一种定子模块化双定子交替极圆筒型永磁直线电机

1.本发明涉及直线伺服电机技术领域，特别是指一种定子模块化双定子交替极圆筒型永磁直线电机。


背景技术：

2.圆筒型永磁直线电机因其结构简单、推力密度高、且不存在横向端部效应及单边磁拉力的特点等，广泛应用于振动与电能转换器系统、电磁主动悬架系统、压缩机系统、心脏泵系统等直驱系统。从20世纪50年代开始，世界上许多大学、公司及科研机、发电机、飞机推进器等领域的圆筒直线电机的研究。目前圆筒永磁直线电机本体的研究已经较多，但是目前圆筒直线电机的应用仍受限制，其仍存在电机推力波动较大、效率不高等问题，此外，定子涡流损耗抑制问题的研究方面仍然没有成熟的解决方案。


技术实现要素：

3.针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种定子模块化双定子交替极圆筒型永磁直线电机，解决了现有技术中推力密度低、定子涡流损耗高、推力波动大的问题。
4.本发明的技术方案是这样实现的：一种定子模块化双定子交替极圆筒型永磁直线电机，包括电机芯轴，电机芯轴与电机壳固定连接，电机芯轴外侧设有内定子，电机壳内侧设有外定子，外定子和内定子之间滑动设有动子，外定子、内定子、电机芯轴、动子同轴设置，所述动子包括动子铁芯，动子铁芯内部和外部沿轴向均交替固定设有环形永磁体和环形磁极，动子铁芯内部和外部的环形永磁体部分对应设置，动子铁芯内部和外部的环形磁极部分对应设置；所述内定子和外定子分别包括沿动子轴向模块化设置的内定子单元和外定子单元，相邻内定子单元之间或相邻外定子单元之间均设有饼式绕组，内定子单元和外定子单元均部分对应设置；所述内定子单元和外定子单元均包括沿动子径向固定设置的极靴模组、齿部模组、背铁模组；内定子单元的背铁模组与电机轴固定连接，内定子单元的极靴模组与动子之间留有气隙；外定子单元的背铁模组与电机壳固定连接，外定子单元的极靴模组与动子之间留有气隙。
5.优选的，所述极靴模组包括周向设置的至少两组极靴叠片，背铁模组包括周向设置的至少两组背铁，齿部模组包括周向设置的至少两组定子齿。
6.优选的，定子齿数量与背铁数量一致，每个定子齿所连接的极靴叠片数量为定子齿数量的整数倍。
7.优选的，极靴模组与动子之间的气隙宽度为1mm。
8.优选的，所述背铁为硅钢背铁，所述环形磁极为硅钢环形磁极，所述永磁体为稀土永磁体。
9.优选的，所述定子齿为软磁复合材料齿，周向相邻极靴、相邻定子齿之间均填充有软磁复合材料结构，软磁复合材料结构与软磁复合材料齿一体成型。
10.优选的，轴向相邻定子齿之间的饼式绕组共设置两层，饼式绕组紧密设置在轴向
相邻定子齿之间。
11.优选的，所述动子铁芯通过轴承滑动设置在电机壳上。
12.本发明的有益效果：1：电机芯轴固定与电机壳相连接起到对内定子的支撑的作用；动子滑动设置于外定子与内定子之间，动子分别与外定子和内定子留有气隙。内外双定子结构增加了电机的空间利用率，提高了电机的推力密度。优选气隙宽度为1mm，在1mm时能够使电机结构在达到最佳空间利用率的同时保证推力密度要求。
13.2：本发明中内定子和外定子由模块化内定子单元和外定子单元轴向叠加而成，内定子单元和外定子单元均由径向固定设置的“极靴模组、齿部模组、背铁模组”单元组成，采用的模块化结构极大的降低了电机定子的涡流损耗，提高了电机的效率。
14.3：在“极靴模组、齿部模组、背铁模组”单元结构中，极靴模组由沿周向叠加的极靴叠片组成，齿部模组由沿周向叠加的定子齿组成，齿部材料为软磁复合材料，背铁模组由沿周向叠加的背铁组成，背铁为整块硅钢。极靴叠片间隙填充软磁复合材料，与齿部一体成型。对极靴模组、齿部模组、背铁模组进行周向模块化处理能够进一步降低电机定子的涡流损耗，进一步提高了电机的效率。
15.4：本发明中内定子单元和外定子单元错开设置，动子铁芯两侧的环形永磁体和环形磁极错开设置，根据电机气隙磁场时空谐波耦合机理，能够使动子运动时收到的定位力更均匀，更能有效的降低电机的推力波动，提高了电机的电磁性能。
16.5：动子两侧均固定交替设置至少两组环形永磁体和环形磁极，采用交替极的结构，大大降低了永磁体的用量，降低了成本。
