CN111064339A - 永磁式摆动电机及其设计、装配方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种永磁式摆动电机及其设计、装配方法，永磁式摆动电机由支架组件、线圈绕组、永磁体、外壳、端盖、动子和轴承装配组成，支架组件由两个支架卡接构成，线圈绕组由两个绕制在绕线槽内的线圈电磁串联而成；永磁体共两对四块并分别安装在两个支架上，两对永磁体构成两个永磁磁场回路并产生两极永磁磁场；外壳包裹住支架和永磁体，外壳轴承室、端盖轴承室内均装有轴承，端盖与外壳后端同轴线安装；转轴、动子铁芯、轴套固定构成动子，动子通过轴承连接耦合套装在永磁式摆动电机不动部分中，动子与支架组件、外壳、端盖皆有间隙，动子铁芯被线圈绕组横向悬空地环绕包围。本申请结构紧凑，材料及空间利用率高，运行稳定可靠，装配维护简单。

Description

永磁式摆动电机及其设计、装配方法

技术领域

本申请涉及一种永磁式摆动(周向来回摆动)电机及其设计、装配方法，主要适用于摆动式小家电的驱动。

背景技术

现代生活中，摆动电机已经普遍应用到诸如电动牙刷、按摩器、洁面器等各种清洁、保健器具用品上。现有技术中的摆动电机的电磁结构不够合理，材料及内部空间利用率低，性能稳定性或可靠性相对差，装配不够简便，生产效率较低。

发明内容

本申请提供一种结构紧凑，体积小，电磁构造较合理，内部空间利用率高，性能稳定，使用可靠，生产、装配方便的永磁式摆动电机及其设计、装配方法。

本申请解决上述技术问题所采用的技术方案包括：一种永磁式摆动电机，所述永磁式摆动电机由支架组件、线圈绕组、永磁体、外壳、端盖、动子和轴承装配组成，所述支架组件、线圈绕组、永磁体、外壳、端盖装配构成永磁式摆动电机不动部分；所述支架组件由两个相同的支架配合卡接构成，所述支架上设置有一个绕线槽，所述线圈绕组由两个绕制在所述绕线槽内的线圈电、磁串联而成(两个线圈按照通电后相互增强磁场的方式进行连接并引出两个出线端)；所述永磁体共四块并分别安装在两个支架上，两对永磁体构成同向并列的两个永磁磁场回路，两对永磁体产生两极永磁磁场，从周向上看四个永磁体外表面极性呈N-S-S-N(或S-N-N-S)顺序在圆周上排列；所述外壳采用低碳钢板制作，外壳包裹住两个支架和两对共四个永磁体并与支架、永磁体之间接触处贴紧，外壳轴承室、端盖轴承室内均装有一个轴承，端盖与外壳后端同轴线配合安装；所述转轴、动子铁芯、轴套固定牢靠构成动子，所述动子通过轴承连接耦合套装在永磁式摆动电机不动部分中，动子与支架组件、外壳、端盖间皆有间隙，所述动子铁芯被线圈绕组横向悬空地环绕包围，线圈绕组未通电时所述动子铁芯悬空地处于支架组件工字型内腔中心并通过其两端被所述永磁体磁场力吸引定位在静态平衡位置；所述线圈绕组通入交变脉冲电流时隔空对动子铁芯激磁，按动子铁芯某端某侧-对应气隙-某端某侧永磁体-外壳-另一端另一侧永磁体-对应气隙-动子铁芯另一端另一侧-动子铁芯某端某侧形成电流磁场回路，在气隙中形成交替改变方向的两极电流磁场(在动子铁芯两端极靴面上表现为交替改变极性的磁极)。

本申请所述四个永磁体相对于转轴轴线对称配置，永磁体的外磁极面为平行于转轴轴线的平面，永磁体外磁极面与动子铁芯外表面(即极靴外表面)之间的间隙形成气隙磁场，所述永磁体的内磁极面内接于外壳的内廓(内壁)，四个永磁体产生两极(形式上采取空间分割成四极，实质上仍然是两极以对应于两极绕组电流磁场)永磁磁场。

