本發(fā)明屬于直線振蕩電機領域，更具體地，涉及一種在同一電機內采用內、外兩套定子，且永磁體和電樞繞組分開放置于內、外定子上，運動和受力部件為動子鐵芯的直線振蕩電機。

背景技術：

一直以來，直線往復運動主要靠傳統(tǒng)的旋轉電機+曲柄等傳動機構來實現，該種方式因效率和功率因數低下，結構復雜，體積龐大而飽受詬病。采用永磁直線振蕩電機實現直線往復運動，不僅可以省去曲柄等中間傳動機構，而且在效率和功率因數方面也有顯著提升，因而得到了廣泛的關注。

永磁直線振蕩電機，按運動受力部件的構成不同，可分為動圈式、動磁式、動磁鐵式、動鐵芯式，各種不同構成的永磁直線振蕩電機的介紹如下：

動圈式直線振蕩電機，其運動部件為線圈。其主要缺點在于，線圈的固定難度較大，長行程時驅動力相對較小，由于振動部分為線圈，頻率太高會使線圈接線處折斷，因此，動圈式直線振蕩電機的振蕩頻率不能太高。

動磁式直線振蕩電機，其運動受力部件為永磁體。永磁體一般位于內外兩個定子之間，永磁體上下均為氣隙，為固定永磁體，需要強度高且質量輕的永磁體支架，從而使得其運動部件結構相對復雜，氣隙較大，繞組電感值小，氣息磁場弱，功率密度低。另外，該種形式的直線振蕩電機，其內外鐵芯的硅鋼片一般為周向疊壓，漏磁大，工藝難度高，可靠性和安全性不足。

動磁鐵式直線振蕩電機，其運動受力部件為永磁體和鐵芯。永磁體表貼或內嵌于動子鐵芯，隨動子鐵芯做往復振蕩。其缺點是動子質量較高，礙于永磁體為運動部件，考慮到工藝和安全性，氣隙無法設計得較小，氣隙磁場強度相對較弱。

無論是動磁式還是動磁鐵式直線振蕩電機，永磁體均參與往復運動。它們共同的缺陷在于，永磁體作為易損件在氣隙中參與直線振蕩，增加了加工工藝難度，降低了電機的魯棒性和安全性，特別在高頻振蕩和惡劣工況下，其可靠性較低。而且電機中稀土永磁體的用量相對較大，仍然有進一步降低稀土材料用量的空間。

而就傳統(tǒng)結構的動鐵芯式直線振蕩電機而言，其動子僅由硅鋼片疊壓而成，強度與可靠性均較高。但隨之而來的問題就是，永磁體與電樞繞組均處于同一個發(fā)熱單元上，電樞產生的熱量極易傳導到永磁體上，嚴重時甚至會導致其不可逆失磁，嚴重制約的電機的過載能力，削弱其可靠性。另外，鐵芯式動子質量偏大，對寫真彈簧剛度要求較高，也是制約該類直線振蕩電機應用的一大因素。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供一種內定子永磁型動鐵芯式直線振蕩電機，其目的在于，將永磁體和電機熱源(繞組)分別放置在不同定子上，有效減少了傳導到永磁體上的熱量，降低高溫退磁的風險；通過重新設計動子結構，有效降低了動子質量，使電機在提高可靠性、安全性的同時，降低了對彈簧剛度的要求，更容易提高電機的諧振頻率，其在結構上避免永磁體參與往復振動，極大地提高了電機的安全性、可靠性和魯棒性。

為實現上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種內定子永磁型動鐵芯式直線振蕩電機，包括內定子鐵芯、外定子鐵芯、動子鐵芯、籠型動子鐵芯支架、傳動軸、支撐軸、永磁體、電樞繞組、機殼、軸承、端蓋以及諧振彈簧：

