CN101777821A

CN101777821A - 集中绕组分段式永磁同步直线电机

Info

Publication number: CN101777821A
Application number: CN 201010144506
Authority: CN
Inventors: 李立毅; 马明娜; 寇宝泉; 李鹏
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2010-07-14

Abstract

集中绕组分段式永磁同步直线电机，属于直线电机技术领域，它解决了现有长初级动磁钢型永磁同步直线电机的定子绕组同时通电，系统运行效率低的问题。它的电枢设置在机座上表面的中间，机座的上表面上位于电枢的两侧设置一对导轨，一对导轨与一对滑块滑动配合连接，一对滑块与动子体固定连接，多对永磁体在动子体的内侧表面上沿运动方向呈一行多列式排布，永磁体与电枢之间为气隙；多段电枢铁心沿动子体的运动方向顺次紧密相接，电枢铁心为齿槽结构，每段电枢铁心的齿槽中嵌放一段电枢绕组，每段电枢绕组均为集中绕组，相邻的两段电枢绕组在每段电枢铁心的端部交叠嵌放，形成交叠区的长度等于绕组节距，绕组节距为1。本发明适用于大载荷推进系统。

Description

集中绕组分段式永磁同步直线电机

技术领域

本发明涉及一种集中绕组分段式永磁同步直线电机，属于直线电机技术领域。

背景技术

直线电机是一种直接产生直线运动的新型驱动装置，它将电能转换成直线运动的机械能，与非直线电机相比，它省去了丝杠、齿轮齿条等中间传动环节，具有结构简单、响应速度快和精度高等优点，它在降低制造成本的同时，使系统的效率提高。

平板形永磁同步直线电机根据运动部件的不同可分为两种类型：动电枢型和动磁钢型。前者的动子由电枢构成，多个永磁体构成了电机的定子。这种结构的永磁同步直线电机，由于在动子电枢运动时存在导线拖曳，定子上永磁体需进行大面积的防护等问题，并同时存在齿槽效应和端部效应的影响，其定位力较大；而动磁钢型永磁同步直线电机动子结构简单，不需接线，重量较轻，同时电机定位力较小。但是，对于这种长初级动磁钢型永磁同步直线电机，在电机运行时，动子从定子一端运动到另一端期间，整个行程内的定子绕组都同时通电，而起到产生电磁推力的绕组仅为与动子耦合的一段，其它通电部分只起到产生损耗的负面作用，导致了系统运行效率的降低，并且整个电枢绕组的电感较大，会增加控制的难度和成本。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有长初级动磁钢型永磁同步直线电机的定子绕组同时通电，系统运行效率低的问题，而提供一种集中绕组分段式永磁同步直线电机。

本发明包括机座、电枢、一对导轨、一对滑块、多对永磁体和动子体，

电枢设置在机座上表面的中间，机座的上表面上位于电枢的两侧设置一对导轨，一对导轨与一对滑块滑动配合连接，一对滑块与动子体固定连接，多对永磁体在动子体的内侧表面上沿运动方向呈一行多列式排布，永磁体与电枢之间为气隙；

电枢由多段电枢铁心和多段电枢绕组组成，多段电枢铁心沿动子体的运动方向顺次紧密相接，电枢铁心为齿槽结构，每段电枢铁心的齿槽中嵌放一段电枢绕组，每段电枢绕组均为集中绕组，并由多个圆环形线圈顺次连接组成，相邻的两段电枢绕组在每段电枢铁心的端部交叠嵌放，所形成的交叠区的长度等于绕组节距，所述绕组节距为1。

本发明的优点是：本发明为长初级平板型永磁同步直线电机，针对现有的动磁式永磁同步直线电机的长初级绕组在完全通电时效率低下的问题，本发明的长初级定子电枢铁心和电枢绕组采用分段的形式，将相邻的两段电枢铁心齿槽中嵌放的电枢绕组在电路上断开，对各段电枢绕组分别控制，减少了能源消耗，提高了系统效率。由于采用节距为1的集中绕组结构，最小化相邻两段电枢绕组交叠区的长度，减弱了因绕组交叠产生的电感不平衡的影响，而且使电枢绕组的端部长度缩短，使绕组相间绝缘简单，从而提高了电机的推力密度，并减小了电机的齿槽定位力及边端定位力，同时降低电机的损耗。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；图2为图1的侧视图；图3为实施方式五中电枢绕组采用分布整数槽绕组结构的示意图；图4为实施方式五中电枢绕组采用集中绕组分数槽结构的示意图；图5为电枢绕组为8极9槽的三相集中绕组展开图；图6为矩形永磁体的结构示意图；图7为图6的侧视图；图8为气隙侧表面为外凸弧面的永磁体的结构示意图；图9为图8的左视图；图10为永磁体采用Halbach永磁阵列结构的阵列分布与形成磁路的原理图，其中箭头表示永磁体的充磁方向。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式包括机座1、电枢2、一对导轨31、一对滑块32、多对永磁体41和动子体42，