本申请所述永磁体外磁极面为平行于转轴轴线的平面(比圆弧面更便于永磁体制作以节约永磁体加工成本，可弥补所带来的气隙磁场分布不均匀的影响)或为以转轴轴线为中心的圆弧面，动子铁芯外表面为以转轴轴线为中心的圆弧面。

本申请所述动子铁芯由软磁薄片材料叠装而成，所述动子铁芯两端为相同且相对于转轴轴线上下对称的铁芯磁极，动子铁芯中心为安装转轴的转轴孔，动子铁芯腰部被线圈绕组横向悬空地包围；每个铁芯磁极分别设置有左右对称的两个极靴，两个极靴中间设置有一个极靴分隔槽，动子铁芯极靴外表面(靠近永磁体外磁极面的那一面)与永磁体外磁极面配合，极靴分隔槽宽度、深度近似相等，为极靴宽度的三分之一到二分之一之间：采用极靴分隔槽并如是选取几何尺寸，以使铁芯磁阻在此处骤变产生齿槽效应力矩，可使电机启摆更快，工作摆幅更稳定，工作电流更小。

特别的，所述动子铁芯极靴外表面为以转轴轴线为中心的圆弧面，永磁体外磁极面与动子铁芯极靴外表面形状及尺寸配合具有间隙，永磁体外磁极面到转轴轴线的距离-动子铁芯极靴外表面半径为磁场气隙长度，磁场气隙长度在0.1～0.5毫米之间。

本申请所述永磁体上、下各形成一对两极永磁磁场(从物理或几何上来说是整个电机两极磁场从空间分割后的一半)，其通过气隙吸引极靴，将动子铁芯吸引在静态(未通电状态)平衡位置(此时，如果将动子旋动一个偏移角度放开，动子受永磁磁场磁力矩作用仍会被吸回该位置)，此磁力矩近似正比于动子的偏移角度，永磁体和动子铁芯极靴的结构配置起到了弹簧片的作用。

本申请所述永磁式摆动电机装配完成后：所述永磁体外磁极面任一点到转轴轴线的距离略大于动子铁芯外表面任一点到转轴轴线的距离，所述永磁体外磁极面任一点至动子铁芯(靠近那一端)外表面的距离在0.1～0.5毫米之间，根据电机具体结构尺寸大小选取适当的气隙长度，可使所述永磁体性能更好地发挥，同时也保证所述永磁体与所述动子铁芯磁极之间不会擦碰，利于制造装配。

本申请两个支架(卡接后)空腔合拢构成支架组件的工字型内腔，工字型内腔上下两边供极靴左右摆动(在摆幅范围内不影响动子铁芯摆动)，以合理、充分地利用支架组件内部有限空间。

本申请所述永磁式摆动电机采用上述结构后，在静态(未通电状态)时，由永磁磁力矩及动子转动惯量(包括负载的转动惯量在内)构成了一个有自身固有频率的弹性-质量机械振动系统，当绕组线圈通入与自身固有频率接近的交变脉冲电流后，电流所产生的两极电流磁场与两极永磁磁场相互作用形成的交变力矩将使系统产生共振，从而将电能量稳定、有效地转换成所需的永磁式摆动电机的摆动机械功率输出。另外，本申请所述永磁式摆动电机可以通过调节交变脉冲电流的占空比来调整输出摆幅和功率，还可通过适当微调交变脉冲电流的频率来改变输出摆幅，以更好适应负载的使用要求。

本申请解决上述技术问题所采用的技术方案还包括：一种永磁式摆动电机的设计方法，其特征是包括以下步骤：

D1.按照负载额定功率P_N和每分钟工作摆动次数N，设定电机的计算功率P_i和工作频率f_e,f_e＝N/60，取P_i＝(1～1.2)P_N(即留一定余量)；

D2.设计永磁式振动电机电磁及结构参数：P_i＝K_ωABD²Lω_e，K_ω—电机常数，A—线负荷密度，B—气隙磁密，D—电枢直径，L—电枢长度，ω_e—额定摆动角速度；