其中，所述端蓋設置在所述機殼的兩端；所述內定子鐵芯和外定子鐵芯均包括分離式雙定子鐵芯，分別包括兩個環(huán)狀內定子鐵芯和兩個環(huán)狀外定子鐵芯，各自的兩個環(huán)狀定子鐵芯之間持有間距并且軸向重合地安裝于機殼內部，每個環(huán)狀定子鐵芯上均設置有N_t個齒；所述內定子鐵芯中的每個環(huán)狀內定子鐵芯的軛部沿圓周等間距地嵌裝有N_t塊永磁體；組成所述電樞繞組的多個線圈纏繞于外定子鐵芯的齒上；所述動子鐵芯用籠型動子鐵芯支架緊固為一體；所述動子鐵芯和所述籠型動子鐵芯支架共同組成動子，所述動子居中安裝于內、外定子鐵芯之間的氣隙中；所述籠型動子鐵芯支架兩端設置有端環(huán)，端環(huán)與端蓋之間套設有諧振彈簧；所述籠型動子鐵芯支架端部設置有伸出機殼的傳動軸；所述內定子鐵芯軸向對稱地居中固定于支撐軸上，支撐軸由兩側的端蓋支撐固定；所述軸承設置在端蓋上，用于支撐所述傳動軸。

進一步地，所述內、外定子鐵芯、動子鐵芯，均由多層無取向硅鋼疊片沿軸向疊壓而成。

進一步地，所述電樞繞組由N_t個線圈或者2N_t個線圈組成。

進一步地，所述多塊永磁體兩兩間隔360/N_t度地嵌入每個環(huán)狀內定子鐵芯的軛部的凹槽內，充磁方向沿圓周切向，且同一環(huán)狀內定子鐵芯上任意相鄰兩塊永磁體充磁方向相反。

進一步地，內定子鐵芯的每個環(huán)狀內定子鐵芯中固定永磁體的凹槽切斷環(huán)狀內定子鐵芯的軛部；或者不切斷環(huán)狀內定子鐵芯的軛部，而是在底部保留有一段很窄的隔磁橋。

進一步地，所述動子鐵芯由N_t段弧形鐵芯組成，每段弧形鐵芯上均留有多個定位通孔，方便將多段弧形鐵芯緊固于籠型動子鐵芯支架上。

進一步地，所述籠型動子鐵芯支架，包括籠條與端環(huán)，均以非導磁材料加工，通過動子鐵芯上的定位通孔將多段弧形鐵芯緊固為一體。

進一步地，所述籠條的兩端及中段加工有螺紋，利用螺母與螺紋配合的方式分別將端環(huán)和組成動子鐵芯的多段弧形鐵芯固定于兩端及中間。

進一步地，所述籠型動子鐵芯支架兩端的傳動軸與端環(huán)加工為一體，所述傳動軸以軸承支撐。

進一步地，所述機殼由非導磁材料鑄造，用以固定外定子鐵芯和端蓋。

進一步地，所述端蓋、支撐軸均由非導磁材料加工，并與內、外定子鐵芯同軸裝配，用以固定內、外定子鐵芯。

進一步地，所述軸承可為滾珠軸承或線性滑動軸承，安裝于端蓋上。

進一步地，所述諧振彈簧可采用圓柱形壓縮彈簧。

總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明采用內、外雙定子結構，且永磁體和繞組分開放置于內、外定子上，使得永磁體遠離熱源(電樞繞組)，從而可以有效避免其高溫退磁，提高了電機的可靠性和過載能力以及使用壽命；

(2)動子鐵芯結構經過改進設計，在不降低可靠性和工藝難度的前提下，質量得到極大的降低，使電機對彈簧剛度的要求降低，有利于提高系統(tǒng)的諧振頻率，實現高頻振蕩；

(3)采用了定子永磁型的結構，避免永磁體承受振動應力，保護了永磁體，使得受力振動部件僅由鐵芯構成，提高了電機的可靠性，延長了電機的使用壽命；

(4)氣隙兩側均為鐵芯結構，使得氣隙可以不受永磁體限制，在設計上可以通過減小氣隙長度來提高氣隙磁通密度的幅值，從而提升功率密度；

(5)外定子間距以及動子鐵芯長度經過優(yōu)化設計，使動子在行程范圍內所受磁阻力較小，出力更平滑。

(6)采用永磁直線振蕩電機作為往復運動的直接驅動機構，省去了復雜的曲柄連桿，結構緊湊，傳動損耗低，噪音小，效率高；采用橫向磁通的磁路設計，簡化了硅鋼片的疊裝工藝；永磁體槽可以切斷內定子鐵芯的環(huán)狀定子鐵芯的軛部，也可以不切斷，選擇靈活，當選擇后者時，內定子鐵芯的環(huán)狀定子鐵芯為一整體，降低了內、外定子鐵芯同心安裝的難度，方便安裝、拆卸、維護，節(jié)省制造與維護的成本。

