专利名称：一种圆筒型永磁磁系的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种圆筒型永磁直线电机的磁系，特别涉及能产生正弦波形周期性磁场的圆筒型永磁磁系。
背景技术：
许多装置都需要正弦波形周期性的磁场。美国专利US006057656A公开了一种组合永磁阵列，在2个反向相对排列的永磁阵列所形成的气隙中产生正弦波形周期性的磁场，可用于电子加速器的直线段。如图1所示，组合永磁阵列1和2反向相对排列，每个组合永磁阵列由基磁块和数个极磁块组成，基磁块上有齿和槽，且槽与极磁块相对应，即极磁块嵌入基磁块的槽中；从2a到2l，充磁方向按90°变化，1和2相对应槽中的极磁块的充磁方向相反。这种布置方式，在两个阵列之间的矩形气隙形成了沿Z方向为正弦波形周期分布的Y方向的磁场。但是，当所需要的有效磁场空间为圆环或圆柱形时，如圆筒型永磁直线同步电机圆环形的磁场空间，这种布置方式就满足不了要求；且基磁块除齿外，其余的部分没有利用，这就不可避免地造成浪费，增加了制作成本。
申请号为2005100865378.5的中国专利提出了一种永磁圆筒型直流直线电动机，其定子磁路由充磁方向沿轴向按一定规律变化的2n+1个钕铁硼磁环沿轴向叠加组成，磁路通过磁环本身和气隙闭合，在动子线圈处形成轴向为平顶波分布的径向磁场。这种磁路结构适用于圆筒型永磁直流直线电动机，却不能满足圆筒型永磁直线同步电机或圆筒型永磁直线感应电机对正弦波形周期性径向磁场的要求。目前圆筒型永磁直线同步电机或圆筒型永磁直线感应电机采用N、S极轴向交互排列的永磁环产生轴向为正弦波形周期性的磁场。这种磁路结构在气隙中不仅产生径向磁场，还产生相当大比例的轴向磁场，而在圆筒型永磁直线同步电机或圆筒型永磁直线感应电机中，需要的是径向气隙磁密分量，因而该磁路气隙磁密的有效利用率低。此外，该磁路中的轴向磁场沿轴向为正弦波形周期变化，当与金属导体发生相对运动时，在金属导体中产生涡流，发出大量的热，影响电机的稳定性，因而在圆筒型永磁直线电机中，要尽力削弱气隙磁密的轴向分量，提高气隙磁密的径向分量。理论上，只要增大永磁环的径向厚度和轴向长度，就能提高该磁路的磁势，从而提高气隙磁密，但实际应用时，随着永磁环径向厚度和轴向长度的增加，磁体的体积和重量也迅速增大，会造成制造磁体的成本费用迅速增加；更重要的是，当气隙磁场不断增强并大于永磁材料的矫顽力时，充磁方向与气隙磁场方向相反的永磁环中靠近气隙的部分就不可避免地发生去磁，去磁现象使永磁体的磁性产生不可逆转地损坏，从而使气隙磁场无法达到预期的形态；此外，与永磁体充磁方向相同的强磁场将会引起永磁材料的饱和现象，这将造成永磁材料的工作点处于其磁滞回线的第一象限而不是正常工作的第二象限，这些分析、设计技术上的诸多难题使得该磁路难以实现强磁场。
发明内容
为克服现有技术的缺点，本发明提出一种圆筒型永磁磁系，该永磁磁系可产生极性沿周向不变、轴向为正弦波形周期性的磁场，适用于长行程、大推力的圆筒型永磁直线电机。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