D3.试算弹性-质量机械振动系统的强迫振动效应：动子的摆动按线性系统的微分方程描述：

其中

—摆动角的二阶导数函数，

—摆动角的导数函数，

--摆动角函数，t--时间变量，J--摆动的转动惯量，

—摆动阻尼系数，

—摆动弹性刚度；设电磁力矩T(t)＝T_m sin ωt，其中T_m—电磁力矩幅值；该方程的稳态解为：

—摆动幅值，

ω—摆动角频率变量，

—摆动的相位移角，

ω_d—系统固有角频率，

ζ—阻尼因子，

D4.进一步优化限定永磁式摆动电机参数：1)控制电源基波电压表达式：u(t)＝ηUsin ω_e t，其中t—时间变量，η—电源电压占空比，U—直流电源输出电压，ω_e—交变电压基波角频率，ω_e＝2πf_e；2)等效电路图用相量表示：

其中，

—电源电压，

—线圈绕组反电势，

--线圈绕组电流，R₀—线圈绕组电阻，X₀线圈绕组电抗，j—虚数运算符，就反电势与电源电压同相位的情况画出相量图；3)弹性-质量机械振动系统的位置参数相量图；包括

时的情况和

时的情况，其中

—摆动角相量，

—摆动角速度相量，

—电磁力矩相量，

—摆动的相位移角；

D5.画出动子铁芯摆动过零点前后永磁式摆动电机状态相量图并结合上述(D1～D4)要求，得到系统固有频率设计调整为略低于工作频率且使电源输出的电流与电压同相位或接近同相位综合性能比较好；

D6.抽取满足上述设计(D1～D5)要求的电机样本若干个，测试得出固有频率离散的标准差，然后通过试验调整确定线圈绕组参数及其它结构参数，将永磁式摆动电机的弹性-质量机械振动系统的自身固有频率均值设计在0.85～0.95工作频率(负载要求的最佳频率)倍之间，从而使永磁式摆动电机样本所代表的总体都工作在功率因素较高范围。

本申请解决上述技术问题所采用的技术方案还包括：上述永磁式摆动电机的装配方法，其特征是包括以下步骤：

S1.将两个支架合拢后榫接成支架组件，在两个绕线槽内绕制线圈，构成两个线圈电、磁串联的线圈绕组；

S2.将动子铁芯装在转轴上并固紧，再将转轴后端装上轴套并固紧构成动子；

S3.将两个轴承分别装入外壳轴承室、端盖轴承室内；

S4.将绕好线圈的两个支架分开，将动子铁芯卡在支架空腔上再把两个支架合拢，然后将两对共四个永磁体装到支架组件上，将上述装好的支架组件、线圈绕组、永磁体、动子的合构件装入外壳内；

S5.将已装好轴承的端盖装入外壳后端，再把线圈绕组引线引出并将外壳与端盖固定。

本申请结构紧凑，体积小，材料即内部空间利用率高，工作稳定可靠，性能好，装配维护方便。

附图说明

图1是本申请实施例一个支架的主视示意图。

图2是图1的俯视示意图。

图3是图1的左视示意图。

图4是图1的左视剖视示意图。

图5是本申请实施例外壳的主视剖视示意图。

图6是本申请实施例动子的主视示意图。

图7是图6的横截面剖视示意图。

图8是本申请实施例永磁式摆动电机装配结构的主视剖视示意图。

图9是是图8的俯视剖视示意图。

图10是图8的横截面剖视示意图。

图11是本申请实施例线圈通入正半波脉冲电流时，动子铁芯磁极的极性示意图。

图12是本申请实施例线圈通入负半波脉冲电流时，动子铁芯磁极的极性示意图。

图13是本申请实施例永磁磁场回路示意图。

图14是本申请实施例叠加上线圈绕组通入正半波电流所产生的电流磁场后的磁力线通路(磁场回路)示意图。

图15本申请实施例叠加上线圈绕组通入负半波电流所产生的电流磁场后的磁力线通路(磁场回路)示意图。

图16是本申请实施例的等效电路图。

图17是本申请实施例依据等效电路图画出的物理量相量图。

图18是本申请实施例弹性-质量机械振动系统在相位移角大于0时的物理量相量图。

图19是本申请实施例弹性-质量机械振动系统在相位移角小于0时的物理量相量图。

图20是本申请实施例机电系统在相位移角大于0时的物理量相量图。

图21是本申请实施例机电系统在相位移角小于0时的物理量相量图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本申请作进一步的详细说明，以下实施例是对本申请的解释而本申请并不局限于以下实施例；参见图1～图21，转轴8伸出端(图8左端)为前，其相反端(图8右端)为后；周向是相对转轴8中心线而言的。

