1.本申请涉及电机技术领域,尤其涉及一种动磁式平面电机。
背景技术:2.平面电机是一种可以将电磁能转换为平面运动的电机,以使负载实现二维方向上的运动。
3.然而,现有的平面电机存在负载能力低、动力小的问题。
技术实现要素:4.本申请提供了一种动磁式平面电机,以实现高负载、强动力的效果。
5.为解决上述问题,本申请提供了:
6.一种动磁式平面电机,包括:
7.定子,包括平铺设置的多个超导线圈;
8.真空体,所述定子固定安装于所述真空体内部;
9.动子,设置于所述真空体外,且靠近所述定子设置;所述动子包括永磁体组;及
10.制冷机构,与所述真空体内部连通,以对所述定子降温。
11.在一些可能的实施方式中,所述永磁体组呈二维的海尔贝克阵列结构设置。
12.在一些可能的实施方式中,所述永磁体组包括多个第一永磁体,以及多个第二永磁体;
13.所述第一永磁体的横截面为正方形;所述第二永磁体的横截面为长方形,所述第二永磁体的长边边长等于所述第一永磁体的边长;
14.所述第一永磁体呈正交阵列排布,两相邻的所述第一永磁体之间设置有一所述第二永磁体。
15.在一些可能的实施方式中,所述第一永磁体的充磁方向垂直于所述永磁体组所在平面;
16.所述第二永磁体的充磁方向平行于所述永磁体组所在平面。
17.在一些可能的实施方式中,所述永磁体组包括第一气隙磁场和第二气隙磁场,所述第一气隙磁场的强度大于所述第二气隙磁场的强度;
18.所述第一气隙磁场和所述第二气隙磁场分设于所述永磁体组的两侧,所述第一气隙磁场靠近所述定子设置。
19.在一些可能的实施方式中,所述超导线圈呈跑道型;所述多个超导线圈呈多排分布设置,且位于同一排的所述超导线圈的延伸方向一致;
20.相邻两排所述超导线圈中,相对应的两所述超导线圈的轴线垂直设置;两所述轴线与相邻两排所述超导线圈间分割线的锐角夹角均为45
°
;所述轴线平行于所述定子所在平面。
21.在一些可能的实施方式中,所述超导线圈为高温超导线圈。
22.在一些可能的实施方式中,所述多个超导线圈的外侧包覆有隔热层。
23.在一些可能的实施方式中,所述动磁式平面电机还包括设置于所述真空体内的支撑机构;
24.所述支撑机构用于支撑所述定子,以使所述定子靠近所述真空体的一侧设置。
25.在一些可能的实施方式中,所述真空体为杜瓦罐。
26.本申请的有益效果是:本申请提出一种动磁式平面电机,包括定子、动子、真空体及制冷机构,定子安装于真空体内;动子设置于真空体外,且靠近定子设置;制冷机构与真空体内连接。其中,定子包括平铺设置的多个超导线圈,动子包括永磁体组。
27.工作过程中,制冷机构可对真空体内进行制冷,以使真空体的温度可以达到超导线圈的临界温度,进而可使超导线圈组处于超导状态。其中,真空体的设置可使定子周围的环境温度快速降低,以达到临界温度。当超导线圈组处于超导状态时,其电流密度可以达到普通铜质线圈的百倍以上,进而产生更高强度的磁场,即可以提供更强的动力,使得平面电机的负载能力也明显提升。
附图说明
28.为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本申请的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,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相关的附图。
29.图1示出了一种动磁式平面电机的结构示意图;
30.图2示出了一种动子和定子的对应结构示意图;
31.图3示出了一种定子的结构示意图;
32.图4示出了一种动子的结构示意图;
33.图5示出了图4中a部分的局部放大结构示意图;
34.图6示出了一种动子的剖面结构示意图。
35.主要元件符号说明:
36.10
‑
定子;11
‑
第一安装板;12
‑
超导线圈组;121
‑
超导线圈;12a
‑
第一排超导线圈;12b
‑
第二排超导线圈;12c
‑
第三排超导线圈;20
‑
动子;21
‑
第二安装板;22
‑
永磁体组;221
‑
第一永磁体;222
‑
第二永磁体;30
‑
制冷机构;40
‑
支撑机构;41
‑
底座;42
‑
支撑块;50
‑
真空体;60
‑
隔热层;70
‑
负载。
具体实施方式
37.下面详细描述本申请的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。
38.在本申请的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
