本实用新型属于电机技术领域，具体涉及一种直线振荡电机。
背景技术：
传统的压缩机大多为采用旋转电机驱动的往复式活塞压缩机，利用曲柄连杆机构将旋转电机的旋转运动转换成往复直线运动，这种结构的压缩机由于采用中间机械转换环节，增大摩擦损耗，增加噪声。由于机械结构的限制，最大转速得不到提高，性能提升空间小。随着直线电机、电力电子技术的发展，新型的直线压缩机应运而生。直线压缩机取消了传统压缩机的曲柄连杆机构，通过直线电机，以电磁共振的方式进行驱动，结构简单，体积减小，没有机械零件之间相互运动，大大减小摩擦损耗，降低噪声。由于直线电机只有轴向推力，没有径向压力，在工作时只需少量的润滑油或者不用润滑油。压缩机的活塞与直线振荡电机的动子直接相连，从而可以根据需要调节活塞行程和余隙，控制方式灵活。直线振荡空气压缩机由直线振荡电机直接驱动，直线振荡电机是最核心的部件，而电机的定子和动子尺寸、绕组设计等参数直接影响电机最大推力和效率，同时也考虑到材料的利用率，因此直线振荡电机的结构外观设计尤为重要。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种直线振荡电机，以便克服上述不足。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下。
一种直线振荡电机，包括气缸，气缸右侧设有前端盖；前端盖外侧设有前铁芯；前铁芯内侧设有动子，动子外侧分布有多个线圈；线圈之间设有中铁芯；动子另一侧设有后铁芯；动子另一端设有弹簧，弹簧外部设有后端盖。
进一步地，气缸与前端盖之间设有第一垫圈。
进一步地，气缸与动子连接安装处设有挡圈和第二垫圈。
进一步地，前端盖内部设有轴承，轴承利用第一螺钉固定安装；第一螺钉内部设有第三垫圈。
进一步地，后端盖端面上设有第二螺钉和第四垫圈予以固定。
本专利针对电机设计的需求出发，初步确定电机的结构和尺寸。分析电机的磁场分布、定位力、反电动势、电磁推力等电机性能。本专利设计的是一种圆筒型动磁式直线振荡电机，电机主要由内定子铁芯、外定子铁芯、线圈绕组和永磁体组成，运动部分为永磁体。直线振荡电机的内外定子为硅钢片叠压而成，励磁线圈内嵌与外定子铁芯中。动子为径向充磁的永磁体，并处于内外铁芯之间的气隙之中，通过支架与活塞和弹簧系统连接。当励磁线圈中通过正弦交流电时，产生的交变磁场与永磁体产生的恒定磁场相互作用，动子推动活塞做直线往复运动，从而压缩气体做功。本专利设计的动磁式直线振荡电机，运动部分为永磁体。假设置于外定子铁芯中的线圈绕组通入流入纸面的电流时，会使外定子左侧齿部产生s极，外定子右侧齿部产生n极，由于永磁体充磁方向是沿径向指向外侧，靠近外定子一侧为n级，此时永磁体受到向着产生s极一侧的电磁推力。当线圈绕组中电流反向时，外定子右侧齿部产生n极而左侧齿部产生s极，永磁体受到的电磁推力也将反向。因此，当线圈绕组中通入交变的电流时，动子上也会产生和电流同频率的交变的电磁推力，从而推动活塞作直线往复运动。
为了减小涡流损耗，电机的内外定子铁芯由0.5mm的dw470硅钢片叠装而成。内定子铁芯直接由硅钢片沿径向叠压而成，由于内定子铁芯叠压是内紧外松，如果内定子铁芯径向厚度过大，会造成外圆周面过于疏松。
因为绕组线圈内嵌在外定子铁芯中，为了减小组装的难度，本文将组成外定子铁芯的硅钢片加工成上下两片。硅钢片叠压成小铁芯块，外定子铁芯则由上下各8块这样的小铁芯拼接而成。
线圈绕组放置于外定子铁芯中，导线的匝数、线径和长度是影响电机输出功率的重要参数。考虑线圈的散热问题，电流密度不能过大，不然会导致温度过高，容易烧坏电机，反之，电流密度过低会造成材料浪费。电枢绕组产生的磁动势不会造成铁芯饱和的前提下，考虑最大槽满率，尽可能地高。最后，根据电源电压的大小决定线圈的匝数和线径。
直线振荡电机的运动部分是永磁体，电机工作时永磁体作为动子带动活塞做直线高频往复运动，因此对永磁体有以下要求：需要足够的机械强度来适应该高频直线往复运动；需要有较高的矫顽力，气隙磁场足够大，这样可以得到更大的推力密度；需要尽可能高的剩余磁感应强度，这样磁能积高，电机效率也会提高。