本申请所述支架组件用绝缘材料加工(常用工程塑料注塑)而成，由两个相同的支架1榫接构成本申请所述永磁式摆动电机的线圈201和永磁体3的支衬和定位主体，支架1具有半个工字型的空腔(凹槽)103，两个支架1合拢后，在支架组件内部形成完整的类似工字形的内腔(横截面，工字型内腔上下两边稍宽部分供极靴712左右摆动用，参见图3)；所述支架1上设置有一个绕线槽101，两个线圈201串联式分别绕制在两个支架1的两个绕线槽101中；所述支架1上还设置有两个左右对称的永磁体定位槽102，两个永磁体定位槽102之间以适当间隔距离配置在同直径圆弧上(所有永磁体定位槽与转轴8距离相等)，此间隔距离一般取为近似等于一个永磁体3宽度。

本申请所述线圈绕组2由两个绕制在所述绕线槽101内的线圈201电、磁串联而成，线圈201由漆包线整齐排列、紧密绕制，两个线圈201绕制后分别位于转轴8两边对称位置并由过桥线进行电、磁同向连接，线圈绕组2通以电流后产生两极电流磁场。

本申请所述永磁体3的横截面为平行四边形(便于加工)，其充磁方向为其短边方向(图10的上下方向，永磁体3的充磁长度即短边长度)，充磁方向上、下两侧为其磁极，面向转轴8轴线的磁极面为永磁体外磁极面301，与外壳4内壁相接触的磁极面为永磁体内磁极面302，永磁体3内、外磁极面皆为平面，永磁体3体积根据电机所需功率适当选取，永磁体3宽度根据电机所需输出摆幅(5～15度)适当选取；本申请所述永磁式摆动电机共采用四个永磁体3，四个永磁体相对于转轴8轴线(中心线)对称(上下左右均对称，参见图8)配置。

本申请所述外壳4由低碳钢板制成，在其前端设有外壳轴承室401，外壳轴承室401的轴向中心线与转轴8轴线重合，其内廓与所述支架1的外廓配合套接。

本申请所述端盖5由工程塑料注塑而成，其内设有端盖轴承室501，端盖轴承室501的轴向中心线与转轴8轴向中心线重合，与外壳1同心装配铆紧。

本申请所述动子6由动子铁芯7、转轴8和轴套9装配而成，动子铁芯7、转轴8、轴套9的中心线处于同一条直线上并固定牢靠。

所述动子铁芯7由软磁薄片材料叠装而成，所述动子铁芯7上下两端(参见图7)为相同且相对于转轴8中心线上下对称的铁芯磁极71，动子铁芯7中间为安装转轴8的转轴孔，动子铁芯7腰部72(动子铁芯中间与磁极71之间部分)被线圈绕组2横向(图7的左右方向)悬空地包围(上、下两个腰部72分别被线圈绕组2的一个线圈201包围)，两个线圈201电、磁串联连接而成(即通电后形成的电流激磁磁场方向相同，从而在动子铁芯7的两个铁芯磁极71端面形成极性相反的一对磁极)，每个铁芯磁极71分别设置有左右对称的两个极靴712，两个极靴712中间设置有一个极靴712分隔槽711(可近似为半圆形、方形、梯形等形状)，极靴712及极靴712分隔槽711的尺寸根据永磁体3外磁极面301宽度适当选取，动子铁芯极靴712宽度L(参见图7，当极靴712外表面为弧面时指弧线的弦长)取近似等于永磁体3外磁极面301宽度，极靴712中间的分隔槽711宽度与深度近似相等且在极靴712宽度的三分之一到二分之一之间。