本发明的圆筒型永磁磁系由轴向齐平、周期性的内环形永磁阵列和外环形永磁阵列同轴相对组成，在内、外环形永磁阵列之间的环形气隙的任意轴截面形成正弦波形周期性的磁场。内环形永磁阵列或外环形永磁阵列由若干个等径向厚度的钕铁硼磁环轴向无间距周期性迭加组成，内环形永磁阵列和外环形永磁阵列几何结构和磁化方向具有轴对称性和周期性。一个周期的内、外环形永磁阵列各由n+1个钕铁硼磁环组成，从下往上，内环形永磁阵列中第i个磁环和外环形永磁阵列中第i个磁环轴向齐平；任一轴截面，内环形永磁阵列或外环形永磁阵列相邻磁环的磁化方向相差180°/n，内环形永磁阵列或外环形永磁阵列的端磁环即第1号和第n+1号磁环的磁化方向为径向且方向相反，为0°或180°；内、外环形永磁阵列中相对应的端磁环的充磁方向相同；相邻周期的内环形永磁阵列或外环形永磁阵列相邻的端磁环的充磁方向相同。内环形永磁阵列或外环形永磁阵列用特种胶粘合为内或外磁环体，并用非导磁的金属壳卡紧固定。
由于本发明圆筒型永磁磁系的周期性，下面对其一个周期进行说明。
内环形永磁阵列采用外磁式磁路结构，从下往上，各磁环按顺时针变化，第i个磁环的磁化方向 或 工作气隙为内环形永磁阵列的外部环形空间；外环形永磁阵列采用内磁式磁路结构，从下往上，各磁环按逆时针变化，第i个磁环的磁化方向 或 工作气隙为外环形永磁阵列的内部环形空间。因而位于内、外环形永磁阵列间的环形气隙为本发明圆筒型永磁磁系的有效工作空间。
本发明的磁路由内、外环形永磁阵列和它们之间的环形气隙组成。根据磁路定理，当钕铁硼永磁材料的矫顽力为Hc，内环形永磁阵列或外环形永磁阵列第i个磁环的轴向长度为Li，径向厚度为Di时，任一轴截面，内环形永磁阵列或外环形永磁阵列第i个磁环提供的径向磁势分量Fri＝|Hc.Di.cosθi|，轴向磁势分量Fzi＝|Hc.Li.sinθi|；内环形永磁阵列或外环形永磁阵列的端磁环提供的磁势为径向且方向相反，其余n-1个磁环提供的磁势的方向介于径向和轴向之间；内、外环形永磁阵列相对应的磁环提供的径向磁势分量方向相同、轴向磁势分量方向相反，而内环形永磁阵列或外环形永磁阵列中除2个端磁环外，其余的n-1个磁环提供的轴向磁势分量方向相同。因此，内、外环形永磁阵列不仅是磁通源，还组成了磁路的一部分；任一轴截面，内、外环形永磁阵列相对应的磁环提供的轴向磁势分量相互抵消、径向磁势分量则相互叠加，从而削弱了气隙磁密的轴向分量，加强了气隙磁密的径向分量，使环形工作气隙中以气隙磁密的径向分量为主；气隙磁密径向分量沿轴向为正弦波形分布，且存在0值点，利用该特性可以对圆筒型永磁直线电机进行控制；调节各磁环的轴向长度Li和径向厚度Di以及内、外环形永磁阵列的径向距离，可以调节气隙磁密的空间分布形态。
本发明的圆筒型永磁磁系的几何结构和磁化方向均具有轴对称性和周期性，因而环形气隙磁场具有轴对称性和周期性，即气隙磁场周向具有单极性，轴向具有周期性。
本发明的优点气隙磁密高，峰值可达到1T以上，气隙磁密空间分布形态好，且气隙磁密的有效利用率高；结构简单，制作安装容易；重量轻，基本无漏磁，抗去磁能力强；可调性好，灵活多用，适用于长行程、大推力的圆筒型永磁直线电机。
图1为美国专利US006057656A的磁路布置方式，图中箭头为磁化方向。
图2为本发明具体实施例的结构示意图。1为内环形永磁阵列；2为环形气隙；3为外环形永磁阵列；Z为轴向；R为半径方向。
图3为本发明具体实施例某一段RZ平面的磁路结构。图中箭头表示磁环充磁方向。
图4为与图3相对应RZ平面的磁力线分布。
图5为任一轴截面距内环形永磁阵列外表面20mm处气隙磁密沿轴向的分布，其中Br和Bz分别为气隙磁密的径向分量和轴向分量。
具体实施例方式
以下结合具体实施例及附图进一步说明本发明。
