CN101582625A - 并联磁路圆筒型单相永磁同步直线电机及其驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

并联磁路圆筒型单相永磁同步直线电机及其驱动控制系统。它涉及电机领域，它解决了现有直线电机电枢铁心加工工艺复杂，成本高，涡流损耗大的问题；以及现有电机驱动控制系统体积大、难以集成的缺点，电机的电枢铁心包括i+1个圆环形铁心段和i个铁心段间隔环；所述的i+1个圆环形铁心段与i个铁心段间隔环沿轴向依次间隔排列；一个圆环形铁心段与一个铁心段间隔环轴向厚度之和等于2τ_p，其中τ_p为永磁体极距；每个电枢铁心的内圆周上沿轴向均匀开有2n个齿槽，其中n为正整数，电枢绕组的每个线圈缠绕在电枢铁心的每个齿上，并且电枢铁心相邻齿上的线圈绕向相反，电枢铁心的齿上所有线圈串联为电枢绕组。它在直线压缩机及斯特林发电机系统中具有应用前景。

Description

并联磁路圆筒型单相永磁同步直线电机及其驱动控制系统

技术领域

本发明具体涉及一种永磁同步直线电机及其驱动控制系统。

背景技术

短行程直线电机的一种常见结构如图9所示。电机的运动部分是永磁体，通过动子支架与弹簧连接在一起。工作磁场由两部分组成，一部分是励磁线圈产生的交变磁场，另一部分是由永磁体产生的恒定磁场。该结构为环状，外铁轭及内铁轭都为固定部分，永磁体安装在非导磁、非导电支架上，永磁体外圆周面的极性相同，当绕组通入交变电流，绕组磁场会与永磁体磁场相作用产生交变的推力，推动永磁体沿轴向做往复直线运动。

当电枢铁心采用硅钢片叠成时，由于叠片方向为周向，铁心叠片工艺复杂，加工成本高；如果采用实心铁心，虽然工艺简单、成本低，但铁心会产生更大的涡流损耗，大大降低电机的效率。永磁体支架的制作、加工上，难度较大。而且当次级极距较小时，电机的材料利用率低，性能变差。动子的结构强度和可靠性较差，散热效果不好、温升高，不适合做成大功率直线启动发电机系统。

发明内容

本发明为了解决现有直线电机电枢铁心采用硅钢片叠成的结构加工工艺复杂，成本高，如采用实心铁心的结构会产生较大的涡流损耗；同时还存在永磁体支架制作、加工难度大，次级极距要求大的问题，以及现有电机驱动控制系统体积大、难以集成的缺点，而提出的并联磁路圆筒型单相永磁同步直线电机及其驱动控制系统。

并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机，它包括初级、次级、气隙和动子支撑板簧；次级包括永磁体阵列和轴筒；永磁体阵列固定设置在轴筒上；初级包括电枢和机壳；电枢包括电枢铁心和电枢绕组；电枢铁心包括i+1个圆环形铁心段和i个铁心段间隔环，其中i为正整数；所述的i+1个圆环形铁心段与i个铁心段间隔环沿轴向依次间隔排列；一个圆环形铁心段与一个铁心段间隔环轴向厚度之和等于2τ_p，其中τ_p为永磁体极距；每个电枢铁心的内圆周上沿轴向均匀开有2n个齿槽，其中n为正整数，电枢绕组的每个线圈缠绕在电枢铁心的每个齿上，并且电枢铁心相邻齿上的线圈绕向相反，电枢铁心的齿上所有线圈串联连接组成电枢绕组。动子支撑板簧的弹性系数K_t、动子总质量m_t与动子往复运动频率f_e之间满足关系 $f_e=\sqrt{K_t/m_t}/2\mathrm{\π}.$

并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机驱动控制系统，并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机、功率变换器和系统控制器组成；系统控制器的控制端连接功率变换器的受控端，功率变换器的输出端连接并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机的启动端。