电枢2设置在机座1上表面的中间，机座1的上表面上位于电枢2的两侧设置一对导轨31，一对导轨31与一对滑块32滑动配合连接，一对滑块32与动子体42固定连接，多对永磁体41在动子体42的内侧表面上沿运动方向呈一行多列式排布，永磁体41与电枢2之间为气隙；

电枢2由多段电枢铁心21和多段电枢绕组22组成，多段电枢铁心21沿动子体42的运动方向顺次紧密相接，电枢铁心21为齿槽结构，每段电枢铁心21的齿槽中嵌放一段电枢绕组22，每段电枢绕组22均为集中绕组，并由多个圆环形线圈顺次连接组成，相邻的两段电枢绕组22在每段电枢铁心21的端部交叠嵌放，所形成的交叠区的长度等于绕组节距，所述绕组节距为1。

本实施方式中永磁体41与动子体42为可动部件，由于为动永磁体结构，克服了动电枢结构的平板型永磁同步直线电机在动子电枢运动时存在的导线拖曳，定子上永磁体需进行大面积的防护等问题。本实施方式中电枢铁心21的分段数可根据行程的长短来确定，至少可分为两段，图1中附图标记A所示为相邻段电枢铁心21的相接处。如图3和图4所示，对于相邻的两段电枢铁心21，其中一段电枢铁心21上的电枢绕组22（半填绕组）被放置于另一段电枢铁心21的后端半填槽中，形成了一段共用的长度为节距的交叠区。由于电枢绕组22采用集中绕组，使交叠区的长度最小化。本实施方式可以根据行程和动子体42的长度来增加电枢绕组22的段数，再对各段电枢绕组22分别控制，从而节约能源，提高效率。

具体实施方式二：下面结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于永磁体41为矩形永磁体，矩形永磁体的充磁方向垂直于动子体42，相邻矩形永磁体的充磁方向相反；所述矩形永磁体的宽度L_m的取值范围为L_m=(0.75~0.9)τ_p，其中τ_p为矩形永磁体的极距。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

本实施方式中永磁体41采用矩形永磁体，在动子体42的表面设置凹槽，矩形永磁体表贴在动子体42的凹槽中，N、S极交替排列。永磁体41的宽度经过优化，选取最佳的极弧系数，使永磁体的宽度L_m与τ_p成一定比例，能够极大的减小电机的齿槽定位力及推力波动。

具体实施方式三：下面结合图8和图9说明本实施方式，本实施方式与实施方式一或二的不同之处在于所述永磁体41为矩形永磁体，所述的永磁体41位于气隙侧的表面为外凸弧面，所述的永磁体41采用径向充磁，相邻永磁体41的充磁方向相反。其它组成及连接关系与实施方式一或二相同。

本实施方式中的永磁体41采用外凸弧面结构，它表贴于动子体42上，N、S极交替排列，这种结构有利于在气隙中形成正弦磁场，有效减小电机齿槽的定位力及推力波动。

具体实施方式四：下面结合图10说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于永磁体41采用Halbach永磁阵列结构。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

如图10所示，本实施方式所述的永磁阵列结构将径向充磁和切向充磁结合起来，用多块永磁体41的组合来形成一个磁极，对磁通起到导向的作用，从而产生与常规磁体结构不同的单侧磁场，该磁场一侧得到加强，另一侧则被削弱。应用这一特性，将磁场加强侧朝向气隙，磁场减弱侧朝向铁轭，则可以在增大气隙磁密的同时，有效降低轭部磁密，从而减小轭部厚度，提高电机的动态响应性能。同时，由于端部开断的影响，常规磁体结构永磁直线同步电机端部的漏磁较大，使得靠近端部的两磁极形成的磁场较中间磁极有很大程度的降低。对于Halbach磁体结构永磁直线同步电机，特殊分布的永磁体对磁通起到导向的作用，使端部漏磁减少，端部磁场磁密幅值的降低也较小。