所述转轴8为台阶形结构(也可分段镶接而成)，前段直径较大并设有半圆台阶及沟槽以便于连接工作部件(例如牙刷头)，后段直径较小可以少占内部空间，设置轴套9是为了选取更便宜的轴承。

参见图13～图15，本申请两对永磁体(上下各一对，每对从左到右有S-N或N-S两个永磁体)构成同向并列的两个永磁磁场回路31，两对永磁体产生与两极电流磁场对应的两极永磁磁场；所述线圈绕组2通入交变脉冲电流时隔空对动子铁芯7激磁，按动子铁芯7某端某侧-对应气隙11-某端某侧永磁体-外壳4-另一端另一侧永磁体-对应气隙11-动子铁芯7另一端另一侧-动子铁芯7某端某侧形成电流磁场回路21，在动子铁芯7两端形成交替改变方向的两极电流磁场。当为图14状态时，此时电流磁场回路21从动子铁芯7上端左侧-对应(上端左侧)气隙-上端左侧永磁体3-外壳4，然后分两路从外壳4至下端右侧永磁体4-对应(下端右侧)气隙-动子铁芯7下端右侧回到动子铁芯7上端左侧；当为图15状态时，电流磁场回路21从动子铁芯7下端左侧-对应(下端左侧)气隙-下端左侧永磁体3-外壳4，然后分两路从外壳4至上端右侧永磁体4-对应(上端右侧)气隙-动子铁芯7上端右侧回到动子铁芯7下端左侧。所述永磁式摆动电机的工作原理是：本实施例装配完成后，永磁磁力矩及动子转动惯量构成了一个有自身固有频率的弹性-质量机械振动系统，其将随两极电流磁场与两极永磁磁场的相互作用形成的交变力矩产生受迫振动，当该交变力矩的频率与系统自身固有频率相同时，系统将共振而产生较大的摆幅和摆动能量；当线圈绕组2中通入特定频率(此频率为客户负载要求的频率，通常也把由电机结构参数决定的弹性-质量机械振动系统的自身固有频率设计为与此频率接近)的交变脉冲电流后，在动子铁芯7内产生交变两极电流磁场使动子铁芯7磁极71的极性交替改变，从而使动子铁芯7极靴712与电机不动部分所安装的永磁体3外磁极面301相互异性相吸、同性相斥而产生交变力矩，此交变力矩对所述弹性-质量机械振动系统进行激振并与之达成共振(即由两极电流磁场与两极永磁磁场相互作用，再耦合到所述弹性-质量机械振动系统达成共振)，以此实现机电能量转换，驱动动子6稳定、高效地输出与输入电流频率相同的圆周摆动机械功率，最后通过转轴8驱动相关功能负载工作。具体电磁相互作用步骤是：当线圈绕组2通入正半波脉冲电流时，动子铁芯7磁极71产生的极性如图11所示，左上永磁体3外磁极面301和右下永磁体3外磁极面301分别与动子铁芯7左上极靴712和右下极靴712异性相吸，右上永磁体3外磁极面301和左下永磁体3外磁极面301分别与动子铁芯7右上极靴712、左下极靴712同性相斥，从而产生一对由正半波脉冲电流驱动的切向力F+，形成以转轴8线为矩心的逆时针方向力矩T+使动子6逆时针方向转动；当线圈绕组通入负半波脉冲电流时，动子铁芯7磁极71产生的极性如图12所示，右上永磁体3外磁极面301和左下永磁体3外磁极面301分别与动子铁芯7右上、左下极靴712异性相吸，左上永磁体3外磁极面301和右下永磁体3外磁极面301分别与动子铁芯7左上、右下极靴712同性相斥，从而产生反方向的一对由负半波电流驱动的切向力F-，形成以转轴8轴线为矩心的顺时针方向力矩T-；以上过程中，上下两边的永磁体3外磁极面301与动子铁芯7极靴712面始终保持等距离(或近似等距离)气隙，永磁体3外磁极面301与动子铁芯7极靴712相吸所产生的径向磁拉力大小相等、方向相反而相互抵消，不影响摆动力矩的有效作用。