本发明的并联磁路圆筒型单相永磁同步直线电机系统的结构简单、效率高，散热效果好、温升低，电流控制容易，动子的结构强度与可靠性高，初级电机极距与齿距的最优化从而解决了涡流大的问题，其驱动控制可实现模块化，以及动子支撑板簧制作简单以及对次级极距要求低的优点。本发明的磁路并联结构直线启动发电机及其驱动控制系统在直线压缩机及斯特林发电机系统中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的直线电机结构示意图；图2是本发明的直线电机左视图；图3是永磁体阵列5在具体实施二中平面展开示意图；图4是永磁体阵列5在具体实施三中平面展开示意图；图5是具体实施方式六次级的左视图；图6是具体实施方式六中次级结构示意图；图7是H桥变换器的拓扑结构示意图；图8是电容分压半桥变换器的拓扑结构示意图；图9是现有短行程直线电机结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括初级、次级、气隙和动子支撑板簧；次级包括永磁体阵列5和轴筒6；永磁体阵列5固定设置在轴筒6上；初级包括电枢1和机壳2；电枢1包括电枢铁心3和电枢绕组4；电枢铁心3包括i+1个圆环形铁心段31和i个铁心段间隔环32，其中i为正整数；所述的i+1个圆环形铁心段31与i个铁心段间隔环32沿轴向依次间隔排列；一个圆环形铁心段31与一个铁心段间隔环32轴向厚度之和等于2τ_p，其中τ_p为永磁体极距；每个电枢铁心3的内圆周上沿轴向均匀开有2n个齿槽，其中n为正整数，电枢绕组4的每个线圈缠绕在电枢铁心3的每个齿上，并且电枢铁心3相邻齿上的线圈绕向相反，电枢铁心3的齿上所有线圈串联连接组成电枢绕组4。机壳2采用例如铝合金、钛合金等的轻质材料。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于次级还包括2n个非磁性间隔条7，永磁体阵列5包括m个扇形永磁体52和m-1个瓦片形永磁体51，扇形永磁体52为轴向充磁，瓦片形永磁体51为径向充磁，m个扇形永磁体52和m-1个瓦片形永磁体51沿轴向相间排组成一列永磁条，2n列永磁条与2n条非磁性间隔条7沿圆周方向相间排列，每轴向或者圆周方向相邻的两块扇形永磁体52的充磁方向相反；每轴向或者圆周方向相邻的两块瓦片形永磁体51的充磁方向相反；与上表面为N极的瓦片形永磁体51相邻的两块扇形永磁体52的充磁方向均指向所述瓦片形永磁体51；与上表面为S极的瓦片形永磁体51相邻的两块扇形永磁体52的充磁方向均为背向所述瓦片形永磁体51。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于次级还包括2n个非磁性间隔条7，永磁体阵列5包括m个扇形永磁体52和m-1个瓦片形导磁轭53，扇形永磁体52为轴向充磁，m个扇形永磁体52和m-1个瓦片形导磁轭53沿轴向相间排列组成一列永磁条，2n列永磁条与2n条非磁性间隔条7沿圆周方向相间排列，每轴向或者圆周方向相邻的两块扇形永磁体52的充磁方向相反。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于次级还包括次级铁心，次级铁心包括j+1个次级圆环形导磁轭8和j个次级隔磁环9，其中j为正整数；j+1个次级圆环形导磁轭8与j个次级隔磁环9沿轴向依次间隔排列在轴筒6上，永磁体阵列5包括4n×j个平板形永磁体54，平板形永磁体54沿厚度方向平行充磁，4n个平板形永磁体54嵌入一个次级圆环形导磁轭8中的，所述的4n个平板形永磁体54沿圆周方向平均分为2n个磁极，所述的每个磁极由两块平板形永磁体54组成，所述的两块平板形永磁体54产生的磁力线并联，所述的两块平板形永磁体54在圆周方向所形成的角度为360°/(2n)～180°；每相邻的两个磁极的永磁体的充磁方向相反，沿轴向每相邻两个圆环形导磁轭8中平板形永磁体54的充磁方向相反。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同点在于动子支撑板簧的弹性系数K_t、动子总质量m_t与动子往复运动频率f_e之间满足关系 $f_e=\sqrt{K_t/m_t}/2\mathrm{\π}.$ 其它组成和连接方式与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同点在于铁心段间隔环32由非导磁材料构成。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图7和图8说明本实施方式，本实施方式为并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机驱动控制系统，其特征在于它由并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机、功率变换器和系统控制器组成；系统控制器的控制端连接功率变换器的受控端，功率变换器的输出端连接并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机的启动端。

具体实施方式八：结合图7和图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式七不同点在于功率变换器为H桥变换器或电容分压半桥变换器。其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (8)