图2为本发明具体实施例的结构示意图。它由周期性的内环形永磁阵列1、环形气隙2以及周期性的外环形永磁阵列3同轴相对组成。内环形永磁阵列1和外环形永磁阵列3轴向齐平，都由若干个径向厚度为50mm的钕铁硼磁环轴向无间距迭加组成，几何结构和磁化方向具有轴对称性和周期性。内环形永磁阵列1采用外磁式磁路结构，工作气隙为内环形永磁阵列1的外部环形空间；外环形永磁阵列3采用内磁式磁路结构，工作气隙为外环形永磁阵列3的内部环形空间，因而位于内环形永磁阵列1和外环形永磁阵列3之间的环形气隙2为有效磁场工作空间。一个周期中，内环形永磁阵列1或外环形永磁阵列3由5(n＝4)个钕铁硼磁环组成；从下往上，内环形永磁阵列1的第i个磁环和外环形永磁阵列3的第i个磁环轴向齐平，其中内环形永磁阵列1或外环形永磁阵列3的端磁环，即第1号和第5号磁环的轴向长度为25mm，其余2、3、4号磁环的轴向长度为50mm；从下往上，内环形永磁阵列1的磁化方向从第1号磁环到第5号磁环按顺时针变化，任一轴截面，相邻磁环的磁化方向相差180°/4＝45°；外环形永磁阵列3的磁化方向从第1号磁环到第5号磁环按逆时针变化，任一轴截面，相邻磁环的磁化方向相差180°/4＝45°。
图3为图2所示实施例某一段任一轴截面的磁路，该段磁路有6个周期。可以看出，第一周期T1和第二周期T2组成一个大的周期T1+T2，T3+T4和T5+T6是T1+T2在轴向的重复。T1中，从下往上，内环形永磁阵列1的第i个磁环的磁化方向θi＝-45°.(i-1)，外环形永磁阵列3的第i个磁环的磁化方向θi＝45°.(i-1)；T2中，从下往上，内环形永磁阵列1的第i个磁环的磁化方向θi＝180°-45°.(i-1)，外环形永磁阵列3的第i个磁环的磁化方向θi＝180°+45°.(i-1)。T1中的n-1-5和T2中的n-2-1的充磁方向相同，为180°；T1中的w-1-5和T2中的w-2-1的充磁方向相同，为180°。T1中，内环形永磁阵列1的n-1-1、n-1-5分别同外环形永磁阵列3的w-1-1、w-1-5的充磁方向相同；充磁方向为轴向的n-1-3和w-1-3的充磁方向相反。T1中内环形永磁阵列1的端磁环n-1-1和n-1-5的充磁方向为径向且方向相反；外环形永磁阵列3的端磁环w-1-1和w-1-5的充磁方向为径向且方向相反。
图4为与图3相对应的RZ平面的磁力线分布。如图4所示，本发明的磁路由内环形永磁阵列1、外环形永磁阵列3以及它们之间的环形气隙2组成内。每一个周期，内环形永磁阵列1、外环形永磁阵列3和相应的环形气隙2都形成一个闭合的磁回路。环形气隙2中，磁力线大部分是径向的，轴向的很少。
当内环形永磁阵列1的内直径为90mm，外环形永磁阵列3的内直径为270mm；钕铁硼永磁材料的Hc＝1100kA/m，Br＝1.4T时，任一轴截面距内环形永磁阵列1外表面20mm处气隙磁密沿轴向的分布如图5所示。图5中横座标的0点与图3中磁环n-1-1下端面相对应。可以看出，气隙磁密径向分量Br沿轴向为正弦波形周期分布，与T1相对应的波长为200mm，与T1+T2相对应的波长为400mm，形成3个波峰，峰-峰值为(0.95T，-0.95T)；轴向分量Bz沿轴向为余弦波形周期分布，形成3个波峰，峰-峰值为(0.3T，-0.3T)。可见，本发明的圆筒型永磁磁系通过任意轴截面上的充磁方向既有径向、也有径向和轴向之间任意角度的、且按一定规律周期变化的内环形永磁阵列1和外环形永磁阵列3实现了环形工作气隙中正弦波形周期变化的磁场，满足了圆筒型永磁直线电机对正弦波形周期性径向气隙磁场的要求；轴向齐平的内环形永磁阵列1和外环形永磁阵列3同轴相对布置，将磁通集中到有限的环形气隙2中，减小了气隙磁阻，大大削弱了气隙磁密的轴向分量，加强了气隙磁密的径向分量，改善了气隙磁密的空间分布形态，使气隙磁密以径向分量为主，提高了气隙磁密的有效利用率。
