專利名稱：分體式鐵心結構直線啟動發電機及其驅動控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及電機技術領域，具體涉及一種短行程直線啟動發電機系統。
背景技術：
短行程直線電機的一種常見結構如圖11所示。電機的運動部分是永磁 體，通過動子支架與彈簧連接在一起。工作磁場由兩部分組成， 一部分是勵 磁線圈產生的交變磁場，另一部分是由永磁體產生的恒定磁場。該結構為環 狀，外鐵軛及內鐵軛都為固定部分，永磁體安裝在非導磁、非導電支架上， 永磁體外圓周面的極性相同，當繞組通入交變電流，繞組磁場會與永磁體磁 場相作用產生交變的推力，推動永磁體沿軸向做往復直線運動。
當電樞鐵心采用硅鋼片疊成時，由于疊片方向為周向，鐵心疊片工藝復
雜，加工成本高；如果采用實心鐵心，雖然工藝簡單、成本低，但鐵心會產 生更大的渦流損耗，大大降低電機的效率。永磁體支架的制作、加工上，難 度較大。而且當次級極距較小時，電機的材料利用率低，性能變差。不適合 做成大功率直線啟動發電機系統。 .
發明內容
本發明為了解決現有直線電機電樞鐵心采用硅鋼片疊成的結構加工工藝 復雜，成本高，如采用實心鐵心的結構會產生較大的渦流損耗；同時還存在 永磁體支架制作、加工難度大，次級極距要求大的問題，以及現有電機驅動 控制系統體積大、難以集成的缺點，而提出的分體式鐵心結構直線啟動發電 機及其驅動控制系統。
分體式鐵心結構直線啟動發電機，它包括初級、次級、氣隙和動子支撐 板簧；次級包括永磁體和軸筒；初級包括電樞和機殼；電樞包括電樞鐵心和 電樞繞組；電樞鐵心包摘個鐵心筒、i+l個圓環形鐵心環和i個鐵心間隔環， 其中，i為正整數；i+l個圓環形鐵心環與i個鐵心間隔環沿軸向依次間隔排 列在鐵心筒內，鐵心筒的內徑等于圓環形鐵心環的外徑和鐵心間隔環的外徑， 圓環形鐵心環的外表面和鐵心間隔環的外表面緊密貼合在鐵心筒的內表面； 電樞繞組由i個圓環形線圈串聯而成，每個圓環形線圈嵌放于圓環形鐵心環與鐵心間隔環構成的凹槽內，每相鄰兩個圓環形線圈的繞向相反；圓環形鐵 心環與鐵心間隔環軸向厚度之和丄。=、~1.25、；相鄰的兩個圓環形鐵心環中 心線之間的距離T,與永磁體極距^之間滿足關系^=rp。動子支撐板簧的彈 性系數&、動子總質量mt與動子往復運動頻率/6之間滿足關系
分體式鐵心結構直線啟動發電機驅動控制系統，分體式鐵心結構直線啟 動發電機、功率變換器和系統控制器組成；系統控制器的控制端連接功率變 換器的受控端，功率變換器的輸出端連接分體式鐵心結構直線啟動發電機的 啟動端。
本發明中電樞鐵心采用了分體式結構，分體式鐵心結構直線啟動發電機 具有電樞鐵心加工工藝簡單，渦流損耗低的優點，以及動子支撐板簧制作簡 單以及對次級極距要求低的優點。本發明的分體式鐵心結構直線啟動發電機 及其驅動控制系統的結構簡單、效率高、溫升低，可實現模塊化。本發明的 分體式鐵心結構直線啟動發電機及其驅動控制系統在直線壓縮機及斯特林發 電機系統中具有廣闊的應用前景。本發明可廣泛適用于各種需要大功率直線 啟動發電機的系統。
圖1是本發明的電機結構示意圖；圖2是永磁體在具體實施三中平面展 開示意圖；圖3是永磁體在具體實施四中平面展開示意圖；圖4是永磁體在 具體實施五中平面展開示意圖；圖具體實施方式
六中本發明的電機結構示 意圖；圖6是具體實施方式
六中次級結構示意圖；圖7是具體實施方式