本申请永磁式摆动电机的设计步骤如下：

D1.按照负载额定功率P_N和每分钟工作摆动次数N，设定电机的计算功率P_i和工作(电源)频率f_e,f_e＝N/60，取P_i＝(1～1.2)P_N(即留一定余量)。

D2.按通常电机设计的经典经验公式(适用于摆动工作方式的表达式)：P_i＝K_ωABD²Lω_e，K_ω—电机常数，A—线负荷密度，B—气隙磁密，D—电枢直径，L—电枢长度，ω_e—额定摆动角速度；经循环试算确定摆动电机的各电磁、及结构尺寸参数。

D3.试算弹性-质量机械振动系统的强迫振动效应：当给电机加上交变电压后，有电流流过线圈绕组，将产生电磁力矩T(t)作用在动子上，动子的摆动按线性系统的微分方程描述：

其中

—摆动角的二阶导数(即摆动角加速度)函数，

—摆动角的导数(即摆动角速度)函数，

--摆动角函数，t--时间变量，J--摆动的转动惯量，

—摆动阻尼系数，

—摆动弹性刚度；设电磁力矩T(t)＝T_m sinωt，其中T_m—电磁力矩幅值；该方程的稳态解为：

—摆动幅值，

ω—摆动角频率变量，

—摆动的相位移角，

ω_d—系统固有角频率，

ζ—阻尼因子，

由(式1)、(式2)可知：当摆动角频率ω与固有角频率ω_d相等时动子摆幅最大，相位移角

(达90度)也最大，这时系统处在共振状态，摆动能量充足，因此通常将电机设计在此工作状态即共振频率(固有频率)附近。

D4.进一步研究到整个电机系统：1)电源经过控制、变换后按工作频率f_e和一定占空比η输出交变脉冲方波电压，计算时取其基波表达式：u(t)＝ηU sin ω_e t，其中t—时间变量，U—直流电源(电池)输出电压，ω_e—交变电压基波角频率，ω_e＝2πf_e。2)电机的等效电路如图16所示，用相量表示：

其中，

—电源电压，

—线圈绕组反电势，

—线圈绕组电流，R₀—线圈绕组电阻，X₀线圈绕组电抗，j—虚数运算符，就反电势与电源电压同相位的情况画出相量图(图17)。3)弹性-质量机械振动系统的各参量是空间位置相量，可用相量图来表示，图18是

时的情况，图19是

时的情况，其中

—摆动角相量，

—摆动角速度相量，

—电磁力矩相量，

—摆动的相位移角。

D5.从动子铁芯摆动的电磁过程分析：当动子铁芯摆动过零点(即前述静态平衡位置)时(t＝0)，动子的摆动角速度

处于峰值，此时线圈绕组所产生的反电势e(t)处于峰值，两者同相位，因此可在相量图上将空间和时间相量统一画在一起；由前述D3中式1、式2，就工作点处于共振频率(固有频率)两边的电机系统状态分别作出相量图，图20是ω＞ω_d时(此时

)的各物理量相量关系，图21是ω＞ω_d时(此时

)的各物理量相量关系；因此可以得知，把系统固有频率(即共振频率)设计调整为略低于电源频率的某一工作点，可使电源输出的电流与电压同相位(即

)，此时电路功率因数

将有利于减少电路损耗。

D6.根据一定数量电机样本测试得出固有频率离散的标准差，然后通过试验调整确定线圈绕组参数及其它结构参数，将电机的弹性-质量机械振动系统的固有频率均值设计在0.85～0.95f_e(电源频率)的范围，从而使电机样本所代表的总体都工作在功率因素较高范围。

本实施例永磁式摆动电机的安装步骤：

1.将两个支架1合拢后榫接(卡接)成支架组件，在两边的绕线槽101内绕制线圈201，过桥线将两个线圈201电、磁串联连接构成线圈绕组2。

2.将动子铁芯7装在转轴8上，再将转轴8后端装上轴套9，使各件牢靠固定构成动子6。

3.将两个轴承10分别装入外壳4的外壳轴承室401、端盖5的端盖轴承室501内。

4.将绕好线的两个支架1分开，将动子铁芯7装入其中一个支架1空腔103后再把两个支架1合拢，然后将两对共四个永磁体3装到支架组件上的永磁体3定位槽102内，最后将上述合构件装入外壳4内到位。