39.此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
40.在本申请中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
41.在本申请中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.如图3和图4所示,定义x轴和y轴,可以理解的是,以上定义仅是为了便于理解动磁式平面电机中各部分的相对位置关系,不应理解为对本申请的限制。
43.实施例中提供了一种动磁式平面电机,用于带动负载70实现平面运动。其中,平面运动可包括旋转、直线、曲线等二维运动。
44.如图1所示,动磁式平面电机包括定子10、动子20、真空体50和制冷机构30。其中,定子10固定安装于真空体50中,由真空体50为定子10提供真空环境。动子20设置于真空体50外侧,且对应定子10的位置设置。制冷机构30与真空体50内部连通设置。
45.在另一些实施例中,动子20也可设置于其他的真空体50中,即使动子20也处于真空环境中。
46.如图1及图3所示,定子10包括超导线圈组12,动子20包括永磁体组22。使用中,定子10可用于驱动动子20悬浮于真空体50的上方,并进行相应的运动。在运动的过程中,因动子20悬浮于真空体50的上方,可使得动子20与真空体50之间无接触、无摩擦,从而使得动子20在运动过程中无摩擦损耗,可有效提高动磁式平面电机的能量利用率。
47.其中,超导线圈组12包括多个超导线圈121,多个超导线圈121平铺开设置。可以理解的是,当超导线圈121通电后,会产生相应的磁场。超导线圈121产生的磁场可以与永磁体组22的磁场相作用,从而可使得永磁体组22移动,即使得动子20移动。
48.使用中,可通过控制超导线圈121中所通电流的方向及大小,以使动子20可在定子10的作用下悬浮于真空体50上方的特定高度位置处,示例性的,例如动子20可在定子10的作用下悬浮于真空体50上方2~3mm位置,在确保动子20与真空体50之间无摩擦的情况下,也使得动子20与定子10之间保持合适的距离,以确保定子10和动子20之间稳定的能量传递。实施例中,可通过控制超导线圈121中所通电流的方向及大小,使动子20与定子10之间的距离不大于5mm。同时,因定子10包括平铺设置的多个超导线圈121,从而可根据需要分区调整超导线圈121的通电情况,例如是否通电、电流的大小等。在变化磁场的驱动下,可使得动子20进行相应的平面运动。实施例中,超导线圈121中所通电流可为单向直流电,电流大
小可根据需要进行设置,示例性的,可根据电磁力
‑
矩解耦获得。
49.可以理解的是,在一些具体的实施例中,动磁式平面电机还可包括控制器(图中未示出),可用于控制定子10的通电情况以及制冷机构30的工作情况。
50.在另一些实施例中,动磁式平面电机也可直接外接一控制器,用于控制动磁式平面电机的工作。
51.在一些具体的实施例中,超导线圈121可选用高温超导线圈,示例性,超导线圈121可由bi
‑
2223/ag高温超导带材、或者是bi
‑
2212/ag高温超导带材、或者是ybco高温超导带材等高温超导材料绕制而成。
52.由于高温超导体具有载流能力强、临界温度高、磁场下性能较好等优势。自1986年高温超导材料被发现以来,就受到广泛关注。高温超导材料在临界温度下电阻可为零,高温超导导线的电流密度也是普通铜质导线的百倍以上。从而,可以使动磁式平面电机的超导线圈121的载流能力大大提高,同时,动磁式平面电机也可产生更大的磁场而几乎没有焦耳热损耗。在相同尺寸的情况下,使得高温超导线圈相对于铜质线圈能够提供更大的负载能力及驱动能力。
53.由此,本申请中通过设置高温超导线圈,可以使得本申请提供的动磁式平面电机,具有较高的载流能力和较低的损耗,也可有效降工作过程中的热功率。相对于现有技术中的平面电机,本申请提供的动磁式平面电机具有更强的驱动能力及负载能力,提高能量转换率。
54.当然,在另一些实施例中,超导线圈121不排除由低温超导带材绕制而成,示例性的,如nbzr合金、nbti合金等带材。可以理解的是,在此情况下,制冷机构30的工作能耗相对于采用高温超导线圈时会有所增加。
55.进一步的,实施例中,制冷机构30用于对定子10所处环境进行制冷降温,以使定子10所处环境温度可以达到超导线圈121的临界温度,进而使超导线圈121处于超导状态。其中,定子10设置于真空体50中,真空体50中装满液氦,可便于临界温度的实现。
56.使用中,超导线圈121工作于超导状态,从而可具有较高的电流密度,通电时,可产生高强度的磁场。进而可使动磁式平面电机具有强动力及更高的负载能力。