總的來說，與傳統(tǒng)電機結構相比，本發(fā)明電機中的永磁體不參與往復振動，極大地提高了電機的安全性、可靠性和魯棒性；通過將永磁體和繞組分開放置于不同定子鐵芯上，可以有效降低傳導到永磁體上的熱量，避免了永磁體不可逆退磁和延長其使用壽命；通過巧妙的動子鐵芯結構設計，在不增加工藝難度的同時，極大地降低了動子的質量，降低了系統(tǒng)對諧振彈簧剛度的要求，間接地提高了電機的諧振頻率；通過合理的尺寸設計，使動子在有效行程范圍內磁阻力小，靜推力平滑。

本發(fā)明的新型電機適用于驅動壓縮機、泵類以及其它直線雙向往復運動的機構。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個實施實例中內、外定子鐵芯沖片、動子鐵芯沖片、動子鐵芯定通位孔以及永磁體排布方式和線圈繞向示意圖；

圖2為本發(fā)明一個實施實例的內定子永磁型動鐵芯式直線振蕩電機軸向剖面簡圖；

圖3(a)為本發(fā)明一個實施實例中，當電樞繞組線圈個數為12時，線圈的繞制方式；

圖3(b)為本發(fā)明一個實施實例中，當電樞繞組線圈個數為6時，線圈的繞制方式；

圖4(a)為本發(fā)明一個實施實例中，籠型動子鐵芯支架的主視剖面圖；

圖4(b)為本發(fā)明一個實施實例中，籠型動子鐵芯支架的左視圖；

圖4(c)為本發(fā)明一個實施實例中，籠型動子鐵芯支架端環(huán)與籠條連接處的局部放大圖；

圖4(d)為本發(fā)明一個實施實例中，籠型動子鐵芯支架籠條中段結構的局部放大圖。

其中，相同的附圖標記自始至終表示相同的部件或者結構：

1、外定子鐵芯沖片；2、線圈；3、內定子鐵芯沖片；4、永磁體；5、動子鐵芯沖片；6、動子鐵芯定位通孔；7、外定子鐵芯；8、機殼；9、端蓋；10、籠型動子鐵芯支架；11、軸承；12、諧振彈簧；13、動子鐵芯；14、電樞繞組；15、內定子鐵芯；16、傳動軸；17、支撐軸；18、定子齒；19、螺母；20、籠條；21、端環(huán)；22、螺紋；23、端環(huán)上定位通孔。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明一個實施實例中，定子和動子鐵芯沖片、以及永磁體排布方式和線圈繞向示意圖。其包括外定子鐵芯沖片1、線圈2、內定子鐵芯沖片3、永磁體4、動子鐵芯沖片5以及動子鐵芯定位通孔6。其中，外定子鐵芯沖片1為一整體，內定鐵芯沖片3在軛部加工有用于嵌入永磁體4的矩形凹槽，采用凹槽切斷環(huán)狀內定子鐵芯軛部的形式。永磁體4沿圓周切向充磁，同一環(huán)狀內定子鐵芯上，任意相鄰永磁體充磁方向相反。定子齒上繞制線圈2，任意相鄰的線圈中電流正方向相反，即反向串聯(lián)。動子鐵芯沖片5分為六段，每段上均開有多個定位孔，疊壓成動子鐵芯后形成動子鐵芯定位通孔6，動子鐵芯定位通孔6用以插入籠型動子鐵芯支架籠條，配合螺母居中固定。無論是外定子鐵芯沖片1，內定子鐵芯沖片3，或者永磁體4亦或動子鐵芯沖片5，其形狀都相對規(guī)則和簡單，沖片疊壓方式均為軸向疊壓，與旋轉電機一致，工藝較簡單。

