦阻力，同样，驱动线圈内壁与内磁轴之间被内环间隙滚轮GL2维持微间隙而无摩擦，只有滚轮产生的微摩擦阻力，所以，驱动子受到的摩擦阻力很小。
[0053]实施例3——非磁性材料驱动子的基本结构。
[0054]将驱动铁芯改用非磁性材料也是可行的结构，图3和图3.1中，驱动线圈几乎占据整个间隙筒，保护套QDT8 (QDT9是QDT8的剖面，QDT10是QDT8的截面)为非磁性材料薄壁筒包在驱动线圈QDX外面，一个作用是保护线圈，另一个是固定驱动线圈、滑动子和驱动钩，使驱动子成为一个整体，非磁性材料驱动子的作用，一个是可以充当驱动子，另一个是可以充当间隙筒修正子。
[0055]实施例3.1——间隙筒修正子的基本结构。
[0056]磁力的偏心和重力的作用会使得内磁轴径向受力不对称，难免弓I起内磁轴弯曲，修正内磁轴弯曲的措施之一是采用间隙筒修正子(简称修正子)，修正子就是在非磁性材料驱动子的基础上增加了跟踪定位装置，在驱动子前方安装Ii1个修正子，在自动控制装置的控制下，动态地停留在在均分驱动子前方内磁轴长度的位置，将间隙筒修正成标准形状；同样，在驱动子后方安装n2个修正子，在自动控制装置的控制下，动态地停留在在均分驱动子后方内磁轴长度的位置，将间隙筒修正成标准形状。
[0057]实施例4——截面形状。
[0058]关于截面形状，图1.2和图2.1中不便于画外磁筒，所有附图中，内磁轴和驱动线圈采用圆形，图1.2中，外磁筒、驱动铁芯、滑动子和间隙筒的截面形状，都是基本型(圆形)，由于驱动子带负载滑动时要受很大的力，为了提高驱动子在间隙筒中的滑动性能，图
2.1和2.2中，驱动子的内壁和外壁采用复合型形状是一种较好的选择，驱动子外壁的复合型为圆形与等腰梯形(特例是矩形)的复合型，等腰梯形的顶边与圆形的直径重叠，组成图形去掉内部线条后的外轮廓图形(像天安门的拱门)，外磁筒内壁与驱动子外壁同形状，两者间呈微间隙；同理，驱动子内壁同样可以采用复合型形状(不好画，仍然画成圆形)，内磁轴外壁与驱动子内壁同形状，两者间呈微间隙；采用复合型形状，其底部的滚轮是垂直于地面安装，对于弹射器而言更有利于滚轮的受力。
[0059]实施例5——驱动力调节装置的基本结构。
[0060]驱动线圈接通驱动电动势后产生驱动电流，驱动线圈会在磁场中受力，驱动子在电磁力的驱动下产生加速度，速度越快则驱动线圈产生的反向电动势越大，反向电动势抵消部分驱动电动势，会使得驱动线圈中的驱动电流越来越小，所以，如果要将驱动子的电磁力维持在正常工作范围，就需要不断加大驱动电动势，将驱动电流维持在正常工作范围。
[0061]图4为分级式电容或蓄电池式电源，电容或蓄电池C1?Cn分别对应地与开关K1?Kn并联，启动前，开关全部闭合，电源电缆正极DL+和电缆负极DL-通过开关接到驱动线圈引出线缆YCX，当开关刚接通时，只有C。对驱动线圈提供电压，驱动子加速后产生反电势逐渐加大，当驱动线圈电流低于下限值Ilciw时，令开关K1断开，使C1的电压添加到驱动电动势中来；因为随着驱动子速度的逐渐增加，反电势也逐渐增加，所以需要逐渐加大驱动电动势，令开关K1?Kn逐个断开，使C1?Cn的电压逐个添加到驱动电动势中来，成为分级式电源，保持驱动电流不低于下限值Ilciw,从而保持电磁力不低于下限值Flm。
[0062]实施例5.1——发电制动和蓄能装置的基本结构。
