CN101834512B - 互补型模块化混合励磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种互补型模块化混合励磁直线电机，包括定子和动子。定子和动子均为凸极结构，且两者之间具有气隙。动子包括2m个E型模块，m为电机的相数。同相两E型模块之间的相对位移为λ₁＝(n±1/2)τ_s，异相两E型模块之间的相对位移为λ₂＝(j±1/m)τ_s，τ_s为定子极距，n，j均为正整数。其中，每个E型模块包括2个U型导磁齿、永磁体、电枢绕组以及励磁绕组。2个U型导磁齿通过导磁桥连接。励磁绕组设置于U型导磁齿的齿尖部，且套住两齿尖。本发明在直线电机中提出了导磁桥结构，为励磁绕组提供额外通路，使得电励磁磁场回路磁阻减小，用较小的励磁电流就可以大大的减小电枢绕组匝链的磁通，弱磁能力强，效率高。

Description

互补型模块化混合励磁直线电机

技术领域

本发明涉及电机的制造技术领域，且特别是有关于一种绕组及结构互补模块化的混合励磁直线电机。

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。

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。然而，由于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，而永磁体和电枢的成本都较高，在如轨道交通等长定子应用场合中无疑导致系统成本增加。

目前，国际上研究比较热点的双极性磁链的磁通切换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，转子无绕组、无电刷、无永磁体，仅为导磁铁心材料，具有功率密度高，结构简单，易于散热，高可靠性等优点。对其直线结构而言，可以把旋转结构的定子作为初级动子，由永磁体和绕组组成，而旋转结构的动子作为次级长定子，仅由导磁性材料组成，因此，此结构电机在长定子应用场合可以大大降低系统成本。然而，传统磁通切换永磁直线电机磁场仅由永磁体提供，励磁调节困难，调速范围受到限制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种互补型模块化混合励磁直线电机，该电机每相绕组具有对称互补性，电机反电势波形对称、正弦；其结构的互补性大大降低甚至抵消电机的定位力。励磁方式采用永磁体和电励磁相结合方式，弱磁能力强，恒功率调速范围宽。

本发明提出一种互补型模块化混合励磁直线电机，包括定子和动子。定子和动子均为凸极结构，且两者之间具有气隙。动子包括2m个E型模块，m为电机的相数。相邻两个E型模块之间填充非导磁材料。同相两E型模块之间的相对位移为λ₁＝(n±1/2)τ_s，异相两E型模块之间的相对位移为λ₂＝(j±1/m)τ_s，τ_s为定子极距，n，j均为正整数。其中，每个E型模块包括2个U型导磁齿、永磁体、电枢绕组以及励磁绕组。2个U型导磁齿之间通过导磁桥相连接。永磁体设置于U型导磁齿之间。电枢绕组设置于每个E型模块的槽中，且套住永磁体。励磁绕组设置于U型导磁齿的齿尖部，且套住两齿尖。

本发明中，所述动子包括2m或4m个相互串联的励磁绕组。本发明中的气隙磁场由永磁体和励磁绕组共同作用产生，通过调节励磁绕组的电流可以灵活改变调节绕组磁通大小，具有很宽的恒功率调速范围。

本发明中，所述U型导磁齿的外侧顶端具有倒角α，且α取0°～90°，两相邻的U型导磁齿的顶端由倒角α构成凹口。本发明突破了传统直线电机中永磁体和齿的形状的限制，此结构保证了永磁体的宽度根据需要灵活变化时，达到动子齿中部的宽度大于齿尖宽度的目的。可以避免动子齿中部磁通密度较饱和而引起齿中间部分磁阻较大，增加齿尖和气隙的磁通密度，提高反电势幅值，节省永磁材料，降低系统成本。

本发明中，同相E型模块中的集中绕组相互串联在一起。

本发明中，所述定子为导磁材料。由于定子上既无永磁体也无绕组，仅仅由价格较低的导磁材料组成，使得本发明特别适用于长定子结构直线电机及需要宽范围调速应用场合，例如城市轨道交通直线电机等。

本发明结构简单、坚固，具有较强输出推力和较高功率密度及较大的调速范围，而且兼顾了互补型模块化永磁直线电机的功率密度高，结构灵活互补对称，容错能力强，反电势对称正弦，定子结构简单等优点。

本发明采用高性能永磁材料和直流励磁绕组混合的励磁方式，在磁通切换型永磁直线电机中提出了导磁桥结构，为励磁绕组提供额外通路，使得电励磁磁场回路磁阻减小，用较小的励磁电流就可以大大的减小电枢绕组匝链的磁通，弱磁能力强，效率高。使得本发明电机继承了结构互补模块化磁通切换直线电机结构和性能上的优点，同时灵活控制气隙中的磁场，使得该电机具有很宽的恒功率弱磁能力，特别适用于轨道交通等需要灵活变化速度的场合。

附图说明

图1所示为根据本发明一实施例的互补型模块化混合励磁直线电机的结构示意图。

图2所示为根据本发明又一实施例的互补型模块化混合励磁直线电机的结构示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

为了说明本发明的结构特点及运行原理，下面以一台三相电机为例来说明。

实施例1：

如图1所示，本发明所提供的互补型模块化混合励磁直线电机由定子10和动子11组成，两者之间具有气隙。如图所示，定子10和动子11均采用凸极结构。其中，定子10上既无永磁体也无绕组，仅为导磁材料。

动子11由2m个E型模块110组成，且相邻两个E型模块之间填充非导磁材料111。如图所示，两个同相E型模块(如A1相与A2相)之间的相对位移为λ₁＝(n±1/2)τ_s，两个异相E型模块(如A1相与B1相或B1相与C1相)之间的相对位移为λ₂＝(j±1/m)τ_s，τ_s为定子极距，n，j均为正整数。本实施例中，m＝3，即电机具有图中所示A、B、C三相。