17.6：电机的绕组采用饼式绕组，改善了电机气隙磁密程度且避免了端部绕组的浪费，增加了绕组的利用率，也进一步增加了电机的空间利用率。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明立体结构剖面结构示意图；图2为本发明图1中a区域放大示意图；图3为本发明定子、动子立体结构示意图；图4为本发明动子结构剖面示意图；图5为本发明内定子单元结构示意图；图6为本发明外定子单元结构示意图；图中：1：电机芯轴、2：电机壳、3：端盖、4：轴承、5：内定子单元、6：外定子单元、7：饼式绕组、8：动子、9：动子铁芯、10：环形永磁体、11：环形磁极、12：外极靴叠片、13：外定子齿、14：外背铁、15：内极靴叠片、16：内定子齿、17：内背铁。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.如图1、2、3、4所示，实施例1，一种定子模块化双定子交替极圆筒型永磁直线电机，包括电机芯轴1，电机芯轴1一端与电机壳2固定连接，电机芯轴1另一端设有端盖3，电机芯轴1外侧设有内定子，电机芯轴1上设有两组轴承4，电机壳2内侧设有外定子，外定子和内定子之间滑动设有动子8，外定子、内定子、电机芯轴1、动子8同轴设置。动子8包括动子铁芯9，动子铁芯9通过轴承4滑动设置在电机壳2上。动子铁芯9内部和外部沿轴向均交替固定设有环形永磁体10和环形磁极11，采用交替极的结构，大大降低了永磁体的用量，降低了成本。动子铁芯9内部和外部的环形永磁体10部分对应设置，如图2所示，动子铁芯内部的环形永磁体10与外部的环形永磁体10错开一些距离，但并未完全错开；动子铁芯9内部和外部的环形磁极11部分对应设置，动子铁芯内部的环形磁极11与外部的环形磁极11错开一些距离，但并未完全错开。内定子和外定子分别包括沿动子轴向模块化设置的内定子单元5和外定子单元6，相邻内定子单元5之间或相邻外定子单元6之间均设有饼式绕组7，内定子单元5和外定子单元6均部分对应设置，内定子单元5和外定子单元6错开的距离与动子铁芯内部的环形永磁体10与外部的环形永磁体10错开的距离相匹配，根据电机气隙磁场时空谐波耦合机理，能够使动子8运动方向的推力更均匀，更能有效的降低电机的推力波动，提高了电机的电磁性能。
22.内定子单元5和外定子单元6均包括沿动子8径向固定设置的极靴模组、齿部模组、背铁模组；采用的模块化结构极大的降低了电机定子的涡流损耗，提高了电机的效率。内定子单元5的背铁模组与电机轴固定连接，内定子单元5的极靴模组与动子之间留有气隙；外定子单元6的背铁模组与电机壳2固定连接，外定子单元6的极靴模组与动子之间留有气隙，设置气隙能够降低动子运动所受到的空气阻力，提高电机效率。
23.如图5、6所示，实施例2，在实施例1的基础上，极靴模组包括周向设置的至少两组极靴叠片，背铁模组包括周向设置的至少两组背铁，齿部模组包括周向设置的至少两组定子齿。定子齿数量与背铁数量一致，每个定子齿所连接的极靴叠片数量为定子齿数量的整数倍。本实施例中优选外定子单元6、内定子单元5均采用六组定子齿、六组背铁组成，定子齿与背铁尺寸相匹配，本实施例优选每组定子齿对应六组极靴叠片，能够达到更稳定的结构，方案的显示更直观，并且能够实现对整个外定子单元6和内定子单元5沿周向进行模块化处理。对极靴模组、齿部模组、背铁模组进行周向模块化处理能够进一步降低电机定子的涡流损耗，进一步提高了电机的效率，同时也解决了传统单独沿圆周对极靴进行叠片处理难以实现的难题。
24.实施例3，在实施例2的基础上，极靴模组与动子之间的气隙宽度为1mm。外定子单元6包括外极靴叠片12、外定子齿13、外背铁14，内定子单元5包括内极靴叠片15、内定子齿16、内背铁17。具体为外极靴叠片12内环面距离动子8外侧环形永磁体10或环形磁极11的外环面距离为1mm，内极靴叠片15外环面距离动子内侧环形永磁体10或环形磁极11的外环面距离为1mm，经仿真分析，在1mm时能够使电机结构在达到最佳空间利用率的同时保证较高推力密度的要求。
25.实施例4，在实施例3的基础上，背铁为硅钢背铁，环形磁极11为硅钢环形磁极11，