圖2為本發(fā)明的一種直線振蕩電機較佳實施實例的軸向剖面圖，由圖可知，所述內定子鐵芯15、外定子鐵芯7均為分離式雙定子鐵芯，各自的環(huán)狀定子鐵芯之間持有間距，其中，外定子鐵芯7軸向對齊地安裝于機殼8內部，內定子鐵芯15軸向對齊地居中固定于支撐軸17上，支撐軸17則與端蓋9固定為一體。每個內定子鐵芯15軛部均勻地嵌入六塊永磁體4。組成電樞繞組14的多個線圈纏繞于外定子鐵芯7齒上(該實施實例中，環(huán)狀的內、外定子鐵芯的齒數N_t＝6)。所述動子鐵芯13安裝于籠型動子鐵芯支架10籠條的中間，所述動子鐵芯13和籠型動子鐵芯支架10共同構成動子，所述動子徑向上居中安裝于內定子鐵芯15與外定子鐵芯7之間的氣隙中?；\型動子鐵芯支架10兩側的端環(huán)上一體設置有若干傳動軸16，傳動軸16通過設置在端蓋9上的軸承11支撐。端蓋9設置在機殼8兩端，兩端的端蓋9上均設置有用于支撐傳動軸16的軸承11?；\型動子鐵芯支架10兩側的端環(huán)與端蓋9之間套放有諧振彈簧12；端蓋9安放于機殼兩側，與機殼8緊固為一體；軸承11同心對稱地安裝在端蓋9上。

具體的，外定子鐵芯7是由圖1所示外定子鐵芯沖片1軸向疊壓構成的環(huán)狀定子鐵芯，兩個環(huán)狀外定子鐵芯之間持有間距，軸向對齊地安裝于機殼8內部，兩個環(huán)狀外定子鐵芯間的間距一方面用于放置線圈2的端部，另一方面可以減輕不必要的鐵芯質量，阻斷軸向磁路，減少內定子上永磁體沿軸向的漏磁。機殼8可由鑄鋁或其它不導磁的材料鑄造而成，起到固定外定子鐵芯7和屏蔽電磁場的作用。端蓋9可采用鋁合金或其它不導磁材料加工而成，防止電機漏磁，起到固定和保護作用。籠型動子鐵芯支架10可用鋁合金材料加工，主要由籠條和端環(huán)兩部構成，籠條的兩端及中段加工有螺紋，利用螺母與螺紋配合緊固的方式分別將端環(huán)和動子鐵芯13固定于兩端及中間，端環(huán)上一體設置有若干向外輸出推力的傳動軸16。軸承11可采用滾珠軸承或線性滑動軸承，起到減小摩擦，約束運動方向和支撐籠型動子鐵芯支架的作用。諧振彈簧12可采用圓柱壓縮彈簧，其彈性系數k_s需要與動子整體質量m和期望的系統(tǒng)諧振頻率f相匹配，具體根據公式確定。

更具體的，動子鐵芯13由圖1所示的動子鐵芯沖片5軸向疊壓而成，其包括六段弧形鐵芯，其六段弧形鐵芯之間圓周上間隔適當距離以削弱漏磁，同時所述六段段弧形鐵芯需用籠型動子鐵芯支架10通過螺紋和螺母配合緊固的方式將其固定和設置成整體。構成電樞繞組14的線圈繞線為漆包銅線，且相鄰線圈中電流正方向相反，即相鄰線圈反向串聯(lián)構成定子電樞繞組。內定子鐵芯15由圖1所示內定子鐵芯沖片3軸向疊壓構成環(huán)狀內定子鐵芯，兩個環(huán)狀內定子鐵芯之間持有間距，軸向對齊地固定于支撐軸17上，并且是居中固定于支撐軸17上，兩個環(huán)狀內定子鐵芯之間的間距用以防止不同環(huán)狀內定子鐵芯上永磁體的極間漏磁。傳動軸16與籠型動子鐵芯支架10的端環(huán)一體加工成型，利用端蓋上的軸承11支撐，用以連接后級負載。支撐軸17由鋁合金或其他非導磁材料加工而成，用于固定內定子鐵芯15。