六中 永磁體為瓦片形永磁體的次級軸向示意圖；圖8是具體實施方式
六中永磁體 為平板形永磁體的次級軸向示意圖；圖9是H橋變換器的拓撲結構示意圖； 圖IO是電容分壓半橋變換器的拓撲結構示意圖；圖11是現有短行程直線電 機結構示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結合圖1說明本實施方式，本實施方式包括初級、次 級、氣隙和動子支撐板簧；次級包括永磁體1和軸筒2;初級包括電樞3和 機殼4;電樞3包括電樞鐵心5和電樞繞組6;電樞鐵心5包括1個鐵心筒51、 i+l個圓環形鐵心環52和i個鐵心間隔環53，其中，i為正整數；i+l個 圓環形鐵心環52與i個鐵心間隔環53沿軸向依次間隔排列在鐵心筒51內， 鐵心筒51的內徑等于圓環形鐵心環52的外徑和鐵心間隔環53的外徑，圓環 形鐵心環52的外表面和鐵心間隔環53的外表面緊密貼合在鐵心筒51的內表 面；電樞繞組6由i個圓環形線圈61串聯而成，每個圓環形線圈61嵌放于 圓環形鐵心環52與鐵心間隔環53構成的凹槽內，每相鄰兩個圓環形線圈61 的繞向相反；圓環形鐵心環52與鐵心間隔環53軸向厚度之和丄。=、 1.25^; 相鄰的兩個圓環形鐵心環52中心線之間的距離r,與永磁體1極距1>之間滿 足關系A=TP。鐵心筒51采用軟磁復合(SMC-Soft Magnetic Composite)材 料，圓環形鐵心環52的材質采用軟磁復合材料或硅鋼片;機殼4采用鋁合金、 鈦合金等輕質材料。
具體實施方式
二結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方 式一不同點在于鐵心間隔環53的內徑等于圓環形線圈61的外徑。其它組成 和連接方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方 式一不同點在于永磁體1為圓環形徑向充磁永磁體11，圓環形徑向充磁永磁 體11沿軸向方向依次套于軸筒2上，每相鄰的兩個圓環形徑向充磁永磁體 11的充磁方向相反。其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。軸筒2采 用導磁材料。
具體實施方式
四結合圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方 式一不同點在于永磁體1為圓環形徑向充磁永磁體11和圓環形軸向充磁永磁 體12，圓環形徑向充磁永磁體11與圓環形軸向充磁永磁體12沿軸向方向依 次相間套于軸筒2上，每相鄰兩個圓環形徑向充磁永磁體11的充磁方向相反； 每相鄰兩個圓環形軸向充磁永磁體12的充磁方向相反，并且與上表面為N 極的圓環形徑向充磁永磁體11相鄰的兩個圓環形軸向充磁永磁體12的充磁 方向均指向所述圓環形徑向充磁永磁體11;與上表面為S極的圓環形徑向充 磁永磁體11相鄰的兩個圓環形軸向充磁永磁體12的充磁方向均為背向所述 圓環形徑向充磁永磁體11。其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五結合圖4說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一不同點在于次級還增加了圓環形導磁軛7，永磁體1為圓環形軸向充磁 永磁體12，圓環形軸向充磁永磁體12沿軸向方向依次套于軸筒2上，每相 鄰兩個圓環形軸向充磁永磁體12的充磁方向相反，每相鄰兩個圓環形軸向充 磁永磁體12之間軸筒2上還套有圓環形導磁軛7。其它組成和連接方式與具 體實施方式一相同。
