CN101604898A - 多相横向磁场永磁直线同步电机 - Google Patents

多相横向磁场永磁直线同步电机 Download PDF

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CN101604898A CNA2009100725359A CN200910072535A CN101604898A CN 101604898 A CN101604898 A CN 101604898A CN A2009100725359 A CNA2009100725359 A CN A2009100725359A CN 200910072535 A CN200910072535 A CN 200910072535A CN 101604898 A CN101604898 A CN 101604898A
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邹继斌
王骞
徐永向
胡建辉
尚静
刘承军
李勇
陆永平
刘彦彬
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多相横向磁场永磁直线同步电机，它涉及直线同步电机。它为解决现有横向磁场.电机其结构均较为复杂、对加工工艺要求较高的问题而提出。定子组件由n个导磁铁芯环、n－1个非导磁支架环和电枢绕组组成；n个导磁铁芯环与n－1个非导磁支架环沿轴向相间排布叠压制成定子铁芯，电枢绕组沿轴向环绕在导磁铁芯环的工字形定子齿上，圆柱形动子铁芯的外表面上沿轴向设置有数量与电机极数相同的由永磁体所构成的永磁体条，相邻两相永磁体条的安装方式为错开极距τ的2/m倍距离排布，m为电机的相数，所述永磁体条由多个充磁方向相反的永磁体沿轴向相间排布构成。它不但结构、加工工艺简单，同时还有高力密度和控制特性高的优点，可广泛应用于国民经济和国防等领域。

Description

多相横向磁场永磁直线同步电机
技术领域
本发明涉及一种直线同步电机，具体涉及一种横向磁场直线同步电机。
背景技术
直线运动与控制系统在国民经济、国防等领域中有着广泛的应用。随着科学技术的发展，对直线运动系统提出了越来越高的要求，包括较大的出力与体积或重量比、灵活的控制特性、结构简单、制造容易等。实现直线运动的电驱动方案有两种。一种方案是传统的旋转电机配合丝杠将旋转运动转换成直线运动，其优点是传统的旋转电机的设计与制造工艺成熟，丝杠系统也有现成的产品，因而实现方便，价格低廉。由于丝杠机构的减速作用，系统出力较大，但是存在结构复杂、丝杠机构损失效率、存在间隙、控制精度变差等不足。另一种实现直线运动的方案是采用直线电机。近年来直线电机发展较快，在很多领域替代传统的旋转电机加丝杠的结构，其特点是不需机械转化即可实现直线运动，不存在间隙。目前直线电机种类包括直流直线电机、直线感应电机、直线同步电机等。各种直线电机均有其特点，但是直线电机共性的不足是输出力密度低，输出力密度低限制了直线电机伺服系统的应用。提高直线电机的力密度是一个重要的研究课题。对于传统磁路结构的直线电机，可以通过优化设计，选用高性能的磁性材料等来提高出力，但其效果是有限的。若大幅度提高直线电机的出力，必须从结构和原理上提出新的思想。在高转矩密度电机方面，近年来横向磁场电机发展较快。横向磁场电机是一种同步电机，具有出力大、体积小、重量轻等特点，在旋转电机中发展很快。然而现有的横向磁场电机其结构均较为复杂，其典型结构如图1所示，该种结构的横向磁场电机的定子元件数较多，对加工工艺要求较高。
发明内容
本发明为了解决现有横向磁场电机其结构均较为复杂、对加工工艺要求较高的问题，而提出的一种多相横向磁场永磁直线同步电机。
多相横向磁场永磁直线同步电机，它由机壳1、前端盖2、后端盖3、两个直线轴承4、动子组件和定子组件组成；前端盖2和后端盖3通过螺栓分别与机壳1的两端固定连接；定子组件采用机械紧配合的方式装设在机壳1的内部，动子组件通过装设在前端盖2和后端盖3上的两个直线轴承4与前端盖2和后端盖3滑动连接，动子组件与定子组件之间留有气隙；所述动子组件由圆柱形动子铁芯5-1、动子轴5-2和多片永磁体5-3组成；动子轴5-2贯穿设置在圆柱形动子铁芯5-1的中心处，动子轴5-2与圆柱形动子铁芯5-1固定连接；圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上设置有数量与电机极数相同的由多个充磁方向相反的永磁体5-3沿轴向相间排布构成的永磁体条；相邻两个永磁体条为电机的一相；相邻两相的永磁体条的安装方式为沿轴向错开极距τ的2/m倍距离排布，m为电机的相数；每相相间相邻的永磁体5-3的充磁方向相反；定子组件由n个导磁铁芯环6-