所述永磁体为稀土永磁体。定子齿为软磁复合材料齿，周向相邻极靴叠片、相邻定子齿之间均填充有软磁复合材料结构，软磁复合材料结构与软磁复合材料齿一体成型，一体成型能够保证极靴叠片、定子齿、背铁的位置精度，降低因安装误差影响电机效率。
26.实施例5，在实施例4的基础上，轴向相邻定子齿之间的饼式绕组7共设置两层，饼式绕组7紧密设置在轴向相邻定子齿之间，形成分布式设置的饼式绕组7。饼式绕组7的特性为多组线圈设置较集中，改善了电机气隙磁密且避免了端部绕组的浪费，增加了绕组的利用率。
27.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种定子模块化双定子交替极圆筒型永磁直线电机，包括电机芯轴（1），电机芯轴（1）与电机壳（2）固定连接，电机芯轴（1）外侧设有内定子，电机壳（2）内侧设有外定子，外定子和内定子之间滑动设有动子（8），外定子、内定子、电机芯轴（1）、动子（8）同轴设置，其特征在于：所述动子（8）包括动子铁芯（9），动子铁芯（9）内部和外部沿轴向均交替固定设有环形永磁体（10）和环形磁极（11），动子铁芯（9）内部和外部的环形永磁体（10）部分对应设置，动子铁芯（9）内部和外部的环形磁极（11）部分对应设置；所述内定子和外定子分别包括沿动子（8）轴向模块化设置的内定子单元（5）和外定子单元（6），相邻内定子单元（5）之间或相邻外定子单元（6）之间均设有饼式绕组（7），内定子单元（5）和外定子单元（6）部分对应设置；所述内定子单元（5）和外定子单元（6）均包括沿动子（8）径向固定设置的极靴模组、齿部模组、背铁模组；内定子单元（5）的背铁模组与电机轴固定连接，内定子单元（5）的极靴模组与动子（8）之间留有气隙；外定子单元（6）的背铁模组与电机壳（2）固定连接，外定子单元（6）的极靴模组与动子之间留有气隙。2.根据权利要求1所述的定子模块化双定子交替极圆筒型永磁直线电机，其特征在于：所述极靴模组包括周向设置的至少两组极靴叠片，背铁模组包括周向设置的至少两组背铁，齿部模组包括周向设置的至少两组定子齿。3.根据权利要求2所述的定子模块化双定子交替极圆筒型永磁直线电机，其特征在于：定子齿数量与背铁数量一致，每个定子齿所连接的极靴叠片数量为定子齿数量的整数倍。4.根据权利要求3所述的定子模块化双定子交替极圆筒型永磁直线电机，其特征在于：极靴模组与动子（8）之间的气隙宽度为1mm。5.根据权利要求4所述的定子模块化双定子交替极圆筒型永磁直线电机，其特征在于：所述背铁为硅钢背铁，所述环形磁极（11）为硅钢环形磁极，所述环形永磁体（10）为稀土永磁体。6.根据权利要求5所述的定子模块化双定子交替极圆筒型永磁直线电机，其特征在于：所述定子齿为软磁复合材料齿，周向相邻极靴叠片、相邻定子齿之间均填充有软磁复合材料结构，软磁复合材料结构与软磁复合材料齿一体成型。7.根据权利要求6所述的定子模块化双定子交替极圆筒型永磁直线电机，其特征在于：轴向相邻定子齿之间的饼式绕组（7）共设置两层，饼式绕组（7）紧密设置在轴向相邻定子齿之间。8.根据权利要求1~7任一项所述的定子模块化双定子交替极圆筒型永磁直线电机，其特征在于：所述动子铁芯（9）通过轴承（4）滑动设置在电机壳（2）上。

技术总结
本发明公开了一种定子模块化双定子交替极圆筒型永磁直线电机，涉及直线伺服电机技术领域。采用交替极的结构，降低了永磁体的用量，降低了成本；内定子单元和外定子单元错开设置，动子铁芯两侧的环形永磁体和环形磁极错开设置，能有效的降低电机的推力波动，提高电机的电磁性能；内定子和外定子由模块化内定子单元和外定子单元轴向叠加而成，内定子单元和外定子单元均由径向固定设置的“极靴模组、齿部模组、背铁模组”单元组成，同时进一步对极靴模组、齿部模组、背铁模组进行周向模块化处理，能够降低电机定子的涡流损耗，提高电机的效率；内外双定子结构增加了电机的空间利用率，提高了电机的推力密度。了电机的推力密度。了电机的推力密度。


技术研发人员：刘小梅 王明杰 贾宛英 邱洪波 杨存祥 陈文博 季玉琦 王豪苒
受保护的技术使用者：郑州轻工业大学
技术研发日：2022.03.10
技术公布日：2022/5/25