具體實施方式
六結合圖5、圖6、圖7和圖8說明本實施方式，本實 施方式與具體實施方式
一不同點在于次級還增加了 j+l個圓環形導磁軛7和 j個隔磁環8，其中j為正整數；j+l個圓環形導磁軛7和j個隔磁環8沿軸向 方向依次相間套于軸筒2上，永磁體1為瓦片形永磁體或平板形永磁體，瓦 片形永磁體為徑向充磁，平板形永磁體為沿厚度方向水平充磁，所述的瓦片 形永磁體或平板形永磁體沿軸向嵌入圓環形導磁軛7的軸向槽9中，沿圓周 方向相鄰的兩個永磁體1的充磁方向相反，即同為徑向向內充磁或同為徑向 向外充磁；沿軸向方向相鄰的兩個永磁體1的充磁方向相反。軸筒2和隔磁 環8都采用非導磁材料。其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一不同點在于動子支撐 板簧的彈性系數&、動子總質量mt與動子往復運動頻率/e之間滿足關系 /e=V^/2;r。其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
八結合圖9和圖10說明本實施方式，本實施方式為分 體式鐵心結構直線啟動發電機驅動控制系統，它由分體式鐵心結構直線啟動 發電機、功率變換器和系統控制器組成；系統控制器的控制端連接功率變換 器的受控端，功率變換器的輸出端連接分體式鐵心結構直線啟動發電機的啟 動端。
具體實施方式
九結合圖9和圖10說明本實施方式，本實施方式與具 體實施方式八不同點在于功率變換器為H橋變換器或電容分壓半橋變換器。 其它組成和連接方式與具體實施方式
八相同。
本發明內容不僅限于上述各實施方式的內容，其中一個或幾個具體實施 方式的組合同樣也可以實現發明的目的。
權利要求
1、分體式鐵心結構直線啟動發電機，它包括初級、次級、氣隙和動子支撐板簧；次級包括永磁體(1)和軸筒(2)；初級包括電樞(3)和機殼(4)；電樞(3)包括電樞鐵心(5)和電樞繞組(6)；其特征在于電樞鐵心(5)包括1個鐵心筒(51)、i+1個圓環形鐵心環(52)和i個鐵心間隔環(53)，其中，i為正整數；i+1個圓環形鐵心環(52)與i個鐵心間隔環(53)沿軸向依次間隔排列在鐵心筒(51)內，鐵心筒(51)的內徑等于圓環形鐵心環(52)的外徑和鐵心間隔環(53)的外徑，圓環形鐵心環(52)的外表面和鐵心間隔環(53)的外表面緊密貼合在鐵心筒(51)的內表面；電樞繞組(6)由i個圓環形線圈(61)串聯而成，每個圓環形線圈(61)嵌放于圓環形鐵心環(52)與鐵心間隔環(53)構成的凹槽內，每相鄰兩個圓環形線圈(61)的繞向相反；圓環形鐵心環(52)與鐵心間隔環(53)軸向厚度之和La＝τp～1.25τp；相鄰的兩個圓環形鐵心環(52)中心線之間的距離τt與永磁體(1)極距τp之間滿足關系τt＝τp。
2、 根據權利要求1所述的分體式鐵心結構直線啟動發電機，其特征在于 鐵心間隔環(53)的內徑等于圓環形線圈(61)的外徑。
3、 根據權利要求1所述的分體式鐵心結構直線啟動發電機，其特征在于 永磁體(1)為圓環形徑向充磁永磁體(11)，圓環形徑向充磁永磁體(11) 沿軸向方向依次套于軸筒(2)上，每相鄰的兩個圓環形徑向充磁永磁體(11) 的充磁方向相反。