1、n-1个非导磁支架环6-2和电枢绕组7组成；n个导磁铁芯环6-1与n-1个非导磁支架环6-2沿轴向相间排布叠压制成定子铁芯，导磁铁芯环6-1与非导磁支架环6-2的形状和规格均相同；所述导磁铁芯环6-1由数量与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同的工字形定子齿6-1-1构成，所述多个工字形定子齿6-1-1的外端面为与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同等分圆弧共同组成导磁铁芯环6-1的外圆周表面，所述多个工字形定子齿6-1-1的内端面为数量与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同等分圆弧留有间隙地共同组成导磁铁芯环6-1的内表面，所述电枢绕组7沿轴向环绕在与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的每条永磁体条相对应的一组导磁铁芯环6-1的工字形定子齿6-1-1上，所述导磁铁芯环6-1为一体式结构。
多相横向磁场永磁直线同步电机，它由机壳1、前端盖2、后端盖3、两个直线轴承4、动子组件和定子组件组成；前端盖2和后端盖3通过螺栓分别与机壳1的两端固定连接；定子组件采用机械紧配合的方式装设在机壳1的内部，动子组件通过装设在前端盖2和后端盖3上的两个直线轴承4与前端盖2和后端盖3滑动连接，动子组件与定子组件之间留有气隙；所述动子组件由圆柱形动子铁芯5-1、动子轴5-2和多片永磁体5-3组成；动子轴5-2贯穿设置在圆柱形动子铁芯5-1的中心处，动子轴5-2与圆柱形动子铁芯5-1固定连接；圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上设置有数量与电机极数相同的由多个充磁方向相反的永磁体5-3沿轴向相间排布构成的永磁体条；相邻两个永磁体条为电机的一相；相邻两相的永磁体条的安装方式为沿轴向错开极距τ的2/m倍距离排布，m为电机的相数；每相相间相邻的永磁体5-3的充磁方向相反；定子组件由n个导磁铁芯环6-1、n-1个非导磁支架环6-2和电枢绕组7组成；n个导磁铁芯环6-1与n-1个非导磁支架环6-2沿轴向相间排布叠压制成定子铁芯，导磁铁芯环6-1与非导磁支架环6-2的规格相同；非导磁支架环6-2为圆环形结构，所述导磁铁芯环6-1由数量与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同的工字形定子齿6-1-1构成，所述多个工字形定子齿6-1-1的外端面为与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同等分圆弧共同组成导磁铁芯环6-1的外圆周表面，所述多个工字形定子齿6-1-1的内端面为与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同等分圆弧留有间隙地共同组成导磁铁芯环6-1的内表面，所述电枢绕组7沿轴向环绕在与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的每条永磁体条相对应的一组导磁铁芯环6-1的工字形定子齿6-1-1上，所述导磁铁芯环6-1为一体式结构。
本发明不但结构、加工工艺简单，同时还有高力密度和控制特性高的优点，可广泛应用于国民经济和国防等领域。
附图说明
图1为传统三相横向磁场电机的结构示意图，图2本发明的结构示意图；图3为动子组件的结构示意图；图4为具体实施方式一所述导磁铁芯环6-1的结构示意图；图5为具体实施方式四中的非导磁支架环6-2的结构示意图；图6为具体实施方式二或六所述导磁铁芯环6-1的结构示意图；图7为电枢绕组7采用局部式绕法的结构示意图；图8为具体实施方式三或七所述导磁铁芯环6-1的结构示意图；图9为电枢绕组采用整体式绕法的结构示意图；图10为动子外表面三相永磁体的安装位置示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图2、图3、图9、图10说明本实施方式，本实施方式由机壳1、前端盖2、后端盖3、两个直线轴承4、动子组件和定子组件组成；前端盖2和后端盖3通过螺栓分别与机壳1的两端固定连接；定子组件采用机械紧配合的方式装设在机壳1的内部，动子组件通过装设在前端盖2和后端盖3上的两个直线轴承4与前端盖2和后端盖3滑动连接，动子组件与定子组件之间留有气隙；所述动子组件由圆柱形动子铁芯5-1、动子轴5-2和多片永磁体5-3组成；动子轴5-2贯穿设置在圆柱形动子铁芯5-1的中心处，动子轴5-2与圆柱形动子铁芯5-1固定连接；圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