[0063]当驱动过程已经完成时，需要对驱动子进行制动操作，最好的方法是采用发电制动，可以节省能量，直流电源包括蓄电池、电容、直流发电机三种，发电制动方法一是将电容或蓄电池C。?Cn全部变成并联，驱动子的反电势就会向电容或蓄电池充电；方法二是另外准备一组并联电容或蓄电池，将反电势接到这组电容或蓄电池上充电；方法三是对直流发电机倒灌电流，直流发电机变成了直流电动机，拖动一个大的飞轮加速旋转，储存机械能。最后，驱动子由缓冲器HCQ减速至零。
[0064]实施例7——电磁纯铁驱动线圈的结构。
[0065]图5是一个线圈轴向视图，该线圈用电磁纯铁做成薄片(厚度ST2)弹簧状，弹簧外径2*?就是驱动子外径，弹簧内径2*R2就是驱动子内径，涂上绝缘漆后压缩到一起，成为驱动铁芯与驱动线圈集于一体的驱动子，电磁纯铁既有良好的导磁性能，又有良好的导电性能，应该是很好的驱动子，但是实验证明行不通。
[0066]实验表明，解释驱动子的受力分析遇到了困难，从原理上说，将驱动线圈置于驱动铁芯内圆和置于外圆应该是等效的，但是，前者驱动子可以驱动，而后者一点不动，如果前者做成嵌线槽，驱动线圈绕在嵌线槽中，驱动力大大减弱，如果做成像图5 —样的电磁纯铁驱动子，驱动子动不了。
[0067]简而言之，驱动线圈与内磁轴之间不能够用铁磁性材料隔离，否则失去电磁力，驱动线圈与内磁轴之间为微间隙才能够产生好的驱动效果。为了作出物理解释，拟作出一个物理假设:驱动线圈只与其内部的磁力线产生作用力，与其外部的磁力线并不产生作用力。如果将驱动线圈置于驱动铁芯外圆，驱动线圈与驱动铁芯之间产生作用力，因为两者是固定为一体的，所以两者之间的力为内力，无法使驱动子运动；如果将驱动线圈置于驱动铁芯内圆，驱动线圈与内磁轴之间产生作用力，驱动线圈受到的是来自于内磁轴的力，对驱动线圈和驱动子而言，这是外力，所以驱动线圈被驱动，带动整个驱动子运动。
[0068]也可以用漏磁解释，驱动线圈在线圈内部产生的磁力线，根据磁导的规律，绝大部分从驱动线圈所绕的铁筒上漏掉，而没有与主磁体的磁场发生作用。
【附图说明】
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[0069]图1——圆筒形驱动子式电机整体示意图。WCT1——圆筒形外磁筒外观；LJT——内磁轴与外磁筒的连接铁芯；LCX——励磁线圈；HCQ——缓冲器；WZG——位置传感器；QDT1——圆筒形驱动铁芯外观；WJX——外环间隙；QDT2——圆筒形驱动铁芯局部剖视；QDG——驱动钩WDX1——驱动线圈外观；QDX2——驱动线圈剖视！HDZ1——圆盘形滑动子；WCT2——圆筒形外磁筒局部剖视；NCZ——内磁轴；DWT——非磁性材料定位体；XZC——修正磁铁WDZ1—(虚线框围住的部分)圆柱形驱动子JXT—间隙筒；TK—通孔；
[0070]图1.1——嵌套式外磁筒和内磁轴的截面为图。NCZ1——内磁轴内孔；NCZ2——内磁轴骨架筒JCT1——内磁轴环形永磁铁JXT——间隙筒；QDC——驱动槽；YCT2——外磁筒环形永磁铁;WCT3——外磁筒骨架筒。NCZANCZdYCT1合并起来称为NCZ，是NCZ的一种。YCT2+ffCT3是外磁筒WCT的一种。
[0071]图1.2——圆筒形驱动子整体示意图。与图1相同的符号有:NCZ ;QDI\ ；QDT2 ；QDG ；QDX1 ；QDX2 WDZ1 ;新符号有:NJX——内环间隙；YCX——引出线缆；QDX3——驱动线圈的非磁性材料薄壁筒。
[0072]图1.2.1——圆筒形驱动子截面示意图。与前图相同的符号有:NCZ ；WJX ；QDG ；QDX3 ；NJX ;新符号有JYF1——绝缘缝I JYF2——绝缘缝2 ；QDC——驱动槽；QDX4——驱动线圈截面；QDT3——驱动铁芯截面；WCT4——外磁筒截面JZK——减重孔；PJL——拼接螺丝；