4、 根據權利要求1所述的分體式鐵心結構直線啟動發電機，其特征在于 永磁體(1)為圓環形徑向充磁永磁體(11)和圓環形軸向充磁永磁體(12)， 圓環形徑向充磁永磁體(11)與圓環形軸向充磁永磁體(12)沿軸向方向依次 相間套于軸筒(2)上，每相鄰兩個圓環形徑向充磁永磁體(11)的充磁方向 相反；每相鄰兩個圓環形軸向充磁永磁體(12)的充磁方向相反，并且與上表 面為N極的圓環形徑向充磁永磁體(11)相鄰的兩個圓環形軸向充磁永磁體(12)的充磁方向均指向所述圓環形徑向充磁永磁體(11);與上表面為S 極的圓環形徑向充磁永磁體(11)相鄰的兩個圓環形軸向充磁永磁體(12)的 充磁方向均為背向所述圓環形徑向充磁永磁體(11)。
5、 根據權利要求1所述的分體式鐵心結構直線啟動發電機，其特征在于次級還包括圓環形導磁軛(7)，永磁體(1)為圓環形軸向充磁永磁體(12)， 圓環形軸向充磁永磁體(12)沿軸向方向依次套于軸筒(2)上，每相鄰兩個 圓環形軸向充磁永磁體(12)的充磁方向相反，每相鄰兩個圓環形軸向充磁永 磁體(12)之間軸筒(2)上還套有圓環形導磁軛(7)。
6、 根據權利要求1所述的分體式鐵心結構直線啟動發電機，其特征在于 次級還包括j+l個圓環形導磁軛(7)和j個隔磁環(8)，其中j為正整數； j+l個圓環形導磁軛(7)和j個隔磁環(8)沿軸向方向依次相間套于軸筒(2) 上，永磁體(1)為瓦片形永磁體或平板形永磁體，瓦片形永磁體為徑向充磁， 平板形永磁體為沿厚度方向水平充磁，所述的瓦片形永磁體或平板形永磁體沿 軸向嵌入圓環形導磁軛(7)的軸向槽(9)中，沿圓周方向相鄰的兩個永磁體(1)的充磁方向相反，即同為徑向向內充磁或同為徑向向外充磁；沿軸向方 向相鄰的兩個永磁體(1)的充磁方向相反。
7、 根據權利要求1所述的分體式鐵心結構直線啟動發電機，其特征在于 動子支撐板簧的彈性系數&、動子總質量mt與動子往復運動頻率乂之間滿足
8、 分體式鐵心結構直線啟動發電機驅動控制系統，其特征在于它由分體 式鐵心結構直線啟動發電機、功率變換器和系統控制器組成；系統控制器的控 制端連接功率變換器的受控端，功率變換器的輸出端連接分體式鐵心結構直線 啟動發電機的啟動端。
9、 根據權利要求8所述的分體式鐵心結構直線啟動發電機驅動控制系統， 其特征在于功率變換器為H橋變換器或電容分壓半橋變換器。
全文摘要
分體式鐵心結構直線啟動發電機及其驅動控制系統。它涉及電機領域，它解決了現有直線電機電樞鐵心采用硅鋼片疊成的結構加工工藝復雜，成本高，如采用實心鐵心的結構會產生較大的渦流損耗問題，以及現有驅動控制系統體積大、難以集成的缺點，電機的電樞鐵心是由i+1個圓環形鐵心環與i個鐵心間隔環沿軸向依次間隔排列在鐵心筒內壁上，電樞繞組由i個圓環形線圈串聯而成，每個圓環形線圈嵌放于圓環形鐵心環與鐵心間隔環構成的凹槽內，每相鄰兩個圓環形線圈的繞向相反；圓環形鐵心環與鐵心間隔環軸向厚度之和L<sub>a</sub>＝τ<sub>p</sub>～1.25τ<sub>p</sub>；控制系統的系統控制器控制端連功率變換器受控端，功率變換器輸出端連本發明的電機啟動端。它在直線壓縮機及斯特林發電機系統中具有應用前景。
文檔編號H02K21/14GK101621236SQ200910072379
公開日2010年1月6日 申請日期2009年6月26日 優先權日2009年6月26日
發明者周維正, 寇寶泉, 鵬 李 申請人:哈爾濱工業大學