CN101291099A - 永磁Halbach直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁Halbach直线电机，包括初级铁心、初级绕组、次级Halbach永磁体、次级铁心，初级铁心同次级Halbach永磁体间有气隙，初级绕组绕在初级铁心上，初级绕组通过三相电流；还包括一气隙补偿绕组，气隙补偿绕组同初级绕组并行绕在初级铁心上，气隙补偿绕组接控制电路。气隙补偿绕组可以通过控制电路，进行d轴补偿，使它正好抵消电枢电流对气隙的影响，从而有效地实现悬浮控制，稳定气隙高度。本发明永磁Halbach直线电机由于增加了气隙补偿绕组，能够在产生较强的悬浮力和推进力的同时，容易实现气隙悬浮控制，稳定气隙高度。
Description
技术领域
本发明涉及一种直线电机，特别涉及一种永磁Halbach直线电机。
背景技术
直线电机磁悬浮技术是基于定子(初级)与转子(次级)间电磁力的相互作用。这种相互作用力分为牵引方向的力和悬浮方向的力，悬浮力主要由次级的磁场提供，牵引力主要由初级绕组三相电流产生。
直线电机最大的特点是定转子之间能无摩擦运动，没有机械损耗，因此可以应用于高速磁悬浮列车、机床电气、舰载飞机发射等。另外很多设备需要进行直线运动，在直线电机得到应用之前，必须通过直线转换器等中间机构来转换，由此系统复杂，成本增加。目前常导直线电机虽在高速磁悬浮列车中得到应用，但是其气隙磁通密度偏低，以致于这种形式的直线电机的悬浮力和推力较低。
中国发明专利公开说明书CN 1885692A公开了一种“内置式永磁直线电机”，如图1所示，包括初级铁心1、初级绕组2、次级Halbach永磁体3、次级铁心4、极靴5，在初级铁心1的内侧即面向次级铁心4的一侧设有初级绕组2，在次级铁心4的内侧即面向初级铁心1的一侧设有次级Halbach永磁体3，在次级Halbach永磁体3的上面设有极靴5，极靴5与初级铁心1之间留有间隙。因在次级转子铁心内部安置Halbach永磁体，永磁体固定得很好，因此对永磁体的机械强度要求相对低，容易实现弱磁控制；内置式永磁直线电机转子产生正弦波励磁磁场，使直线电机转子悬浮起来，转子Halbach永磁体采用稀土永磁材料，由不同充磁方向的永磁体有序地组合而成，使永磁体一边的磁场加强，另外一边的磁场减弱，在磁极的上方产生很强的磁场，而在齐下方的磁场比较弱；此永磁直线电机能产生较强的悬浮力和推进力；初级定子通三相交流电后产生行波磁场，此磁场和励磁磁场相互作用后，产生电磁推力使转子部分直线运动，由于初级定子电枢电流产生的电枢反应，会使气隙磁场发生变化，引起悬浮力发生变化，或者转子负载变化也会导致纵向的合力不平衡，使转子的气隙高度不稳定，情况严重时会导致转子不能悬浮起来，由于转子是永磁体，因此它产生的磁场不能随外部变化而调节，因此不能解决这个问题，不容易实现气隙悬浮控制，稳定气隙高度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种永磁Halbach直线电机，其能产生较强的悬浮力和推进力，并且能实现气隙悬浮控制，稳定气隙高度。
为解决上述技术问题，本发明永磁Halbach直线电机包括初级铁心、初级绕组、次级Halbach永磁体、次级铁心，初级铁心同次级Halbach永磁体间有气隙，初级绕组绕在初级铁心上，初级绕组通过三相电流；还包括气隙补偿绕组，气隙补偿绕组同初级绕组并行绕在初级铁心上，气隙补偿绕组接控制电路。
本发明永磁Halbach直线电机，其气隙补偿绕组可以通过控制电路来进行d轴磁势补偿。计算表明悬浮力直接与d轴磁势相关，而q轴磁势对它几乎没有影响。基于这个原理，本发明永磁Halbach直线电机，气隙补偿绕组通过外接控制电路产生的磁势和原电枢绕组磁势的d轴分量大小相等，方向相反，使它正好抵消电枢电流对气隙的影响，从而有效地实现悬浮控制，稳定气隙高度。
附图说明
图1是CN 1885692A公开的内置式永磁直线电机结构示意图；