具体实施方式五：下面结合图3至图5说明本实施方式，本实施方式与实施方式一、二、三或四的不同之处在于所述电枢绕组22采用分数槽结构，电枢铁心21的齿距τ_s与永磁体41的极距τ_p之间的关系为3nτ_s=(3n±1)τ_p，其中n为自然数。其它组成及连接关系与实施方式一、二、三或四相同。

所述电枢绕组22由多个圆环形线圈组成，采用集中绕组分数槽结构，每个线圈绕在电枢铁心21的一个槽上。本实施方式仅在电机端部存在一个半填槽，缩短了相邻段电枢绕组22的交叠区长度，减弱了由于电感不平衡造成的对系统稳定性的影响；同时分数槽结构更进一步消弱了电机的齿槽定位力，使电机的段间运行性能进一步优化。

当电机采用分布整数槽绕组时，电枢铁心21的齿距τ_s与永磁体41的极距τ_p之间的关系为3nτ_s=τ_p，其中n为自然数。电机电枢铁心21的分段方法如图3所示，由于电枢铁心21的分断，每段电枢绕组22都会在电枢铁心21的前后端形成几个半填槽，将后一段电枢绕组22的前端叠放在前一段电枢绕组22的后端半填槽中，该交叠区长度为节距长度。第一段电枢绕组22通电时，动子体42带动永磁体41开始运动，当动子体42首端到达第二段电枢绕组22时，第二段电枢绕组22通电，动子体42末端脱离第一段电枢绕组22时，第一段电枢绕组22断电，同时第三段电枢绕组22做好准备。该结构能有效的利用电枢铁心21，节约能源，提高系统效率，简化加工制造。但是交叠区的不同段电枢绕组22由于通断电的时刻不同，三相电感会出现不平衡。

本发明中电机电枢铁心21的长度可根据行程进行调整，而不增加控制难度和对控制器件的要求。本发明电机的结构简单、效率高，适用于电磁弹射系统等大载荷推进领域。

Claims

1.一种集中绕组分段式永磁同步直线电机，其特征在于：它包括机座（1）、电枢（2）、一对导轨（31）、一对滑块（32）、多对永磁体（41）和动子体（42），

电枢（2）设置在机座（1）上表面的中间，机座（1）的上表面上位于电枢（2）的两侧设置一对导轨（31），一对导轨（31）与一对滑块（32）滑动配合连接，一对滑块（32）与动子体（42）固定连接，多对永磁体（41）在动子体（42）的内侧表面上沿运动方向呈一行多列式排布，永磁体（41）与电枢（2）之间为气隙；

电枢（2）由多段电枢铁心（21）和多段电枢绕组（22）组成，多段电枢铁心（21）沿动子体（42）的运动方向顺次紧密相接，电枢铁心（21）为齿槽结构，每段电枢铁心（21）的齿槽中嵌放一段电枢绕组（22），每段电枢绕组（22）均为集中绕组，并由多个圆环形线圈顺次连接组成，相邻的两段电枢绕组（22）在每段电枢铁心（21）的端部交叠嵌放，所形成的交叠区的长度等于绕组节距，所述绕组节距为1。

2.根据权利要求1所述的集中绕组分段式永磁同步直线电机，其特征在于：永磁体（41）为矩形永磁体，矩形永磁体的充磁方向垂直于动子体（42），相邻矩形永磁体的充磁方向相反；所述矩形永磁体的宽度L_m的取值范围为L_m=(0.75~0.9)τ_p，其中τ_p为矩形永磁体的极距。

3.根据权利要求1所述的集中绕组分段式永磁同步直线电机，其特征在于：所述永磁体（41）为矩形永磁体，所述的永磁体（41）位于气隙侧的表面为外凸弧面，所述的永磁体（41）采用径向充磁，相邻永磁体（41）的充磁方向相反。

4.根据权利要求1所述的集中绕组分段式永磁同步直线电机，其特征在于：永磁体（41）采用Halbach永磁阵列结构。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的集中绕组分段式永磁同步直线电机，其特征在于：所述电枢绕组（22）采用分数槽结构，电枢铁心（21）的齿距τ_s与永磁体（41）的极距τ_p之间的关系为3nτ_s=(3n±1)τ_p，其中n为自然数。