CN101783573A - 多相长定子初级永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

多相长定子初级永磁直线电机是一种结构简单、坚固、具有较强输出推力和较高功率密度以及较小推力波动的长定子初级永磁直线电机，该电机包括定子(1)，气隙和动子(2)；动子(2)包括永磁体(3)、集中绕组(4)、附加齿(5)，定子和动子都为双凸极单边或双边平板结构，任何相的每个集中绕组线圈均位于动子铁心槽中；相邻永磁体(3)组成串联磁路，永磁体(3)的块数为N_PM＝2k×m+2，k为正整数，电机相数为m≥3，其中在动子(2)的两个端部分别设有一块永磁体为电机的附加永磁体；动子套有绕组的齿数为N_mt＝(N_PM-2)(m+1)，动子相邻齿的中心距离为τ_p。

Description

多相长定子初级永磁直线电机

技术领域

本发明是一种结构简单、坚固、具有较强输出推力和较高功率密度以及较小推力波动的长定子初级永磁直线电机，涉及电机制造的技术领域。

背景技术

电机是传动系统的主要部件，合理的选择电机可以提高整个系统的性能，提高效率。在直线应用场合，传统的旋转电机都需要一定的机械传动部件将旋转运动转换为直线运动。这样带来了许多问题，比如，系统体积庞大，重量增加，噪声高，维护成本增加，而在轨道交通应用中，速度过高会出现轮轨滑动等问题。因此，采用直线电机代替旋转电机这一技术手段，可以克服旋转电机在此应用场合中的上述缺点，提高整个系统的效率。

我国是稀土永磁大国，随着电力电子和磁性材料的发展，永磁无刷电机得到迅速的发展。此类电机具有高效率、高功率密度的等优点。其相应的直线结构也被广泛研究。传统的永磁直线同步电机兼有永磁电机和直线电机的双重优点。与直线感应电机相比，永磁直线同步电机的力能指标高、体积小、重量轻，且具有发电制动功能。但是，它也存在着一些缺点，在长定子应用中，传统的永磁电机的永磁体和电枢绕组分别安装在初级和次级，由于永磁体和电枢的成本都较高，在此应用场合无疑导致系统成本增加。目前，国际上研究比较热点的单极性磁链的双凸极永磁电机具有较高的功率密度，其永磁体和电枢绕组均放置在定子上。其直线结构电机可以将永磁体和绕组均置于电机的初级，而长定子侧的次级仅由导磁性材料组成，因此在长定子应用场合可以大大降低成本。但是，传统的结构形式致使电机磁路和绕组的不对称，导致反电势不是对称的梯形波或方波，并因此造成电机的推力波动较大。本专利的目的就是针对该类直线电机磁路和绕组不对称的缺点，提出一种新型结构的初级永磁直线电机。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供了一种长定子初级永磁直线电机，电机结构简单、坚固，磁路和绕组对称。无需斜齿或斜槽的情况下，任一相的空载反电动势为对称的梯形波，电机具有较强的推力输出能力和较大的功率密度，特别适合于长定子结构直线电机应用场合，例如城市轨道交通直线电机、工厂运输传动设备、高层楼房电梯等直线驱动场合。

技术方案：为解决上述技术问题，发明的多相初级永磁直线电机包括定子和动子，定子为齿槽式铁心构成的平板或圆筒结构。定子和动子都为双凸极结构，动子由永磁体、集中绕组和铁心组成；其中，任一相的集中绕组线圈均位于动子铁心槽中，且属于同相的集中绕组线圈按一定方式串联连接，其特征说明如下。