进一步的，每个E型模块110由2个U型导磁齿112、永磁体113、电枢绕组114以及励磁绕组115组成。如图1所示，E型模块110中两U型导磁齿112之间通过导磁桥116相连接，导磁桥116可以为励磁绕组115提供额外通路，使得电励磁磁场回路磁阻减小，用较小的励磁电流就可以大大的减小电枢绕组114匝链的磁通，弱磁能力强，效率高。

如图1所示，U型导磁齿112的外侧顶端具有倒角α，且α取0°～90°，两相邻的U型导磁齿112的顶端由倒角α构成凹口，两U型导磁齿112的齿形状相同。永磁体113设置于两U型导磁齿112之间。当永磁体113宽度变化时，动子齿尖边缘与永磁体113的底部连线的角度在0°～90°变化，而不影响动子齿尖宽度占动子极距的比例，避免因永磁体厚度变化影响反电势波形的正弦度，同时达到动子齿的中部的宽度大于齿尖的宽度的目的。

电枢绕组114放在E型模块110的两个槽中，且套着永磁体113及与其相邻的U型导磁齿112。励磁绕组115设置于上述U型导磁齿112的齿尖部，且套住两齿尖。在本实施例中，每一相中均具有两组相同的E型模块110，下面将不同相中的第一组(即图中A1、B1、C1)的E型模块110中的绕组称为第一绕组，第二组(即图中A2、B2、C2)中的绕组称为第二绕组。

具体来说，A相中的电枢绕组由A1中第一电枢绕组和A2中的第二电枢绕组串联而成，且A1相和A2相中的E型模块110之间相对位移为λ₁＝(n±1/2)τ_s。B、C相上的集中绕组114与A相的连接方式相同，且三相绕组对应的两相邻的E型模块110之间的依次相差位移为λ₂＝(j±1/m)τ_s，其中τ_s为定子极距，n，j均为大于零的整数。

动子11包括12(4m)或6(2m)个励磁绕组115，每个励磁绕组115横跨在永磁体113和非导磁材料111下方的槽中，且套着U型导磁齿112的两齿尖。本实施例中，互补型模块化混合励磁直线电机包括12个相互串联的励磁绕组115。如果定义图1中的励磁绕组115通电流左端流入纸面右端流出纸面方向为正方向，则12个励磁绕组115按照以下绕法顺序串联：正(115A)、负(115B)、负(115C)、正(115D)、正(115E)、负(115F)、负(115G)、正(115H)、正(115I)、负(115J)、负(115K)、正(115L)。

如果包括6(2m)个励磁绕组115，则分为以下四种连接方式：1)：正(115A)、负(115C)、正(115E)、负(115G)、正(115I)、负(115K)。2)：负(115B)、正(115D)、负(115F)、正(115H)、负(115J)、正(115L)。3)：正(115A)、正(115D)、正(115E)、正(115H)、正(115I)、正(115L)。4)：负(115B)、负(115C)、负(115F)、负(115G)、负(115J)、负(115K)。

按照如上绕线方式，通入直流励磁电流后，励磁绕组提供的磁通与永磁体提供的磁通相反，从而减小电枢绕组匝链的磁通，当改变电流方向后，励磁绕组提供的磁通与永磁体提供的磁通相同，从而增加电枢绕组匝链的磁通。由于导磁桥的存在，为励磁绕组提供了额外回路，保证用较小的电流削弱绕组匝链的磁通，提高电机效率。

实施例2：

如图2所示，本实施例中的互补型模块化混合励磁直线电机与实施例1中的不同点在于A相的A1中第一电枢绕组和A2中的第二电枢绕组所在的两个E型模块的相邻放置。两E型模块相对定子的位移也为λ₁＝(n±1/2)τ_s，从而形成互补对称结构。B、C相与A相结构相同。A、B、C三相绕组所在的E型模块相对定子的位移依次为λ₂＝(j±1/m)τ_s，其中τ_s为定子极距，n，j均为正整数。其他结构和特性均与实施例1相同。

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (5)

1.一种互补型模块化混合励磁直线电机，包括定子和动子，所述定子和动子均为凸极结构，且两者之间具有气隙，其特征在于，所述动子包括2m个E型模块，m为电机的相数；相邻两个E型模块之间填充非导磁材料；同相两E型模块之间的相对位移为λ₁＝(n±1/2)τ_s，异相两E型模块之间的相对位移为λ₂＝(j±1/m)τ_s，τ_s为定子极距，n，j均为正整数；每个E型模块包括：

2个U型导磁齿，两者之间通过导磁桥相连接；

永磁体，设置于U型导磁齿之间；

电枢绕组，设置于每个E型模块的槽中，且套住所述永磁体；以及

励磁绕组，设置于所述U型导磁齿的齿尖部，且套住两齿尖。

2.根据权利要求1所述的互补型模块化混合励磁直线电机，其特征在于，所述动子包括2m或4m个相互串联的励磁绕组。

3.根据权利要求1所述的互补型模块化混合励磁直线电机，其特征在于，所述U型导磁齿的外侧顶端具有倒角α，且α取0°～90°，两相邻的U型导磁齿的顶端由倒角α构成凹口。

4.根据权利要求1所述的互补型模块化混合励磁直线电机，其特征在于，同相E型模块中的集中绕组相互串联在一起。

5.根据权利要求1所述的互补型模块化混合励磁直线电机，其特征在于，所述定子为导磁材料制成。

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