圖3為本發(fā)明一個實施例中線圈的不同繞制方式及對應的定子間距設置示意圖，如圖3所示，實際實施過程中構成電樞繞組14的線圈2有兩種繞制方式：采用六個定子線圈或十二個定子線圈。當采用十二個定子線圈時，如圖3(a)所示，十二個線圈分別繞制于十二個定子齒18上，此時外定子間距需預留出足夠空間以容納電樞繞組線圈2的端部。當采用六個定子線圈時，如圖3(b)所示，每個線圈繞制于兩個定子軸向對齊的兩個定子齒18上，此時外定子間距中不放置線圈2的端部，其長度可適當減小，起到防止漏磁作用。

無論采用何種繞制方式，任意相鄰線圈須反向串聯(lián)，構成電樞繞組。對繞組通入直流電流后，其中一個外定子鐵芯的電樞磁場對內定子鐵芯上的永磁磁場進行削弱，而另一個外定子鐵芯的電樞磁場對內定子鐵芯上的永磁磁場進行增強。若通入一定頻率交變電流，則可與內定子鐵芯的永磁磁場合成強度周期性交變的氣隙磁場。

在本發(fā)明的一個實施例中，嵌于環(huán)狀內定子鐵芯軛部的永磁體，按兩兩間隔60度的方式嵌入環(huán)狀內定子鐵芯軛部的凹槽內，沿圓周切向平行充磁，且同一內定子鐵芯上任意相鄰兩塊永磁體充磁方向相反。

在本發(fā)明的又一實施實例中，籠型動子鐵芯支架10的具體結構和連接部位局部放大圖分別如圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)所示，由圖可知，籠型動子鐵芯支架10主要由籠條20和端環(huán)21組成，端環(huán)上同心加工有用于對外輸出推力的傳動軸16和用于插入籠條20的定位通孔23，籠條20的兩端和中段加工有螺紋22，通過螺母19和螺紋22旋合緊固的方式將端環(huán)和動子鐵芯分別固定于籠條20的兩端和中間。

本發(fā)明中，內定子上的永磁體為電機提供恒定的永磁體勵磁磁場。工作時，內、外定子鐵芯、永磁體、以及電樞繞組組成電機的驅動單元，驅動動子鐵芯做周期性的往復運動。

具體的說，當定子電樞繞組中通以一定頻率的單相正弦交流電，外定子鐵芯的電樞磁場與內定子的永磁磁場在氣隙合成為一個強度周期性交變的氣隙磁場，氣隙磁場振動頻率與供電頻率相同，根據虛位移定理，動子鐵芯將受到周期性的驅動力，方向始終指向氣隙磁場強度高的地方。因此，動子鐵芯將帶動籠型動子鐵芯支架以與電源頻率相同的頻率壓縮彈簧，在設計的有效行程范圍內做相同頻率的直線往復運動，通過籠型動子鐵芯支架上的傳動軸連接后級負載，從而向外輸出功率。

本發(fā)明電機運行原理如下：當位于外定子上的電樞繞組通入電流，其中一個外定子的電樞磁場對內定子上永磁磁場去磁，而另一個外定子上的電樞磁場對另外一個內定子上的永磁磁場增磁，從而造成不同內、外定子之間，合成的氣隙磁場強度差異，從而驅使動子向氣隙磁場強度高的一側移動；

若通入周期性的交流電，則不同定子下氣隙磁場強度周期性交替，驅使動子在內、外的雙定子間的氣隙中，做相同頻率的周期性的往復振動。

本發(fā)明中，在同一電機內采用內、外兩套定子，且永磁體和電樞繞組分開放置于內、外定子鐵芯上，本發(fā)明電機中運動和受力部件為動子鐵芯。

仿真分析以及樣機實驗證明，本發(fā)明所述內定子永磁型動鐵芯式直線振蕩電機相比于動磁式直線振蕩電機，工藝簡單，結構緊湊，材料用量低，裝配、拆卸、維護方便，安全性、可靠性、魯棒性強，可以有效降低永磁體溫升，使用壽命長，在設計的有效行程范圍內，磁阻力小，輸出靜推力平滑，適用于驅動壓縮機或泵類等雙向往復直線運動機構。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。