该电机包括定子，气隙和动子；动子包括永磁体、集中绕组、附加齿，定子和动子都为双凸极单边或双边平板结构，任何相的每个集中绕组线圈均位于动子铁心槽中；相邻永磁体组成串联磁路：永磁体的块数为N_PM＝2k×m+2，k为正整数，电机相数为m≥3，其中在动子的两个端部分别设有一块永磁体为电机的附加永磁体；动子套有绕组的齿数为N_mt＝(N_PM-2)(m+1)，动子相邻齿的中心距离为τ_p，定子相邻齿的中心距离为τ_s，则τ_p/τ_s＝m/(m±0.5j)，j为奇数，m与j无除1以外的公约数且m-0.5j＞0；非附加的每块永磁体下对应的齿数为m+1，其中第一个齿和第m+1齿上的集中绕组属于同一相，其余齿上的绕组依次属于其他相；电机相邻永磁体的磁性相反，组成串联磁路结构，电机两端具有附加齿和附加永磁体，附加每块永磁体的齿数范围在[(m+1)/2～(m+1)]之间，此电机可以为电动机也可以为发电机。

所述定子为圆柱结构，动子为圆筒结构，永磁体为圆环型筒状永磁材料或N块瓦片永磁材料，组成圆筒型结构形式的直线电机；采用径向充磁，其定子槽和动子槽被非导磁材料填充，非导磁材料动子和转子接触面为光滑无槽结构。

所述永磁体的放置方式还包括相邻永磁体组成并联磁路方式：永磁体的块数为N_PM＝2k×m+1，k为正整数，电机相数m≥3，动子套有绕组的齿数为N_mt＝(N_PM-1)(m+1)，动子相邻齿的中心距离为τ_p，定子相邻齿的中心距离为τ_s，则τ_p/τ_s＝m/(m±0.5j)，j为奇数，m与j无除1以外的公约数且m-0.5j＞0；相邻两块永磁体之间包含的齿数为m+1，其中第一个齿和第m+1齿上的集中绕组属于同一相，其余齿上的绕组依次属于其他相；电机相邻永磁体的磁性相反，组成并联磁路结构，电机两端具有附加齿，每端附加齿数范围在[(m+1)/2～(m+1)]之间。

该电机相数m≥3，第一相的2(m+1)套集中绕组的连接方式可表示为-411+412+....+41(m+1)-[-41(m+2)+....+41(2(m+1))]，其他相绕组的绕法与第一相相同。

永磁体为铁氧体、钕铁硼或其他类型的永磁材料，定子和动子为硅钢片或其他类型的导磁材料。

有益效果：本发明的初级永磁直线电机，动子每一相绕组两两对称互补，保证了本发明在采用集中绕组和直槽的条件下，就可获得双极性线性变化的磁链、高度对称的梯形波的反电动势等静态特性，每相绕组的自感随位置的波动较小，各绕组之间的互感较小，有利于降低推力波动，控制方式与普通矩形波永磁同步直线电机相同，从而使本发明更加方便的替代传统的永磁直线电机。动子或定子斜槽后反电势正弦波，可以采用矢量控制方式。

同时，本发明的电机具有其他类型长定子初级永磁直线电机的优点：电枢集中绕组和永磁体都设于动子上，而长定子(即次级)仅为铁质或其他导磁材料，特别适合于长定子运行，可以大大降低制造成本，而且有利于改善该电机的冷却条件；由于采用了集中绕组方式，可以减小端部的长度，尽可能地减小电阻和铜耗，也保证了电机的结构紧凑，功率密度较大，效率较高等；

综上，该电机结构上的特点导致其具有：气隙的磁通密度大、输出推力较强、功率密度较高、定位力较小、推力波动小、电阻较小，效率较高、生产制作工艺简单、大大减低长定子应用场合电机成本。

附图说明

图1为具体实施方式一的结构示意图，

图2为具体实施方式二的结构示意图，

图3为具体实施方式三的结构示意图，

图4为具体实施方式四的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的分析说明本专利设计电机的原理，将以电机相数m＝3为例来说明：