[0073]图1.2.2——圆盘形滑动子侧视图MDZ1——圆筒形滑动子(虚线框内)^L1——外环间隙滚轮；圆盘形非磁性材料饼FCBp
[0074]图1.2.3——圆盘形滑动子轴向示意图；与前图相同的符号有=HDZ1 ^L1 ；NCZ ；NJX ^CB1 ;新增的符号有=GL2——内环间隙滚轮。
[0075]图2——复合形状驱动子式电机整体示意图。与前图相同的符号有:DWT ；HCQ ；WZG ；WJX ；QDG ADX1 ；QDX2 ；NCZ ；LJT ；TK ；XZC ；JXT ;新增符号有:WCT7——复合形状外磁筒侧视局部图；WCTS—复合形状外磁筒局部剖视；QDT5—复合形状驱动铁芯外观侧视图；QDT6—复合形状驱动铁芯局部剖视；HDZ2—复合盘形滑动子；YCT3—小段拼接式环形永磁铁(包括圆盘形和复合型形状)；QDZ2——复合型形状驱动子侧视图(虚线框内)。
[0076]图2.1——复合型形状驱动子整体示意图。与前图相同的符号有:NCZ ；QDT5 ；QDT6 ；QDG !QDX1；QDX2 ；QDX3 ；HDZ2 ；YCX ；
[0077]图2.1.1——复合形状驱动子截面示意图。与前图相同的符号有:NCZ ；WJX JYF1 ；QDG ；QDX3 ；QDX4 ；NJX ；QDC JZK ;新符号有=QDT7——复合形状驱动铁芯截面；WCT9——复合形状外磁筒截面；
[0078]图2.1.2——复合盘形滑动子HDZ5示意图；与前图相同的符号有=HDZ2(虚线框中WL1 ;新符号有:复合型形状非磁性材料饼FCB2
[0079]图2.1.3——复合盘形滑动子截面示意图；与前图相同的符号有=HDZ2 ^L1 ；GL2 ；NJX ；NCZo
[0080]图3—无驱动铁芯式驱动子侧视图。无驱动铁芯式驱动子有两种用途，其一是充当驱动子，其二是充当间隙筒修正子，与前图相同的符号有:NCZ ；QDG WDX1 ；QDX2 ；NJX ；QDX3 ；YCX MDZ1 ;新符号有:QDTS——非磁性材料护套侧视图(它虽然已经不是驱动铁芯了，但是其位置和结构相同，所以还是沿用QDT的编号)；QDT9——非磁性材料护套局部剖视图；
[0081]图3.1——无驱动铁芯式驱动子轴向视图。与前图相同的符号有:NCZ ；WJX ；WCT3 ；QDC ；JYF ；QDG ；QDX3 ；QDX4 ；NJX ;新符号有:QDT1q——非磁性材料护套轴向剖面图；
[0082]图4——分级式电容或蓄电池式电源示意图。C。?Cn——分级电容或蓄电池A1?Kn——分级开关；电DL+——电源电缆正极；DL--电源电缆负极。
[0083]图5——电磁纯铁碟片弹簧式驱动线圈轴向视图。该线圈用电磁纯铁做成薄片弹簧状，R1—弹簧外半径，即驱动子外半径；R2—弹簧内半径，即驱动子内半径。
[0084]图5.1—电磁纯铁碟片弹簧式驱动线圈侧向视图。T2—薄片弹簧的薄片厚度。
【主权项】