上设置有数量与电机极数相同的由多个充磁方向相反的永磁体5-3沿轴向相间排布构成的永磁体条；相邻两个永磁体条为电机的一相；相邻两相的永磁体条的安装方式为沿轴向错开极距τ的2/m倍距离排布，m为电机的相数；每相相间相邻的永磁体5-3的充磁方向相反；定子组件由n个导磁铁芯环6-1、n-1个非导磁支架环6-2和电枢绕组7组成；n个导磁铁芯环6-1与n-1个非导磁支架环6-2沿轴向相间排布叠压制成定子铁芯，导磁铁芯环6-1与非导磁支架环6-2的形状和规格均相同；所述导磁铁芯环6-1由数量与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同的工字形定子齿6-1-1构成，所述多个工字形定子齿6-1-1的外端面为与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同等分圆弧共同组成导磁铁芯环6-1的外圆周表面，所述多个工字形定子齿6-1-1的内端面为数量与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同等分圆弧留有间隙地共同组成导磁铁芯环6-1的内表面，所述电枢绕组7沿轴向环绕在与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的每条永磁体条相对应的一组导磁铁芯环6-1的工字形定子齿6-1-1上，所述导磁铁芯环6-1为一体式结构。
具体实施方式二：结合图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所述导磁铁芯环6-1为极弧系数等于1的分割式铁芯，即导磁铁芯环6-1为数量与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同的工字形定子齿6-1-1构成的分体式铁芯。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8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所述导磁铁芯环6-1为极弧系数小于1的分割式铁芯，即导磁铁芯环6-1为与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同的工字形定子齿6-1-1构成的分体式铁芯，与每相永磁体条相对的两个工字形定子齿6-1-1为一体式结构，每相邻两相永磁体条相对的两个由两个一体式结构工字形定子齿6-1-1构成的定子齿之间留有间隙。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。这种结构可以消除各相之间的耦合。
具体实施方式四：结合图5说明本实施方式，本实施方式由机壳1、前端盖2、后端盖3、两个直线轴承4、动子组件和定子组件组成；前端盖2和后端盖3通过螺栓分别与机壳1的两端固定连接；定子组件采用机械紧配合的方式装设在机壳1的内部，动子组件通过装设在前端盖2和后端盖3上的两个直线轴承4与前端盖2和后端盖3滑动连接，动子组件与定子组件之间留有气隙；所述动子组件由圆柱形动子铁芯5-1、动子轴5-2和多片永磁体5-3组成；动子轴5-2贯穿设置在圆柱形动子铁芯5-1的中心处，动子轴5-2与圆柱形动子铁芯5-1固定连接；圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上设置有数量与电机极数相同的由多个充磁方向相反的永磁体5-3沿轴向相间排布构成的永磁体条；相邻两个永磁体条为电机的一相；相邻两相的永磁体条的安装方式为沿轴向错开极距τ的2/m倍距离排布，m为电机的相数；每相相间相邻的永磁体5-3的充磁方向相反；定子组件由n个导磁铁芯环6-1、n-1个非导磁支架环6-2和电枢绕组7组成；n个导磁铁芯环6-1与n-1个非导磁支架环6-2沿轴向相间排布叠压制成定子铁芯，导磁铁芯环6-1与非导磁支架环6-2的规格相同；非导磁支架环6-2为圆环形结构，所述导磁铁芯环6-1由数量与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同的工字形定子齿6-1-1构成，所述多个工字形定子齿6-1-1的外端面为与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同等分圆弧共同组成导磁铁芯环6-1的外圆周表面，所述多个工字形定子齿6-1-1的内端面为与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同等分圆弧留有间隙地共同组成导磁铁芯环6-1的内表面，所述电枢绕组7沿轴向环绕在与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的每条永磁体条相对应的一组导磁铁芯环6-1的工字形定子齿6-1-1上，所述导磁铁芯环6-1为一体式结构。