图2是本发明永磁Halbach直线电机结构示意图；
图3是永磁Halbach阵列；
图4是气隙补偿绕组A相绕组的连接方式示意图；
图5是无气隙补偿绕组时气隙磁势示意图；
图6是有气隙补偿绕组时气隙磁势示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明永磁Halbach直线电机如图2所示，包括初级铁心1、初级绕组2、次级Halbach永磁体3、次级铁心4，初级铁心1同次级Halbach永磁体3间有气隙5，初级绕组2绕在初级铁心上，初级绕组2通过三相电流；还包括一气隙补偿绕组7，气隙补偿绕组同初级绕组并行绕在初级铁心上，气隙补偿绕组是用来实现d轴磁势补偿，实现气隙补偿。次级(转子)Halbach永磁体3如图3所示，采用稀土永磁材料，由多块永磁体组成，每块永磁体之间的充磁方向成一定的角度，不同充磁方向的永磁体有序地组合形成Halbach阵列，图3示出的充磁方向为顺时针方向以90°度间隔转动，夹角为90°度，也有45°度、60°度的，使永磁体一边的磁场加强，另外一边的磁场减弱。初级(定子)绕组是三相绕组，采用铜材料构成，空间对称，时间相序也对称，相差120°，绕在初级(定子)铁心上，绕组通电产生一个行波磁场；初级(定子)上的气隙补偿绕组7材料和其它绕组相同，绕组结构如图4所示，图中画出了A相绕组的连接方式，气隙补偿绕组同初级绕组的A相绕组并行绕在初级铁心上，并接控制电路。
励磁磁势是由次级Halbach永磁体3提供的，在忽略初级齿槽的影响下，它在气隙5产生一个正弦波磁场，磁通密度的幅值达到1特斯拉以上；初级绕组2通过三相电流，产生行波磁场，在次级上产生牵引力，促使次级产生运动；次级Halbach永磁体3的充磁方向按图3排列，因此它能在空间产生一个正弦分布磁场，它在磁体的上方产生强磁场，而在磁体的下方磁场较弱。在初级铁心1的每个齿槽中有两个绕组，一个是常规初级绕组6，另一个是气隙补偿绕组7。在没有气隙补偿绕组、没有电枢电流的情况下，气隙磁势是由励磁磁势提供的，当电枢绕组通有电流时，如图5所示，气隙磁势F由励磁磁势Ff和电枢反应磁势Fa相互作用产生，气隙磁势F的d轴分量同励磁磁势Ff在同一轴向上，q轴分量垂直于励磁磁势Ff，由于励磁磁势Ff是个定值，因此电枢反应磁势Fa会发生变化，势必引起气隙磁势F的变化，使气隙磁势F的的d轴分量Fd发生变化而不等于Ff。加入气隙补偿绕组后，如图6所示，气隙补偿绕组的电流由外部电源通过控制电路提供，使补偿绕组的电流相位始终在d轴上，电流的大小由控制电路来决定，产生的感应磁势Fr轴线与电枢电流产生的电枢反应磁势Fa的d轴分量在同一轴线上，并且方向相反，使它正好能抵消电枢电流产生的d轴磁势分量，维持气隙磁势不变，从而更有效地实现悬浮控制，稳定气隙高度。
永磁Halbach直线电机产生的气隙磁场高，能提供更大的悬浮力和牵引力，通过有限元数值计算，在相同的气隙长度、相同的定子(初级)电流，相同的功角条件下，同常导直线电机相比悬浮力增加30％，推进力增加10％；定子(初级)上增加补偿绕组，能稳定气隙高度，使这种直线电机的稳定性能提高，它的存在有几个优点：1)通过气隙补偿绕组对气隙磁场进行补偿，维持气隙稳定；2)Halbach结构在磁极的上方产生很强的磁场，而在齐下方的磁场比较弱；3)此直线电机能产生较强的悬浮力和推进力。
Claims (2)
1、一种永磁Halbach直线电机，包括初级铁心、初级绕组、次级Halbach永磁体、次级铁心，初级铁心同次级Halbach永磁体间有气隙，初级绕组绕在初级铁心上，初级绕组通过三相电流；其特征在于，还包括气隙补偿绕组，气隙补偿绕组同初级绕组并行绕在初级铁心上，气隙补偿绕组接控制电路。
2、根据权利要求1所述的永磁Halbach直线电机，其特征在于，Halbach永磁体的充磁方向为顺时针方向以90°度间隔转动。
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