权利要求
1.一种圆筒型永磁磁系，其特征在于由轴向齐平、周期性的内环形永磁阵列[1]、外环形永磁阵列[3]以及它们之间的环形气隙[2]同轴相对组成；内环形永磁阵列[1]或外环形永磁阵列[3]由若干个等径向厚度的钕铁硼磁环轴向无间距周期性迭加组成，几何结构和磁化方向具有轴对称性和周期性；一个周期中，内环形永磁阵列[1]或外环形永磁阵列[3]由n+1个等径向厚度的钕铁硼磁环组成，从下往上，内环形永磁阵列[1]的第i个磁环和外环形永磁阵列[3]的第i个磁环轴向齐平；一个周期中，从下往上，任一轴截面上的内环形永磁阵列[1]或外环形永磁阵列[3]相邻磁环的磁化方向相差180°/n，内环形永磁阵列[1]或外环形永磁阵列[3]的端磁环即第1号和第n+1号磁环的磁化方向为径向且方向相反，内环形永磁阵列[1]和外环形永磁阵列[3]相对应的端磁环的磁化方向相同；相邻周期的内环形永磁阵列[1]或外环形永磁阵列[3]相邻端磁环的磁化方向相同。
2.按照权利要求1所述的圆筒型永磁磁系，其特征在于内环形永磁阵列[1]采用外磁式磁路结构，一个周期中，从下往上，各磁环按顺时针变化，任一轴截面上的第i个磁环的磁化方向 或 工作气隙为内环形永磁阵列[1]的外部环形空间；外环形永磁阵列[3]采用内磁式磁路结构，一个周期中，从下往上，各磁环按逆时针变化，任一轴截面上的第i个磁环的磁化方向 或 工作气隙为外环形永磁阵列[3]的内部环形空间。
3.按照权利要求1所述的圆筒型永磁磁系，其特征在于磁路由内环形永磁阵列[1]和外环形永磁阵列[3]和它们之间的环形气隙[2]组成，内环形永磁阵列[1]和外环形永磁阵列[3]不仅是磁通源，还组成了磁路的一部分；任一轴截面，内环形永磁阵列[1]和外环形永磁阵列[3]相对应的磁环提供的轴向磁势分量相互抵消、径向磁势分量相互叠加。
4.按照权利要求3所述的圆筒型永磁磁系，其特征在于环形气隙[2]中以气隙磁密的径向分量为主；环形气隙[2]任一轴截面上气隙磁密的径向分量沿轴向呈正弦波形变化；且气隙磁密径向分量存在0值点。
全文摘要
一种圆筒型永磁磁系，由轴向齐平、周期性的内环形永磁阵列和外环形永磁阵列同轴相对组成，在内、外环形永磁阵列之间的环形气隙的任意轴截面形成正弦波形周期性的磁场。内环形永磁阵列或外环形永磁阵列由若干个等径向厚度的钕铁硼磁环轴向无间距周期性迭加组成，其几何结构和磁化方向具有轴对称性和周期性。本发明提供的磁场可满足圆筒型永磁直线电机对正弦波形周期性径向气隙磁场的要求；轴向齐平的内、外环形永磁阵列同轴相对布置，将磁通集中到有限的环形气隙中，减小了气隙磁阻，削弱了气隙磁密的轴向分量，加强了气隙磁密的径向分量，改善了气隙磁密的空间分布形态，使气隙磁密以径向分量为主，提高了气隙磁密的有效利用率。
文档编号H02K1/12GK1866700SQ20061008939
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月23日 优先权日2006年6月23日
发明者赵凌志, 彭燕, 沙次文, 李然, 宋述军, 许玉玉 申请人:中国科学院电工研究所