57.进一步的,在一些具体的实施例中,真空体50可选用杜瓦罐,杜瓦罐内部抽真空,并在杜瓦罐液氦腔内装满液氦。一方面,可为定子10提供真空环境;另一方面,可对定子10进行绝热保护,减少定子10与外界环境的热交换。实施例中,杜瓦罐的壁厚可设置成1~3mm。
58.制冷机构30与真空体50内部连通,工作过程中,制冷机构30可直接对液氦进行降温,使液氦维持在临界温度,可以理解的是,该临界温度指的是超导线圈121处于超导状态时的临界温度。从而,实现维持真空体50内的温度,使定子10所处环境温度可以维持在临界温度,以使定子10中的超导线圈121可以工作在超导状态。
59.在一些具体的实施例中,制冷机构30可选用gm(gifford
‑
mcmahon,吉福德
‑
麦克马洪)制冷机。
60.如图1至图3所示,定子10还包括第一安装板11,用于支撑超导线圈组12。具体的,超导线圈组12包含的多个超导线圈121均可通过胶粘的方式固定于第一安装板11的同一侧,且超导线圈121平行于第一安装板11设置。其中,第一安装板11的设置,可使得多个超导
线圈121之间的位置保持相对固定,以便于动磁式平面电机的顺利工作。
61.在一些具体的实施例中,第一安装板11可由铝合金材料制成。
62.在另一些实施例中,第一安装板11还可由陶瓷材料,比如al2o3陶瓷;aln陶瓷等。
63.在一些具体的实施例中,多个超导线圈121可呈多排分布设置。每排均可包括若干个超导线圈121,且每排超导线圈121的数量可设置成相等。可以理解的是,每一排的若干个超导线圈121均沿着x轴依次排列设置。
64.进一步的,如图3所示,超导线圈121呈跑道型,同一排的若干个超导线圈121的延伸方向一致。可以理解的是,同一排中,各超导线圈121的轴线平行设置。其中,超导线圈121的轴线指,沿跑道型长度方向上的轴线,该轴线平行于超导线圈组12所在平面设置。
65.对于相邻的两排超导线圈121,其中,相对应的两超导线圈121的轴线相互垂直设置,且两轴线与两排超导线圈121间分割线的锐角夹角均为45
°
。其中,相对应的两超导线圈,可以理解为,两排中处于同一编号位置的两超导线圈121,示例性的,例如一致从左数,第一排超导线圈12a中的第一个超导线圈和第二排超导线圈12b中的第一个超导线圈。为便于理解,以下进行举例说明。
66.如图3所示,有坐标轴的原点沿着y轴的方向对各排超导线圈121进行编号(即图纸中,由上至下进行编号),示例性的,如第一排超导线圈12a、第二排超导线圈12b和第三排超导线圈12c等。以第一排超导线圈12a和第二排超导线圈为例,其中第一排超导线圈12a中超导线圈121的轴线l1与第二排超导线圈12b中对应超导线圈121的轴线l2垂直设置,即轴线l1与轴线l2之间的夹角为90
°
。可以理解的是,第一排超导线圈12a和第二排超导线圈12b之间对应的分割线沿x轴方向设置,在轴线l1与轴线l2的交汇点绘制直线l3,使直线l3平行于x轴。实施例中,轴线l1与直线l3的夹角β为45
°
;轴线l2与直线l3的夹角α为45
°
。
67.由此,在通过洛伦兹力方法计算动子20的电磁力时,可使得单个超导线圈121在水平方向上的洛伦兹力仅在x轴或y轴方向上存在分量,因此,可便于后期使用中对动子20运动控制程序的简化,即对超导线圈组12通电控制程序进行简化,以便于工作人员进行控制程序设计。其中,超导线圈组12的通电控制程序的具体设置,不在本申请的保护范围内,在此不再赘述。
68.进一步的,如图1所示,定子10外侧还包覆有一层隔热层60,用于降低定子10与外界环境的辐射漏热,即进一步减少超导线圈121与外界环境的热交换。在一些具体的实施例中,隔热层60可由铝箔制成。实施例中,隔热层60可由铝箔缠绕若干层形成。
69.在另一些实施例中,隔热层60还可选用金、银、镍等金属材料,同样,也可选用表面镀金属薄膜的聚脂薄膜等材料。
70.为确保隔热层60能有效减少定子10与外界环境的辐射漏热,同时,也要避免隔热层60造成定子10和动子20之间的磁场衰减。实施例中,可尽量减少隔热层60的厚度,也应尽量使隔热层60具有更少的层数。实施例中,隔热层60的厚度可以设置成1~5mm,其中,所用铝箔的层数可根据单层铝箔的厚度进行设定。
71.如图1所示,实施例中,真空体50内还设置有支撑机构40,用于支撑定子10。具体的,定子10可安装于支撑机构40的一侧,支撑机构40用于使定子10靠近真空体50内的一侧设置。相应的,动子20设置于真空体50远离支撑机构40的一侧,即对应设置有定子10的一侧设置。