目前直线振荡电机主要使用汝铁硼和铁氧体这两种永磁材料。铁氧体因为不含贵金属，所以成本很低，制作工艺较为简单，但是其最大磁能积较低，机械强度和温度稳定性都比较差，不适合用于作高频运动的永磁直线电机。汝铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，其矫顽力、剩余磁感应强度、最大磁能积和机械强度都比铁氧体高。
本专利采用的是汝铁硼稀土永磁材料，牌号为ndfe35，矫顽力为868ka/m，剩余磁感应强度为1.21t，最大磁能积263-287，去磁曲线接近于直线。动磁式直线振荡电机的运动部分是径向充磁的永磁体，径向充磁是指永磁体充磁方向是沿着半径方向磁化的。从制作稀土永磁体的工艺来说，整块环形径向充磁的永磁体很难直接加工成型，这是因为永磁体晶粒的易磁化方向必须沿径向成辐射状排列，这种排列方式很难实现定向磁化，并且会由于晶粒成辐射状排列过于整齐导致膨胀时的各向异性导致内应力过大，使得永磁体在冷却时很容易开裂。所以，径向充磁的永磁体很少直接加工成整块环状，本专利采用8块瓦片形的径向充磁永磁体拼接成圆环状，其中每块永磁体的圆心角度为45度，外圈是n极，内圈是s极。永磁体平均工作点选在最大磁能积附近，可以提高永磁体的利用率，根据电机所需电磁推力和行程范围，考虑铁芯饱和情况，合理选择永磁体径向充磁方向的厚度和轴向长度。
圆筒型直线振荡电机的侧向力比电机轴向推力大很多，理论上因为是轴对称结构，所以侧向力被抵消。当由于加工精度等问题导致动子部分偏离气隙中心，侧向力过大会导致摩擦力大大增加。因此，加工组装中必须将动子部分径向位移固定，使动子部分只能向轴向运动。本专利设计的动磁式直线振荡电机动子部分为永磁体，因此需要永磁体支架放置永磁体，通过支架与压缩机活塞相连压缩气体做功。永磁体支架不是电机磁路的组成部分，为了减小电机损耗采用非导磁材料铝合金制成，由于要放置永磁体，支架上需要加工出8个与永磁体形状相匹配的矩形凹槽。
该实用新型的有益效果在于：该实用新型中，采用特殊设计，能保证定子铁芯运行时有足够的气隙磁密，同时能避免漏磁通和铁芯饱和的产生影响电机性能。在保证电机性能和铁芯不产生饱和的前提下，定子铁芯的设计应该能尽可能地减小尺寸，达到节省材料和降低电机重量和体积的效果。
附图说明
图1是本实用新型实施例中所使用装置结构示意图。
图中标记说明：1、气缸；2、第一垫圈；3、挡圈；4、第二垫圈；5、前端盖；6、轴承；7、第一螺钉；8、第三垫圈；9、前铁芯；10、线圈；11、中铁芯；12、动子；13、后铁芯；14、弹簧；15、后端盖；16、第二螺钉；17、第四垫圈。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本实用新型。
如图1所示的直线振荡电机，包括气缸1，气缸1右侧设有前端盖5；前端盖5外侧设有前铁芯9；前铁芯9内侧设有动子12，动子12外侧分布有多个线圈10；线圈10之间设有中铁芯11；动子12另一侧设有后铁芯13；动子12另一端设有弹簧14，弹簧14外部设有后端盖15。气缸1与前端盖5之间设有第一垫圈2。气缸1与动子12连接安装处设有挡圈3和第第二垫圈4。前端盖5内部设有轴承6，轴承6利用第一螺钉7固定安装；第一螺钉7内部设有第三垫圈8。后端盖15端面上设有第二螺钉16和第四垫圈17予以固定。
本专利针对电机设计的需求出发，初步确定电机的结构和尺寸。分析电机的磁场分布、定位力、反电动势、电磁推力等电机性能。本专利设计的是一种圆筒型动磁式直线振荡电机，电机主要由内定子铁芯、外定子铁芯、线圈绕组和永磁体组成，运动部分为永磁体。直线振荡电机的内外定子为硅钢片叠压而成，励磁线圈内嵌与外定子铁芯中。动子为径向充磁的永磁体，并处于内外铁芯之间的气隙之中，通过支架与活塞和弹簧系统连接。当励磁线圈中通过正弦交流电时，产生的交变磁场与永磁体产生的恒定磁场相互作用，动子推动活塞做直线往复运动，从而压缩气体做功。本专利设计的动磁式直线振荡电机，运动部分为永磁体。假设置于外定子铁芯中的线圈绕组通入流入纸面的电流时，会使外定子左侧齿部产生s极，外定子右侧齿部产生n极，由于永磁体充磁方向是沿径向指向外侧，靠近外定子一侧为n级，此时永磁体受到向着产生s极一侧的电磁推力。当线圈绕组中电流反向时，外定子右侧齿部产生n极而左侧齿部产生s极，永磁体受到的电磁推力也将反向。因此，当线圈绕组中通入交变的电流时，动子上也会产生和电流同频率的交变的电磁推力，从而推动活塞作直线往复运动。