1、并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机，它包括初级、次级、气隙和动子支撑板簧；次级包括永磁体阵列(5)和轴筒(6)；永磁体阵列(5)固定设置在轴筒(6)上；初级包括电枢(1)和机壳(2)；电枢(1)包括电枢铁心(3)和电枢绕组(4)；其特征在于电枢铁心(3)包括i+1个圆环形铁心段(31)和i个铁心段间隔环(32)，其中i为正整数；所述的i+1个圆环形铁心段(31)与i个铁心段间隔环(32)沿轴向依次间隔排列；一个圆环形铁心段(31)与一个铁心段间隔环(32)轴向厚度之和等于2τ_p，其中τ_p为永磁体极距；每个电枢铁心(3)的内圆周上沿轴向均匀开有2n个齿槽，其中n为正整数，电枢绕组(4)的每个线圈缠绕在电枢铁心(3)的每个齿上，并且电枢铁心(3)相邻齿上的线圈绕向相反，电枢铁心(3)的齿上所有线圈串联连接组成电枢绕组(4)。

2、根据权利要求1所述的并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机，其特征在于次级还包括2n个非磁性间隔条(7)，永磁体阵列(5)包括m个扇形永磁体(52)和m-1个瓦片形永磁体(51)，扇形永磁体(52)为轴向充磁，瓦片形永磁体(51)为径向充磁，m个扇形永磁体(52)和m-1个瓦片形永磁体(51)沿轴向相间排组成一列永磁条，2n列永磁条与2n条非磁性间隔条(7)沿圆周方向相间排列，每轴向或者圆周方向相邻的两块扇形永磁体(52)的充磁方向相反；每轴向或者圆周方向相邻的两块瓦片形永磁体(51)的充磁方向相反；与上表面为N极的瓦片形永磁体(51)相邻的两块扇形永磁体(52)的充磁方向均指向所述瓦片形永磁体(51)；与上表面为S极的瓦片形永磁体(51)相邻的两块扇形永磁体(52)的充磁方向均为背向所述瓦片形永磁体(51)。

3、根据权利要求1所述的并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机，其特征在于次级还包括2n个非磁性间隔条(7)，永磁体阵列(5)包括m个扇形永磁体(52)和m-1个瓦片形导磁轭(53)，扇形永磁体(52)为轴向充磁，m个扇形永磁体(52)和m-1个瓦片形导磁轭(53)沿轴向相间排列组成一列永磁条，2n列永磁条与2n条非磁性间隔条(7)沿圆周方向相间排列，每轴向或者圆周方向相邻的两块扇形永磁体(52)的充磁方向相反。

4、根据权利要求1所述的并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机，其特征在于次级还包括次级铁心，次级铁心包括j+1个次级圆环形导磁轭(8)和j个次级隔磁环(9)，其中j为正整数；j+1个次级圆环形导磁轭(8)与j个次级隔磁环(9)沿轴向依次间隔排列在轴筒(6)上，永磁体阵列(5)包括4n×j个平板形永磁体(54)，平板形永磁体(54)沿厚度方向平行充磁，4n个平板形永磁体(54)嵌入一个次级圆环形导磁轭(8)中的，所述的4n个平板形永磁体(54)沿圆周方向平均分为2n个磁极，所述的每个磁极由两块平板形永磁体(54)组成，所述的两块平板形永磁体(54)产生的磁力线并联，所述的两块平板形永磁体(54)在圆周方向所形成的角度为360°/(2n)～180°；每相邻的两个磁极的永磁体的充磁方向相反，沿轴向每相邻两个圆环形导磁轭(8)中平板形永磁体(54)的充磁方向相反。

5、根据权利要求1、2、3或4所述的并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机，其特征在于动子支撑板簧的弹性系数K_t、动子总质量m_t与动子往复运动频率f_e之间满足关系 $f_e=\sqrt{K_t/m_t}/2\mathrm{\π}.$

6、根据权利要求1所述的，其特征在于铁心段间隔环(32)由非导磁材料构成。

7、并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机驱动控制系统，其特征在于它由并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机、功率变换器和系统控制器组成；系统控制器的控制端连接功率变换器的受控端，功率变换器的输出端连接并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机的启动端。

8、根据权利要求7所述的并联磁路圆筒型单相永磁直线同步电机驱动控制系统，其特征在于功率变换器为H桥变换器或电容分压半桥变换器。

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