5.将已装好轴承9的端盖5装入外壳4后端，再把电引线引出并将外壳4与端盖5铆牢，此时动子6被永磁体3所吸住位于静态(未通电状态)位置，即构成本实施例永磁式摆动电机。

本实施例的优点是：

1.支架1兼顾了绕制线圈201、安装定位永磁体3、及自身安装定位的需要，使得电机结构紧凑，装配简单，空间利用率高。

2.线圈绕组2未布置在动子铁芯7上而是隔空对动子铁芯7进行激磁，其电引出线无须通过电刷和滑环引出，无刷方式提高了本申请所述永磁式摆动电机的可靠性及使用寿命等其它性能。

3.动子铁芯7上不安装永磁体3也不安装线圈201，其结构坚固、制造简单、装配方便。

4.利用极靴分隔槽711使动子铁芯7磁阻在此处骤变，可使电机启摆更快，摆幅更稳定，工作电流更小。

5.外壳4采用低碳钢板制作，作为机械支承件，其强度好、支撑稳定；其同时又作为磁路的导磁件，简化了相关结构，方便批量生产装配。

6.永磁体3既以其磁场磁力构成弹性-质量机械振荡系统的弹性元素而不采用机械弹簧片，也构成机电能量转换系统的主磁场，因此简化了相关结构，提高了材料利用率，增加了电机使用的可靠性和使用寿命。

7.通过设计进行优化，使电机性能更稳定，效率更高。

总之，本实施例永磁式摆动电机结构紧凑，体积小，材料利用率高，运行稳定、可靠，性能好，装配简单。

凡是本申请技术特征和技术方案的简单变形或者组合，应认为落入本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种永磁式摆动电机，其特征是由支架组件、线圈绕组、永磁体、外壳、端盖、动子和轴承装配组成，所述支架组件、线圈绕组、永磁体、外壳、端盖装配构成永磁式摆动电机不动部分；所述支架组件由两个相同的支架配合卡接构成，所述支架上设置有一个绕线槽，所述线圈绕组由两个绕制在所述绕线槽内的线圈电、磁串联而成；所述永磁体共两对四块并分别安装在两个支架上，两对永磁体构成同向并列的两个永磁磁场回路，两对永磁体产生两极永磁磁场；所述外壳包裹住两个支架和两对共四个永磁体并与支架、永磁体之间接触面贴紧，外壳轴承室、端盖轴承室内均装有一个轴承，端盖与外壳后端同轴线配合安装；所述转轴、动子铁芯、轴套固定构成动子，所述动子通过轴承连接耦合套装在永磁式摆动电机不动部分中，动子与支架组件、外壳、端盖皆有间隙，所述动子铁芯被线圈绕组横向悬空地环绕包围。

2.根据权利要求1所述永磁式摆动电机，其特征是：所述线圈绕组未通电时所述动子铁芯两端被永磁体磁场力吸引定位在静态平衡位置，所述线圈绕组通入交变脉冲电流时隔空对动子铁芯激磁，按动子铁芯某端某侧-对应气隙-某端某侧永磁体-外壳-另一端另一侧永磁体-对应气隙-动子铁芯另一端另一侧-动子铁芯某端某侧形成电流磁场回路，在动子铁芯两端形成交替改变极性的两极电流磁场。

3.根据权利要求1所述永磁式摆动电机，其特征是：两对共四个永磁体相对于转轴轴线对称配置。

4.根据权利要求1所述永磁式摆动电机，其特征是：所述动子铁芯由软磁薄片材料叠装而成，所述动子铁芯两端为相同且相对于转轴轴线上下对称的铁芯磁极，动子铁芯中心为安装转轴的转轴孔，动子铁芯腰部被线圈绕组横向悬空地包围；每个铁芯磁极分别设置有左右对称的两个极靴，两个极靴中间设置有一个极靴分隔槽，动子铁芯极靴外表面与永磁体外磁极面配合，极靴分隔槽的宽度、深度均在极靴宽度的三分之一到二分之一之间。