具体实施方式一：图1为一台采用本发明技术设计的3相永磁体串联平板型长定子初级永磁直线电机的横截面视图，取m＝3，k＝1，j＝1则永磁体的块数为N_PM＝2k×m+2＝8，动子套有绕组的齿数为N_mt＝(N_PM-2)(m+1)＝24，电机每端的附加齿数范围在[2～4]之间，附加齿上没有绕组。τ_p/τ_s＝m/(m-0.5j)＝6/5永磁体为平板结构，采用平行充磁方式。非附加的每个永磁体下对应m+1＝4个齿，其中第一齿和第4齿上的集中绕组属于同一相，，其余齿上的绕组依次属于其他相。相邻永磁体的充磁方向相反。

本发明的电机主要由定子1，气隙和动子2组成，动子2包括永磁体3，集中绕组4，附加齿5。任何相的每个集中绕组线圈均位于动子铁心槽中，且每一相的集中绕组线圈为串联结构。A相第一集中绕组线圈411，A相第二集中绕组线圈412，A相第三集中绕组线圈413，A相第四集中绕组线圈414，A相第五集中绕组线圈415，A相第六集中绕组线圈416，A相第七集中绕组线圈417，A相第八集中绕组线圈418。A相集中绕组后面槽依次放置B相和C相绕组。每相具有8个绕组，三相共有24个集中绕组，且A、B、C三相的8个绕组在空间位置上是对称分布的。

以下将结合图1详细说明本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到技术效果的实施过程，以电机A相绕组为例进行说明。本实施例电机的动子与动子极距之比为τ_p/τ_s＝m/(m-0.5j)＝6/5，如果初始位置时A相第一集中绕组线圈411对应定子槽中心，此时A相第二集中绕组线圈412正对着定子齿的中心，A相第一集中绕组线圈411的磁链最小，A相第二集中绕组线圈412磁链最大，相位相差180°电角度。而A相第三集中绕组线圈413，A相第五集中绕组线圈415，A相第七集中绕组线圈417相对于定子的位置与A相第一集中绕组线圈411相同，A相第四集中绕组线圈414，A相第六集中绕组线圈416，A相第八集中绕组线圈418相对于定子的位置与A相第二集中绕组线圈412相同。为了使8个绕组反电势两两对称互补，8个绕组按照以下串联方式组合：如规定A相第二集中绕组线圈412的绕线方向为正，那么A相第一集中绕组线圈411按照负方向绕线，此时A相第二集中绕组线圈412的磁链与A相第一集中绕组线圈411磁链相位相差180°电角度，且幅值相反。

即可以表示为+412-411。由于A相第三集中绕组线圈413，A相第五集中绕组线圈415，A相第六集中绕组线圈416，A相第八集中绕组线圈418绕组上的永磁体磁化方向与A相第二集中绕组线圈412相反，为了达到最大的合成磁链其余6组线圈的绕法为+413+414，+415-416，-417-418。因此，A相8个绕组串联组合方式可表示为：+412-411+413+414+415-416-417-418。此时A相的合成磁链为双极性对称线性磁链。其对应的反电势为对称的梯形波。其余两相的集中绕组连接方式与A相相同。动子或定子可以采用斜槽的方式。