1.一种基于同轴线圈、铁芯的驱动子式直线电机，其特征是:一个长外磁筒WCT里面套一个配套长度的内磁轴NCZ，用励磁线圈LCX或永磁铁YCT产生磁场，外磁筒与内磁轴一端用铁磁材料的连接铁芯LJT连接成称为主磁体的一整块磁铁，使得外磁筒与内磁轴各为一磁极；另一端用非磁性材料做成的定位体DWT固定，确保外磁筒内壁轴线和内磁轴轴线同轴，同时，连接铁芯和定位体使得外磁筒内壁与内磁轴外壁之间形成一个间隙筒，间隙筒中装配驱动子QDZ，驱动子外壁与外磁筒内壁呈微间隙，驱动子内壁与内磁轴外壁呈微间隙，驱动子可以在间隙筒中穿梭。 驱动线圈QDX、驱动铁芯QDT与滑动子HDZ固定为一体，成为驱动子，它们的轴线与内磁轴轴线同轴，驱动线圈是一个绕在非磁性材料薄壁筒上的线圈，将所述薄壁筒和线圈粘接固定，视为一个整体，成为驱动线圈，驱动线圈呈微间隙地套在内磁轴外面，驱动线圈的外层零间隙套一个称为驱动铁芯铁的铁磁性材料套筒，驱动铁芯作用有两个，一个是使驱动子处磁阻小于间隙筒其它处磁阻，使得驱动子处磁通密度大于间隙筒其它处磁通密度，以改善磁路；另一个是通过驱动铁芯将驱动线圈、滑动子和驱动钩固定为一个驱动子整体。为了避免驱动铁芯在环形方向形成涡流，驱动铁芯可以是由两个半边套筒绝缘地拼而成，也可以是一个整体套筒，在由经线和轴线所确定的平面上，将套筒筒壁沿轴向开一条绝缘缝；驱动铁芯壁厚可以根据设计调整，如果注重减小磁阻，就需要加厚套筒壁厚，如果注重减轻驱动子，就需要减薄套筒壁厚；驱动铁芯外壁与外磁筒内壁之间为微间隙，两者被滑动子维持微间隙而无摩擦，只有滑动子产生的微摩擦阻力，同样，驱动线圈内壁与内磁轴外壁之间也是微间隙，两者被滑动子维持微间隙而无摩擦，只有滑动子产生的微摩擦阻力，所以，驱动子在轴向运动时受到的摩擦阻力很小；由于驱动铁芯减小了磁阻，所以驱动子处磁场较强，朝驱动子轴线方向看，磁力线呈放射状，即，垂直于内磁轴表面，垂直指向外磁筒内壁，当然是呈放射状垂直指向驱动线圈的导线，当驱动线圈接通直流电后，会受到轴向电磁力，在电磁力的驱动下，驱动子沿着间隙筒轴向作直线加速运动，驱动子上延伸体穿过外磁筒的包围向外提供驱动力，拖动被加速体加速。2.根据权利要求1所述的基于同轴线圈、铁芯的驱动子式直线电机，其进一步的特征是:其主磁体结构，一个长外磁筒WCT里面套一个配套长度的内磁轴NCZ，外磁筒与内磁轴一端用铁磁材料的连接铁芯LJT连接成称为主磁体的一整块磁铁，用励磁线圈LCX或永磁铁Y C T产生磁场,使得外磁筒与内磁轴各为一磁极,永磁铁较好的方法是用铷铁硼制造外磁筒和内磁轴；另一端用非磁性材料做成的定位体DWT固定，确保外磁筒内壁轴线和内磁轴轴线同轴，在外磁筒内壁与内磁轴外壁之间形成一个间隙筒，间隙筒中装配驱动子QDZ，驱动子外壁与外磁筒内壁呈微间隙，驱动子内壁与内磁轴外壁呈微间隙，驱动子可以在间隙筒中穿梭。外磁筒和内磁轴是直的或者缓慢弯曲的。3.根据权利要求2所述的主磁体结构，其进一步的特征是:其内磁轴的基本结构，内磁轴有励磁线圈励磁和永磁铁励磁两类， 励磁线圈励磁:图1中内磁轴是采用高饱和磁通密度的铁磁性材料,励磁线圈LCX套在内磁轴上,通电后产生磁场。 永磁铁YCT励磁:如果图1去掉励磁线圈，就成了嵌套式励磁结构示意图，改用永磁铁产生磁场，嵌套式外磁筒和内磁轴的截面为图1.1，内磁轴由内磁轴骨架筒NGZ2和内磁轴永磁铁筒YCT1构成，内磁轴骨架筒是一根很长的高抗弯强度管或棒，许多永磁铁环顺磁场拼接套在内磁轴骨架筒NCZ2外部构成内磁轴永磁铁筒YCI\。 磁力的偏心和重力的作用会使得内磁轴径向受力不对称，难免引起内磁轴弯曲，避免内磁轴弯曲可以采取6条措施，第I是采用高抗弯强度材料；第2是为了克服重力造成的弯曲，先要将内磁轴做成朝相反的方向预弯曲，与重力造成的弯曲相抵消；第3是为了克.月艮磁力不对称造成的弯曲，需要配备修正磁铁，在外磁筒外面加装修正磁铁使磁力对称，用以修正磁力造成的弯曲；第4是在驱动子的两端装配滑动子，用于维持驱动子处内磁轴与外磁筒之间的相对位置;第5是采用间隙筒修正子，用于维持修正子处内磁轴与外磁筒之间的相对位置；第6是内磁轴采用空心结构有利于在同等重量的前提下增强抗弯性。