5.根据权利要求1所述永磁式摆动电机，其特征是：所述永磁体外磁极面为平行于转轴轴线的平面或为以转轴轴线为中心的圆弧面。

6.根据权利要求4所述永磁式摆动电机，其特征是：所述动子铁芯极靴外表面为以转轴轴线为中心的圆弧面，永磁体外磁极面与动子铁芯极靴外表面形状及尺寸配合构成间隙，永磁体外磁极面到转轴轴线的距离-动子铁芯极靴外表面半径为磁场气隙长度，磁场气隙长度在0.1~0.5毫米之间。

7.根据权利要求4所述永磁式摆动电机，其特征是：两个支架空腔合拢构成支架组件的工字型内腔，工字型内腔上下两边供极靴左右摆动。

8.根据权利要求1所述永磁式摆动电机，其特征是：所述永磁式摆动电机的自身固有频率在负载要求的最佳频率的0.85~0.95倍之间。

9.一种权利要求1～8任一权利要求所述永磁式摆动电机的设计方法，其特征是包括以下步骤：

D1.按照负载额定功率

和每分钟工作摆动次数N，设定电机的计算功率

和工作频率

,

=N/60，取

；

D2.设计永磁式振动电机电磁及结构参数：

，

—电机常数，A—线负荷密度，B—气隙磁密， D—电枢直径， L—电枢长度，

—额定摆动角速度；

D3.试算弹性-质量机械振动系统的强迫振动效应：动子的摆动按线性系统的微分方程描述：

，其中

—摆动角的二阶导数函数，

（t）—摆动角的导数函数，

（t）--摆动角函数，t--时间变量，J--摆动的转动惯量，

—摆动阻尼系数，

—摆动弹性刚度；设电磁力矩

，其中

—电磁力矩幅值；该方程的稳态解为：

，

—摆动幅值，

(式1)，ω—摆动角频率变量

—摆动的相位移角，

(式2) ，

—系统固有角频率，

；ζ—阻尼因子，

；

D4. 进一步限定永磁式摆动电机参数：1）控制电源电压：

，其中t—时间变量，U—直流电源输出电压，η—电源电压占空比，

—交变电压基波角频率，

；2）等效电路图，用相量表示：

,其中，

—电源电压，

—线圈绕组反电势，

—线圈绕组电流，

—线圈绕组电阻，

线圈绕组电抗，j—虚数运算符，就反电势与电源电压同相位的情况画出相量图；3）弹性-质量机械振动系统的位置参数相量图；包括

时的情况和

其中

—摆动角向量，

—摆动角速度向量，

—电磁力矩向量，

—摆动的相位移角；

D5.画出动子铁芯摆动过零点前后永磁式摆动电机状态相量图并结合上述要求，得到系统固有频率设计调整为略低于工作频率且使电源输出的电流与电压同相位；

D6.设计满足上述要求的电机样本若干个，测试得出固有频率离散的标准差，然后通过试验调整确定线圈绕组参数及其它结构参数，得到永磁式摆动电机的弹性-质量机械振动系统的固有频率均值设计在0.85~0.9

范围。

10.一种权利要求1～8任一权利要求所述永磁式摆动电机的装配方法，其特征是包括以下步骤：

S1.将两个支架合拢后榫接成支架组件，在两个绕线槽内绕制线圈，构成两个线圈电、磁串联的线圈绕组；

S2.将动子铁芯装在转轴上并固紧，再将转轴后端装上轴套并固紧构成动子；

S3.将两个轴承分别装入外壳轴承室、端盖轴承室内；

S4.将绕好线圈的两个支架分开，将动子铁芯卡在支架空腔上再把两个支架合拢，然后将两对共四个永磁体装到支架组件上，将上述装好的支架组件、线圈绕组、永磁体、动子的合构件装入外壳内；

S5.将已装好轴承的端盖装入外壳后端，再把线圈绕组引线引出并将外壳与端盖固定。

Images