在图1实施例中，5为附加永磁体和齿，用来补偿端部的磁路，减小定位力，保证直线电机端部绕组的磁链与中间绕组的磁链变化一致。

永磁体3为铁氧体、钕铁硼或其他类型的永磁材料，定子1和动子2都采用铁，硅钢或其他导磁材料。

具体实施方式二：结合图1、图2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此电机结构为圆筒形结构。其轴向剖视图如图2所示。定子1为圆柱结构，动子2为圆筒结构，永磁体3为圆环型筒状永磁材料或N块瓦片永磁材料组成，采用径向充磁。6为非导磁材料。需要时可以在定子槽中间填充6，此时定子为无槽圆柱结构。同时动子绕组槽用材料6密封，动子与定子的接触面也为光滑无槽结构。其他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1、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此电机的永磁体采用技术方案中描述的第二种用磁体放置方式。本实施方式取m＝3，k＝1，j＝1，则永磁体的块数为N_PM＝2k×m+1＝7，动子套有绕组的齿数为N_mt＝(N_PM-2)(m+1)＝24，电机两端的附加齿数在[2～4]之间，附加齿上没有绕组。τ_p/τ_s＝m/(m-0.5j)＝6/5，永磁体为平板结构，采用平行充磁方式。相邻永磁体之间包含m+1＝4个齿，其中第一齿和第4齿上的集中绕组属于同一相，，其余齿上的绕组依次属于其他相。相邻永磁体的充磁方向相反。其他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2、图3、图4说明本实施方式，本实施方式是实施方式三的圆筒型结构，与具体实施方式二不同点在于此电机的永磁为圆环平板结构，采用轴向平行充磁，两块永磁体之间包含4个动子齿，共7块永磁体，相邻两块永磁体的磁化方向相反组成并联磁路。端部附加齿的个数范围在在[2～4]之间，用于补偿端部绕组的磁路，减小齿槽力，其他组成和连接方式与具体实施方式二相同。

Claims (5)

1.一种多相长定子初级永磁直线电机，其特征在于该电机包括定子(1)，气隙和动子(2)；动子(2)包括永磁体(3)、集中绕组(4)、附加齿(5)，定子和动子都为双凸极单边或双边平板结构，任何相的每个集中绕组线圈均位于动子铁心槽中；相邻永磁体(3)组成串联磁路，永磁体(3)的块数为N_PM＝2k×m+2，k为正整数，电机相数为m≥3，其中在动子(2)的两个端部分别设有一块永磁体为电机的附加永磁体；动子套有绕组的齿数为N_mt＝(N_PM-2)(m+1)，动子相邻齿的中心距离为τ_p，定子相邻齿的中心距离为τ_s，则τ_p/τ_s＝m/(m±0.5j)，j为奇数，m与j无除1以外的公约数且m-0.5j＞0；非附加的每块永磁体下对应的齿数为m+1，其中第一个齿和第m+1齿上的集中绕组属于同一相，其余齿上的绕组依次属于其他相；电机相邻永磁体的磁性相反，组成串联磁路结构，电机两端具有附加齿和附加永磁体，附加每块永磁体的齿数范围在[(m+1)/2～(m+1)]之间，此电机可以为电动机也可以为发电机。

2.根据权利要求1所述的多相长定子初级永磁直线电机，其特征在于所述定子(1)为圆柱结构，动子(2)为圆筒结构，永磁体(3)为圆环型筒状永磁材料或N块瓦片永磁材料，组成圆筒型结构形式的直线电机；采用径向充磁，其定子槽和动子槽被非导磁材料(6)填充，非导磁材料(6)动子和转子接触面为光滑无槽结构。

3.根据权利要求1所述的多相长定子初级永磁直线电机，其特征在于所述永磁体(3)的放置方式还包括相邻永磁体组成并联磁路方式：永磁体的块数为N_PM＝2k×m+1，k为正整数，电机相数m≥3，动子套有绕组的齿数为N_mt＝(N_PM-1)(m+1)，动子相邻齿的中心距离为τ_p，定子相邻齿的中心距离为τ_s，则τ_p/τ_s＝m/(m±0.5j)，j为奇数，m与j无除1以外的公约数且m-0.5j＞0；相邻两块永磁体之间包含的齿数为m+1，其中第一个齿和第m+1齿上的集中绕组属于同一相，其余齿上的绕组依次属于其他相；电机相邻永磁体的磁性相反，组成并联磁路结构，电机两端具有附加齿，每端附加齿数范围在[(m+1)/2～(m+1)]之间。

4.根据权利要求1、2或3所述的多相长定子初级永磁直线电机，其特征在于该电机相数m≥3，第一相的2(m+1)套集中绕组的连接方式可表示为-411+412+....+41(m+1)-[-41(m+2)+....+41(2(m+1))]，其他相绕组的绕法与第一相相同。

5.根据权利要求1或2所述的多相长定子初级永磁直线电机，其特征在于永磁体(3)为铁氧体、钕铁硼或其他类型的永磁材料，定子(1)和动子(2)为硅钢片或其他类型的导磁材料。

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