具体实施方式五：结合图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同点在于电枢绕组7分别环绕在所有导磁铁芯环6-1的工字形定子齿6-1-1上。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四或五不同点在于所述导磁铁芯环6-1为极弧系数等于1的分割式铁芯，即导磁铁芯环6-1为数量与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同的工字形定子齿6-1-1构成的分体式铁芯。其它组成和连接方式与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：结合图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四或五不同点在于所述导磁铁芯环6-1为极弧系数小于1的分割式铁芯，即导磁铁芯环6-1为数量与圆柱形动子铁芯5-1的外圆周表面上的永磁体条数量相同的工字形定子齿6-1-1构成的分体式铁芯，与每相永磁体条相对的两个工字形定子齿6-1-1为一体式结构，每相邻两相永磁体条相对的两个由两个一体式结构工字形定子齿6-1-1构成的定子齿之间留有间隙。其它组成和连接方式与具体实施方式四或五相同。
本发明包括定子组件和动子组件，定子组件包括导磁铁心环6-1和非导磁支架环6-2，它们沿轴向按顺序叠压，多块永磁体5-3设置在圆柱形动子铁芯5-1上，永磁体5-3沿径向平行充磁，相邻两块永磁体5-3充磁方向相反，各相永磁体5-3沿轴向依次错开极距τ的2/m倍距离，其中m为电机的相数。本电机的磁路与电路在空间上互相垂直，运动方向与绕组的有效边一致，可以通过合理设计电机的极距来提高磁能的变化率，因而能明显提高出力密度。
由于本申请的横向磁场电机各相之间互相解耦，因而可首先针对单相结构进行分析。其工作原理可分析如下：
设永磁体产生的气隙磁场呈正弦分布，则单相绕组所交链的磁链为
ψ＝ψmcosωst
式中，ψm为单相绕组所交链的磁链的幅值，ωs为电角速度， ω s = 2 πv τ , v为动子的机械速度，τ为极距。
定子绕组通以正弦电流时，将产生一个脉振磁场。设定子电流为i＝Imsin(ωet+θ0)，则定子脉振磁场与动子行波磁场产生的电磁推力为
F em = ei v = dψ dt i v
= π τ ψ m I m [ cos ( ω s t + ω e t + θ 0 ) - cos ( ω s t - ω e t - θ 0 ) ]
对于m相的横向磁场电机，动子相互错开2π/m电角度，绕组通以m相对称电流，则上式右端的第一项相互抵消；当电机稳态运行时，ωs＝ωe，故合成电磁推力为
F em = - mπ τ ψ m I m · cos ( ω s t - ω e t - θ 0 )
= - mπ τ ψ m I m · cos θ 0
可以看出，电磁推力与极距成反比，即与电机的极数成正比，因而可通过增大电机的极数来提高电机的力密度。将位置检测和驱动控制电路与该电机本体相结合，即构成直线伺服电机，具有良好的控制特性。

Claims (7)

1、多相横向磁场永磁直线同步电机，它由机壳(1)、前端盖(2)、后端盖(3)、两个直线轴承(4)、动子组件和定子组件组成；前端盖(2)和后端盖(3)通过螺栓分别与机壳(1)的两端固定连接；定子组件采用机械紧配合的方式装设在机壳(1)的内部，动子组件通过装设在前端盖(2)和后端盖(3)上的两个直线轴承(4)与前端盖(2)和后端盖(3)滑动连接，动子组件与定子组件之间留有气隙；其特征在于所述动子组件由圆柱形动子铁芯(5-1)、动子轴(5-2)和多片永磁体(5-3)组成；动子轴(5-2)贯穿设置在圆柱形动子铁芯(5-1)的中心处，动子轴(5-2)与圆柱形动子铁芯(5-1)固定连接；圆柱形动子铁芯(5-1)的外圆周表面上设置有数量与电机极数相同的由多个充磁方向相反的永磁体(5-3)沿轴向相间排布构成的永磁体条；相邻两个永磁体条为电机的一相；相邻两相的永磁体条的安装方式为沿轴向错开极距τ的2/m倍距离排布，m为电机的相数；每相相间相邻的永磁体(5-3)的充磁方向相反；定子组件由n个导磁铁芯环(6-1)、n-1个非导磁支架环(6-2)和电枢绕组(7)组成；n个导磁铁芯环(6-1)与n-1个非导磁支架环(6-2)沿轴向