4.根据权利要求2所述的主磁体结构，其进一步的特征是:其外磁筒的基本结构，外磁筒有励磁线圈励磁和永磁铁励磁两类，励磁线圈励磁与内磁轴的相同， 永磁铁YCT励磁:永磁铁励磁有两种结构，一种结构是嵌套式磁铁，如果图1去掉励磁线圈，就成了嵌套式励磁结构示意图，改用永磁铁产生磁场，图1.1中包含了一个嵌套式外磁筒的截面，外磁筒由外磁筒骨架筒WCT3和外磁筒永磁铁筒构成，许多环形永磁铁YCT2顺磁场拼接嵌在外磁筒骨架筒WCT3内部，构成外磁筒；另一种结构是拼接式磁铁(图2)，许多小段拼接式环形永磁铁(包括圆盘形和复合型形状)YCT3通过包括螺丝连接在内的机械连接，成为一个很长的外磁筒， 内磁轴骨架筒和外磁筒骨架筒都是由高强度材料制成，该高强度材料可以是磁性材料或非磁性材料，由于磁性材料会形成漏磁回路，所以用高强度非磁性材料比较好。 驱动子向外提供驱动力有两种方式，一种是驱动钩QDG，一种是牵引绳，两者都需要穿过外磁筒的包围拖动被加速体加速，针对驱动钩类延伸体，需要外磁筒沿轴向开一条驱动槽QDC，驱动子上的驱动钩，从驱动槽伸出到外磁筒外面，勾住被加速体作直线加速运动，驱动子的电缆也是与驱动钩一起通过驱动槽；针对牵引绳类延伸体，在驱动方向反方向的定位体或连接铁芯(图1中是定位体DWT，图2中是连接铁芯LJT)上穿通孔TK，固定于驱动子上的牵引绳穿过通孔TK牵引被加速体，外磁筒的截面可以是圆形的和复合型形状的。5.根据权利要求1所述的基于同轴线圈、铁芯的驱动子式直线电机，其进一步的特征是:其驱动子的基本结构，驱动子是由驱动线圈QDX、驱动铁芯QDT和滑动子HDZ固定为一体构成，驱动子QDZ包括圆柱形驱动子QDZ1和复合型形状驱动子QDZ2，驱动线圈是一个绕在非磁性材料薄壁筒上的线圈，将所述薄壁筒和整个线圈粘接固定，视为一个整体，合称为驱动线圈，驱动线圈呈微间隙地套在内磁轴外面；驱动铁芯是在驱动线圈的外层零间隙地套一个铁磁性材料套筒；滑动子包括滑动式滑套和滚轮式滑套。驱动子的截面可以是圆形的和复合型形状的。6.根据权利要求5所述的驱动子的基本结构，其进一步的特征是:其驱动铁芯的基本结构，驱动铁芯是在驱动线圈的外层零间隙地套一个铁磁性材料套筒，其作用有两个，一个是使驱动子处磁阻小于间隙筒其它处磁阻，以改善磁路；另一个是固定驱动线圈、滑动子和驱动钩，使驱动子成为一个整体。为了避免在驱动铁芯圆周方向形成涡流，该套筒可以是由两个半边套筒绝缘地拼而成(用拼接螺丝P几拼接)，也可以是一个整体套筒，在由经线和轴线所确定的平面上，将套筒筒壁沿轴向开一条绝缘缝；驱动铁芯壁厚可以根据设计调整，如果注重减小磁阻，就需要加厚套筒壁厚，如果注重减轻驱动子，就需要加工减重孔JZK或者减薄套筒壁厚，如果其壁厚等于零，就是相当于驱动子没有驱动铁芯，只有驱动线圈。铁芯外壁与外磁筒内壁之间的间隙称驱动子外环间隙，简称外环间隙；驱动线圈内壁与内磁轴外壁之间的间隙称驱动子内环间隙，简称内环间隙。 在满足磁通量传输的前提下，为了减轻驱动铁芯重量，挖减重孔JZK，驱动铁芯成藕状。7.