CN101860174B

CN101860174B - 互补型模块化永磁直线电机及由其构成的电机模组

Info

Publication number: CN101860174B
Application number: CN2010101696816A
Authority: CN
Inventors: 程明; 曹瑞武; 花为; 赵文祥
Original assignee: Southeast University
Current assignee: HAIAN KINGLORD PHOTOELECTRIC Co Ltd; Southeast University
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: CN101860174A

Abstract

本发明提出一种互补型模块化永磁直线电机及由其构成的电机模组。永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。每个E型模块包括2个U型导磁齿和设置于U型导磁齿之间的永磁体，集中绕组设置于E型模块的槽中且套住永磁体。两个同相E型模块之间的相对位移为λ₁＝(n±1/2)τ_s，两个异相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。该电机的每相绕组具有对称互补性，电机反电势波形对称、正弦，而且结构的互补性大大降低甚至抵消电机的定位力。

Description

互补型模块化永磁直线电机及由其构成的电机模组

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永磁直线电机及由其构成的电机模组。

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。

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，传统磁通切换直线电机端部相绕组的磁通正负半周不对称，从而引起各相反电势不平衡。传统模块化磁通切换直线电机没有考虑到每相绕组及结构的互补性，存在每相反电势正负半周不对称，定位力大的缺点。

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永磁直线电机及由其构成的电机模组，该电机的每相绕组具有对称互补性，电机反电势波形对称、正弦，而且结构的互补性大大降低甚至抵消电机的定位力。

本发明提出一种互补型模块化永磁直线电机及由其构成的电机模组。其中，永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。每个E型模块包括2个U型导磁齿和设置于U型导磁齿之间的永磁体，集中绕组设置于E型模块的槽中且套住永磁体。两个同相E型模块之间的相对位移为λ₁＝(n±1/2)τ_s，两个异相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。

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。进一步的，所述永磁体的高度小于或等于U型导磁齿的高度。本发明突破了旋转结构磁通切换永磁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，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如轨道交通、高层楼房电梯等长定子应用场合，可以大大降低系统的成本。

本发明中，同相E型模块中的集中绕组相互串联在一起，相邻两个永磁体采用交替平行充磁。

本发明中，所述互补型模块化永磁直线电机是单边平板结构、双边平板结构或圆筒型结构。而且，所述互补型模块化永磁直线电机是电动机或发电机。

本发明还提出一种由上述互补型模块化永磁直线电机构成的电机模组，包括由k个所述互补型模块化永磁直线电机，k为正整数。进一步的，所述k个所述互补型模块化永磁直线电机串联构成一个整体或分开单独控制。

本发明结构简单、坚固，具有较强输出推力、较高功率密度以及较小推力波动。永磁直线电机的任意相集中绕组由两个在空间位置上相距λ₁＝(n±1/2)τ_s的线圈串联组成。因此两线圈电磁参数对称互补，顺序串联时可以利用两线圈对称互补性，在合成为一相磁链和反电势时，高次偶次谐波分量幅值相等而相位相反，相互抵消，保留了基波分量，从而使电机在集中绕组和直槽定子及较大气隙磁通密的情况下就可以得到对称的近似正弦的反电势和磁链波形，适用于矢量控制。

由于任意相包含的两E型模块的相对位移为(n±1/2)τ_s，此时两个模块产生的定位力波形相位相差180°，形成互补，从而使任意相两个E型模块合成的定位力波形周期性和对称性较好，多相模块定位力之间有一定相位差，保证合成的定位力大大降低甚至抵消。

由于相邻E型模块之间采用非导磁材料隔离，减小绕组之间的互感，实现电磁的绝缘，增加容错能力。每个E型模块相互独立，合理的调节E型模块之间的距离，从而大大降低、甚至消除端部效应引起三相反电势不平衡问题。

综上，本发明结构上的特点导致其具有：永磁体设计灵活、反电势对称正弦、定位力较小、推力波动小、气隙的磁通密度大、输出推力较强、功率密度较高、效率较高、模块化设计、工艺简单、长定子应用场合电机成本低等优点。本发明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。

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永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永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永磁直线电机1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。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由两个U型导磁齿112、永磁体113组合而成。集中绕组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。

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中的绕组称为第一集中绕组，第二组(即图中A2、B2、C2)中的绕组称为第二集中绕组。

如图1所示，A相中的集中绕组是由A1中第一集中绕组和A2中的第二集中绕组串联而成，且A1相和A2相的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。

此结构有如下特点：第一，动子11运动一个电气周期360°(即移动τ_s距离)过程中，A、B、C相中第一集中绕组和第二集中绕组与定子10相对位置存在磁路上的差异，从而导致第一集中绕组中的磁链和反电势与第二集中绕组中的磁链和反电势对称互补，即第一集中绕组中磁链或反电势波形移动180°相位并反向后与第二集中绕组中磁链或反电势基本重合。此互补对称特性导致两线圈中感应反电势高次偶次谐波分量幅值相等，相位相反，在合成为一相反电势时相互抵消，从而保证电机的永磁磁链和反电势具有高度的正弦对称性。

第二，两相邻的同相E型模块110之间相对位移为λ₁＝(n±1/2)τ_s，从而保证两部分定位力波形有180°相位差，两部分合成的定位力被大大削弱甚至抵消。

本发明中的永磁体113交替平行充磁，且永磁体113的高度小于或等于U型导磁齿112的齿高。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。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。

图1中具体实施例也可以作为一个电机模块，由k个这样的互补型模块化永磁直线电机模块组合成一个电机模组，k为正整数，进一步减小定位力，提高输出力。其中，这些k个所述互补型模块化永磁直线电机串联构成一个整体或分开单独控制。

实施例2：

如图2所示，本实施例中的互补型模块化永磁直线电机与实施例1中的不同点在于A相的第一集中绕组和第二集中绕组所在的两个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

1.一种互补型模块化永磁直线电机，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；每个E型模块包括2个U型导磁齿和设置于U型导磁齿之间的永磁体，集中绕组设置于E型模块的槽中且套住永磁体；两个同相E型模块之间的相对位移为λ₁＝(n±1/2)T_s，两个异相E型模块之间的相对位移为λ₂＝(j±1/m)T_s，T_s为定子极距，n，j均为正整数；

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。

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

3.根据权利要求1所述的互补型模块化永磁直线电机，其特征在于，所述定子由导磁材料制造而成。

4.根据权利要求1所述的互补型模块化永磁直线电机，其特征在于，相邻两个永磁体采用交替平行充磁。

5.根据权利要求1所述的互补型模块化永磁直线电机，其特征在于，所述永磁体的高度小于或等于U型导磁齿的高度。

6.根据权利要求1所述的互补型模块化永磁直线电机，其特征在于，所述互补型模块化永磁直线电机是单边平板结构、双边平板结构或圆筒型结构。

7.根据权利要求1所述的互补型模块化永磁直线电机，其特征在于，所述互补型模块化永磁直线电机是电动机或发电机。

8.一种由权利要求1～7中任一权利要求所述的互补型模块化永磁直线电机构成的电机模组，其特征在于，包括由k个所述互补型模块化永磁直线电机，k为正整数。

9.根据权利要求8所述的电机模组，其特征在于，所述k个所述互补型模块化永磁直线电机串联构成一个整体或分开单独控制。