相间排布叠压制成定子铁芯，导磁铁芯环(6-1)与非导磁支架环(6-2)的形状和规格相同；所述导磁铁芯环(6-1)由数量与圆柱形动子铁芯(5-1)的外圆周表面上的永磁体条数量相同的工字形定子齿(6-1-1)构成，所述多个工字形定子齿(6-1-1)的外端面为与圆柱形动子铁芯(5-1)的外圆周表面上的永磁体条数量相同等分圆弧共同组成导磁铁芯环(6-1)的外圆周表面，所述多个工字形定子齿(6-1-1)的内端面为与圆柱形动子铁芯(5-1)的外圆周表面上的永磁体条数量相同等分圆弧留有间隙地共同组成导磁铁芯环(6-1)的内表面，所述电枢绕组(7)沿轴向环绕在与圆柱形动子铁芯(5-1)的外圆周表面上的每条永磁体条相对应的一组导磁铁芯环(6-1)的工字形定子齿(6-1-1)上，所述导磁铁芯环(6-1)为一体式结构。
2、根据权利要求1所述的多相横向磁场永磁直线同步电机，其特征在于所述导磁铁芯环(6-1)为极弧系数等于1的分割式铁芯，即导磁铁芯环(6-1)为数量与圆柱形动子铁芯(5-1)的外圆周表面上的永磁体条数量相同的工字形定子齿(6-1-1)构成的分体式铁芯。
3、根据权利要求1所述的多相横向磁场永磁直线同步电机，其特征在于所述导磁铁芯环(6-1)为极弧系数小于1的分割式铁芯，即导磁铁芯环(6-1)为数量与圆柱形动子铁芯(5-1)的外圆周表面上的永磁体条数量相同的工字形定子齿(6-1-1)构成的分体式铁芯，与每相永磁体条相对的两个工字形定子齿(6-1-1)为一体式结构，每相邻两相永磁体条相对的两个由两个一体式结构工字形定子齿(6-1-1)构成的定子齿之间留有间隙。
4、多相横向磁场永磁直线同步电机，它由机壳(1)、前端盖(2)、后端盖(3)、两个直线轴承(4)、动子组件和定子组件组成；前端盖(2)和后端盖(3)通过螺栓分别与机壳(1)的两端固定连接；定子组件采用机械紧配合的方式装设在机壳(1)的内部，动子组件通过装设在前端盖(2)和后端盖(3)上的两个直线轴承(4)与前端盖(2)和后端盖(3)滑动连接，动子组件与定子组件之间留有气隙；其特征在于所述动子组件由圆柱形动子铁芯(5-1)、动子轴(5-2)和多片永磁体(5-3)组成；动子轴(5-2)贯穿设置在圆柱形动子铁芯(5-1)的中心处，动子轴(5-2)与圆柱形动子铁芯(5-1)固定连接；圆柱形动子铁芯(5-1)的外圆周表面上设置有数量与电机极数相同的由多个充磁方向相反的永磁体(5-3)沿轴向相间排布构成的永磁体条；相邻两个永磁体条为电机的一相；相邻两相的永磁体条的安装方式为沿轴向错开极距τ的2/m倍距离排布，m为电机的相数；每相相间相邻的永磁体(5-3)的充磁方向相反；定子组件由n个导磁铁芯环(6-1)、n-1个非导磁支架环(6-2)和电枢绕组(7)组成；n个导磁铁芯环(6-1)与n-1个非导磁支架环(6-2)沿轴向相间排布叠压制成定子铁芯，导磁铁芯环(6-1)与非导磁支架环(6-2)的规格相同；非导磁支架环(6-2)为圆环形结构，所述导磁铁芯环(6-1)由数量与圆柱形动子铁芯(5-1)的外圆周表面上的永磁体条数量相同的工字形定子齿(6-1-1)构成，所述多个工字形定子齿(6-1-1)的外端面为与圆柱形动子铁芯(5-1)的外圆周表面上的永磁体条数量相同等分圆弧共同组成导磁铁芯环(6-1)的外圆周表面，所述多个工字形定子齿(6-1-1)的内端面为与圆柱形动子铁芯(5-1)的外圆周表面上的永磁体条数量相同等分圆弧留有间隙地共同组成导磁铁芯环(6-1)的内表面，所述电枢绕组(7)沿轴向环绕在与圆柱形动子铁芯(5-1)的外圆周表面上的每条永磁体条相对应的一组导磁铁芯环(6-1)的工字形定子齿(6-1-1)上，所述导磁铁芯环(6-1)为一体式结构。
5、根据权利要求4所述的多相横向磁场永磁直线同步电机，其特征在于电枢绕组(7)分别环绕在所有导磁铁芯环(6-1)的工字形定子齿(6-1-1)上。
6、根据权利要求4或5所述的多相横向磁场永磁直线同步电机，其特征在于所述导磁铁芯环(6-1)为极弧系数等于1的分割式铁芯，即导磁铁芯环(6-1)为数量与圆柱形动子铁芯(5-1)的外圆周表面上的永磁体条数量相同的工字形定子齿(6-1-1)构成的分体式铁芯。
7、根据权利要求4或5所述的多相横向磁场永磁直线同步电机，其特征在于所述导磁铁芯环(6-1)为极弧系数小于1的分割式铁芯，即导磁铁芯环(6-1)为数量与圆柱形动子铁芯(5-1)的外圆周表面上的永磁体条数量相同的工字形定子齿(6-1-1)构成的分体式铁芯，与每相永磁体条相对的两个工字形定子齿(6-1-1)为一体式结构，每相邻两相永磁体条相对的两个由两个一体式结构工字形定子齿(6-1-1)构成的定子齿之间留有间隙。
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