72.在一些具体的实施例中,支撑机构40远离定子10的一侧可固定安装于真空体50的内壁上,支撑机构40的另一侧向靠近动子20的方向延伸。实施例中,支撑机构40可包括底座41及多个支撑块42。
73.其中,底座41固定设置于真空体50的内壁上。多个支撑块42的一端均固定连接至底座41上,从而使支撑机构40形成一个整体,增加结构强度。多个支撑块42的另一端可延伸至定子10处,以支撑定子10。具体的,多个支撑块42远离底座41的一端可固定连接于定子10的第一安装板11上。可以理解的是,支撑块42可以连接于第一安装板11上隔热层60的外侧。
74.多个支撑块42相对于定子10均匀分布,多个支撑块42具有相等的高度,以使定子10各部分可以受力均匀。在一些具体的实施例中,每一超导线圈121的下方可对应设置有两个支撑块42。
75.在一些具体的实施例中,底座41与多个支撑块42可以一体成型,从而使得支撑机构40具有更强的结构强度。
76.在另一些实施例中,支撑机构40也可仅包括多个支撑块42。多个支撑块42的一端均固定连接于真空体50的内壁上,多个支撑块42的另一端均对应连接于第一安装板11上。
77.实施例中,支撑机构40的设置,可以使定子10远离动子20的一侧远离外界环境设置,从而可减少定子10的辐射漏热。在一些具体的实施例中,支撑机构40可由g10(玻璃纤维与树脂碾压复合材料)制成。
78.进一步的,如图4至图6所示,动子20还包括第二安装板21,用于支撑永磁体组22。具体的,永磁体组22固定安装于第二安装板21的一侧,且永磁体组22设置于第二安装板21靠近定子10的一侧。
79.在一些具体的实施例中,永磁体组22可包括多个第一永磁体221和多个第二永磁体222。第一永磁体221的横截面为正方形,第二永磁体222的横截面为长方形。可以理解的是,其中第一永磁体221的横截面和第二永磁体222的横截面,均是沿着x
‑
y平面对第一永磁体221和第二永磁体222进行剖切。
80.实施例中,第二永磁体222的长边边长等于第一永磁体221的边长。多个第一永磁体221之间呈正交阵列排布设置,相邻的两第一永磁体221之间夹设有一第二永磁体222,且第二永磁体222的长边边长对应第一永磁体221的边长设置。由此,任一第一永磁体221的周围均环绕设置有四个第二永磁体222。
81.进一步的,第一永磁体221的充磁方向垂直于纸面,即垂直于x
‑
y平面。第二永磁体222的充磁方向平行于纸面方向,即平行于x
‑
y平面。在第一永磁体221的阵列中,任一对相邻的两第一永磁体221的充磁方向均相反。
82.在充磁方向朝向纸外(即图示n极)的第一永磁体221周围,四个第二永磁体222的充磁方向均向靠近该第一永磁体221的方向设置。在充磁方向朝向纸内(即图示s极)的第一永磁体221周围,四个第二永磁体222的充磁方向均向远离该第一永磁体221的方向设置。实施例中,第一永磁体221和第二永磁体222的充磁强度相同,且均匀充磁。
83.由此,永磁体组22呈现出二维的halbach(海尔贝克阵列)结构。从而使得永磁体组22的一侧具有较强的气隙磁场,即第一气隙磁场;以及,永磁体组22的另一侧具有较弱的气隙磁场,即第二气隙磁场。实施例中,永磁体组22形成有第一气隙磁场的一侧靠近定子10设置。
84.在一些具体的实施例中,永磁体组22中的第一永磁体221和第二永磁体222均可选用铷铁硼永磁体、镨铁硼永磁体、钐钴永磁体、铁氧体永磁体、铝镍钴永磁体等永磁体中的一种。从而,可以产生较高的气隙磁密,且基本上不产生损耗,同时也使得动磁式平面电机的工作状态更加稳定,故障率低。
85.使用中,将动磁式平面电机连接电源,以给定子10和制冷机构30供电,可将负载70设置于动子20远离定子10的一侧。工作过程中,可根据需要对定子10进行分区供电并根据需要控制电流的方向及大小,以使定子10产生与动子20相互作用的磁场。在磁场的作用下,可使动子20带动负载70悬浮于真空体50上方并进行相应的运动。在此过程中,动子20与真空体50之间无接触、无摩擦,从而可有效避免摩擦阻力产生的能量损耗。
86.综上,本申请提供的动磁式平面电机,可具有驱动力强、负载能力强等优点,从而也可适用于更多的工作场景,具有较高的通用性。
87.在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
88.尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本申请的限制,本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。