根据权利要求5所述的驱动子的基本结构，其进一步的特征是:其滑动子的基本结构，滑动子包括滑动式滑套和滚轮式滑套，滑动子是驱动子沿轴向运动的载体，滑动式滑套就是普通的非磁性材料滑套(比如黄铜套)；滚动式滑套是在非磁性材料饼FCB (包括圆形饼FCB1和复合型饼FCB2)上安装外环间隙滚轮GL1和内环间隙滚轮GL2,驱动子两端各固定一个滑动子，滚轮沿轴向滚动，使驱动子看起来像在间隙筒中轴向滑动，驱动铁芯外壁与外磁筒内壁之间被外环间隙滚轮GL1维持微间隙而无摩擦，只有滚轮产生的微摩擦阻力，同样，驱动线圈内壁与内磁轴之间被内环间隙滚轮GL2维持微间隙而无摩擦，只有滚轮产生的微摩擦阻力，所以，驱动子受到的摩擦阻力很小。8.根据权利要求5所述的驱动子的基本结构，其进一步的特征是:其非磁性材料驱动子的基本结构，将驱动铁芯改用非磁性材料也是可行的结构，图3和图3.1中，驱动线圈几乎占据整个间隙筒，保护套QDT8 (QDT9是QDT8的剖面，QDT10是QDT8的截面)为非磁性材料薄壁筒包在驱动线圈QDX外面，一个作用是保护线圈，另一个是固定驱动线圈、滑动子和驱动钩，使驱动子成为一个整体，非磁性材料驱动子的作用，一个是可以充当驱动子，另一个是可以充当间隙筒修正子。 磁力的偏心和重力的作用会使得内磁轴径向受力不对称，难免引起内磁轴弯曲，修正内磁轴弯曲的措施之一是采用间隙筒修正子(简称修正子)，修正子就是在非磁性材料驱动子的基础上增加了跟踪定位装置，在驱动子前方安装Ii1个修正子，在自动控制装置的控制下，动态地停留在在均分驱动子前方内磁轴长度的位置，将间隙筒修正成标准形状；同样，在驱动子后方安装n2个修正子，在自动控制装置的控制下，动态地停留在在均分驱动子后方内磁轴长度的位置，将间隙筒修正成标准形状。9.根据权利要求1所述的基于同轴线圈、铁芯的驱动子式直线电机，其进一步的特征是:其驱动力调节装置的基本结构， 驱动线圈接通驱动电动势后产生驱动电流，驱动线圈会在磁场中受力，驱动子在电磁力的驱动下产生加速度，速度越快则驱动线圈产生的反向电动势越大，反向电动势抵消部分驱动电动势，会使得驱动线圈中的驱动电流越来越小，所以，如果要将驱动子的电磁力维持在正常工作范围，就需要不断加大驱动电动势，将驱动电流维持在正常工作范围。 图4为分级式电容或蓄电池式电源，电容或蓄电池C1?Cn分别对应地与开关K1?Kn并联，启动前，开关全部闭合，电源电缆正极DL+和电缆负极DL-通过开关接到驱动线圈引出线缆YCX，当开关刚接通时，只有C。对驱动线圈提供电压，驱动子加速后产生反电势逐渐加大，当驱动线圈电流低于下限值I1J寸，令开关K1断开，使C1的电压添加到驱动电动势中来；因为随着驱动子速度的逐渐增加，反电势也逐渐增加，所以需要逐渐加大驱动电动势，令开关K1?Kn逐个断开，使C1?Cn的电压逐个添加到驱动电动势中来，成为分级式电源，保持驱动电流不低于下限值Ilciw，从而保持电磁力不低于下限值Flm。10.根据权利要求1所述的基于同轴线圈、铁芯的驱动子式直线电机，其进一步的特征是:其发电制动和蓄能装置的基本结构， 当驱动过程已经完成时，需要对驱动子进行制动操作，最好的方法是采用发电制动，可以节省能量，直流电源包括蓄电池、电容、直流发电机三种，发电制动方法一是将电容或蓄电池C。?Cn全部变成并联，驱动子的反电势就会向电容或蓄电池充电；方法二是另外准备一组并联电容或蓄电池，将反电势接到这组电容或蓄电池上充电；方法三是对直流发电机倒灌电流，直流发电机变成了直流电动机，拖动一个大的飞轮加速旋转，储存机械能。最后，驱动子由缓冲器HCQ减速至零。
【文档编号】H02K41/02GK105896875SQ201410616786
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年10月30日
【发明人】陈启星
【申请人】陈启星