定子铁芯部分应该保证电机运行时有足够的气隙磁密，同时避免漏磁通和铁芯饱和的产生影响电机性能。因此，在保证电机性能和铁芯不产生饱和的前提下，定子铁芯的设计应该尽可能地减小尺寸，达到节省材料和降低电机重量和体积的目的。
为了减小涡流损耗，电机的内外定子铁芯由0.5mm的dw470硅钢片叠装而成。内定子铁芯直接由硅钢片沿径向叠压而成，由于内定子铁芯叠压是内紧外松，如果内定子铁芯径向厚度过大，会造成外圆周面过于疏松。
因为绕组线圈内嵌在外定子铁芯中，为了减小组装的难度，本文将组成外定子铁芯的硅钢片加工成上下两片。叠压成小铁芯块，外定子铁芯则由上下各8块这样的小铁芯拼接而成。
线圈绕组放置于外定子铁芯中，导线的匝数、线径和长度是影响电机输出功率的重要参数。考虑线圈的散热问题，电流密度不能过大，不然会导致温度过高，容易烧坏电机，反之，电流密度过低会造成材料浪费。电枢绕组产生的磁动势不会造成铁芯饱和的前提下，考虑最大槽满率，尽可能地高。最后，根据电源电压的大小决定线圈的匝数和线径。
直线振荡电机的运动部分是永磁体，电机工作时永磁体作为动子带动活塞做直线高频往复运动，因此对永磁体有以下要求：需要足够的机械强度来适应该高频直线往复运动；需要有较高的矫顽力，气隙磁场足够大，这样可以得到更大的推力密度；需要尽可能高的剩余磁感应强度，这样磁能积高，电机效率也会提高。
目前直线振荡电机主要使用汝铁硼和铁氧体这两种永磁材料。铁氧体因为不含贵金属，所以成本很低，制作工艺较为简单，但是其最大磁能积较低，机械强度和温度稳定性都比较差，不适合用于作高频运动的永磁直线电机。汝铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，其矫顽力、剩余磁感应强度、最大磁能积和机械强度都比铁氧体高。
本专利采用的是汝铁硼稀土永磁材料，牌号为ndfe35，矫顽力为868ka/m，剩余磁感应强度为1.21t，最大磁能积263-287，去磁曲线接近于直线。
动磁式直线振荡电机的运动部分是径向充磁的永磁体，径向充磁是指永磁体充磁方向是沿着沿着半径方向磁化的。从制作稀土永磁体的工艺来说，整块环形径向充磁的永磁体很难直接加工成型，这是因为永磁体晶粒的易磁化方向必须沿径向成辐射状排列，这种排列方式很难实现定向磁化，并且会由于晶粒成辐射状排列过于整齐导致膨胀时的各向异性导致内应力过大，使得永磁体在冷却时很容易开裂。所以，径向充磁的永磁体很少直接加工成整块环状，本专利采用8块瓦片形的径向充磁永磁体拼接成圆环状，其中每块永磁体的圆心角度为45度，外圈是n极，内圈是s极。永磁体平均工作点选在最大磁能积附近，可以提高永磁体的利用率，根据电机所需电磁推力和行程范围，考虑铁芯饱和情况，合理选择永磁体径向充磁方向的厚度和轴向长度。
圆筒型直线振荡电机的侧向力比电机轴向推力大很多，理论上因为是轴对称结构，所以侧向力被抵消。当由于加工精度等问题导致动子部分偏离气隙中心，侧向力过大会导致摩擦力大大增加。因此，加工组装中必须将动子部分径向位移固定，使动子部分只能向轴向运动。本专利设计的动磁式直线振荡电机动子部分为永磁体，因此需要永磁体支架放置永磁体，通过支架与压缩机活塞相连压缩气体做功。永磁体支架不是电机磁路的组成部分，为了减小电机损耗采用非导磁材料铝合金制成，由于要放置永磁体，支架上需要加工出8个与永磁体形状相匹配的矩形凹槽。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
1.一种直线振荡电机，其特征在于：包括气缸，所述气缸右侧设有前端盖；所述前端盖外侧设有前铁芯；所述前铁芯内侧设有动子，所述动子外侧分布有多个线圈；所述线圈之间设有中铁芯；所述动子另一侧设有后铁芯；所述动子另一端设有弹簧，所述弹簧外部设有后端盖。
2.根据权利要求1所述的直线振荡电机，其特征在于：所述气缸与前端盖之间设有第一垫圈。
3.根据权利要求1所述的直线振荡电机，其特征在于：所述气缸与动子连接安装处设有挡圈和第二垫圈。
4.根据权利要求1所述的直线振荡电机，其特征在于：所述前端盖内部设有轴承，轴承利用第一螺钉固定安装；第一螺钉内部设有第三垫圈。
5.根据权利要求1所述的直线振荡电机，其特征在于：所述后端盖端面上设有第二螺钉和第四垫圈予以固定。
技术总结