CN102142763B

CN102142763B - 模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机及由其构成的电机模组

Info

Publication number: CN102142763B
Application number: CN 201110089217
Authority: CN
Inventors: 程明; 曹瑞武; 花为; 赵文祥
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: CN102142763A

Abstract

本发明公开了模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机及由其构成的电机模组，包括初级和次级，初级包括动子模块，动子模块包括第一模块、第二模块和设置在第一模块和第二模块之间的第一非导磁材料；第一模块和第二模块均包括两个凸极导磁材料，凸极导磁材料设有m个初级齿；每个初级齿上设有集中电枢绕组，两凸极导磁材料的连接处及m个初级齿上分别设有集中励磁绕组；m为电机的相数。本发明作为驱动电机用时，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，电磁弹射器或需要宽调速范围的应用场合；本发明还可以作为发电机使用，用于海浪发电等场合，通过调节励磁电流的大小，从而达到变速恒压输出以及恒速变压输出特性。

Description

模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机及由其构成的电机模组

技术领域

本发明涉及的是一种无刷直流直线电机，具体涉及的是一种模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机及由其构成的电机模组，属于直线电机制造技术领域。

背景技术

随着工业的发展，直线电机得到广泛的应用。采用直线电机驱动可以省去传统的把旋转运动转换为直线运动的机械齿轮，从而降低系统成本，减小噪声，减小系统体积，降低维护成本。特别在轨道交通应用中，采用旋转电机驱动时，其驱动力是通过车轮和铁轨之间的黏着力产生，速度过高及减速时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。

目前直线感应电机已经在广州地铁线路中得到应用。直线感应电机为无刷结构，不需要维护，定子结构简单，系统成本低在城市轨道交通直线驱动发挥重要作用。但是，直线感应电机的调速性能不佳，尽管采用矢量控制等变频技术，控制复杂，调速性能仍然无法与直流电机相比。

永磁同步直线电机具有功率密度和效率高等优点，但是由于其电枢绕组和永磁分别安装在动子和定子上，在如轨道交通等长定子应用场合无论是将电枢绕组还是永磁体沿轨道铺设都会造成系统成本过大，维护不方便等缺点。而且永磁体为稀有材料，价格昂贵，性能对环境温度，机械振动等因素敏感，在轨道交通场合应用存在很多缺点。重要的是电机磁场由永磁体提供励磁，不容易控制，必须采用弱磁控制技术增加了系统成本和复杂性。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是提供一种调速性能好、运行可靠、结构简单和成本低的模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机及由其构成的电机模组。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机，包括初级和次级，初级包括动子模块，动子模块包括第一模块、第二模块和设置在第一模块和第二模块之间的第一非导磁材料；第一模块和第二模块均包括两个凸极导磁材料，凸极导磁材料设有m个初级齿；每个初级齿上设有集中电枢绕组，两凸极导磁材料的连接处及m个初级齿上分别设有集中励磁绕组；

第一模块和第二模块的相对位移为λ₂＝(k±0.5)τ_s，

第一模块和第二模块中两凸极导磁材料的相对位移为λ₁＝m*τ_m，

初级极距和次级极距之比为τ_m/τ_s＝(m±1)/m，

其中，τ_m为初级极距，τ_s为次级极距，m为电机的相数，k为正整数。当电机需要运行在高速时，减小直流励磁电流的大小，从而减小电机的励磁磁场强度，最终达到调速目的，低速时需要增加电机推力时，可以增加励磁电流的大小，提高输出推力。

上述第一模块及第二模块均还包括设置在两凸极导磁材料之间厚度可调的非导磁垫片。非导磁垫片用于调节电枢绕组电感，其厚度根据需要选取。

上述第一模块和第二模块中的集中励磁绕组分别相互串联组成第一模块励磁绕组和第二模块励磁绕组，第一模块励磁绕组和第二模块励磁绕组按照规定方向串联起来进行控制，当按照规定方向通入电流后，第一模块励磁绕组和第二模块励磁绕组产生的磁场方向相反，当励磁绕组通入恒定直流电流时，在每个模块中产生恒定磁场，改变直流电流的大小可以控制励磁磁场强度。

上述第一模块和第二模块中属于同相的集中电枢绕组相互串联组成一相电枢绕组。

上述初级和次级均为凸极结构，且两者之间具有气隙。

上述初级齿及次级可为直槽或斜槽结构。凸极结构是指初级和次级为齿槽结构，这个齿可以倾斜一定的角度，倾斜角度为零称为直槽结构，角度不为零就是斜槽结构，为直槽时可以得到较对称的梯形波，斜槽时可以得到正弦波。

上述次级仅为导磁材料。导磁材料价格便宜，使得本发明特别适用于如轨道交通驱动系统，可以大大降低系统的成本。

上述模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机是电动机或发电机。作为发电机运行时，通过改变励磁电流的大小可以得到不同速度下恒定的反电动势。

本发明由模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机构成的电机模组，包括n个动子模块和设置在相邻两动子模块之间的第二非导磁材料，n为正整数。

上述n个动子模块中属于同相的电枢绕组相互串联组成一个电机绕组或作为多个电机绕组单独控制。从而增加了系统的容错能力。

本发明作为驱动电机用时，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，电磁弹射器或需要宽调速范围的应用场合；本发明还可以作为发电机使用，用于海浪发电等场合，通过调节励磁电流的大小，从而达到变速恒压输出以及恒速变压输出特性，相对于现有技术的调速性能不佳，本发明通过控制直流励磁绕组的电流大小可以控制电机的励磁磁场，从而扩大电机的恒功率调速范围；电枢绕组和励磁绕组可以单独控制本发明的直流直线电机。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机的一实施例结构示意图；

图2为本发明电机模组的一实施例结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明的模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机包括初级11和次级10，初级11和次级10均为凸极结构，且两者之间具有气隙。其中，次级10上既无永磁体也无绕组，仅仅由价格较低的直槽或斜槽导磁材料组成，使得本发明特别适用于如轨道交通和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。

初级11包括动子模块110，动子模块110包括第一模块110a和第二模块110b，第一模块110a与第二模块110b之间设有第一非导磁材料114。第一模块110a及第二模块110b均包括两个凸极导磁材料112，两凸极导磁材料112之间可以设置非导磁垫片111，非导磁垫片111用于调节电枢绕组电感，其厚度根据需要调整。凸极导磁材料112设有m个初级齿115，初级齿115为直槽或斜槽，每个初级齿115上都设有集中电枢绕组113；在第一模块110a和第二模块110b中，集中励磁绕组116B套在两凸极导磁材料112的连接处，集中励磁绕组116A、116C套着每个凸极导磁材料112的m个初级齿115。

参见图1，m为电机的相数，取m＝3，即电机具有A、B、C三相，所以凸极导磁材料112有三个初级齿115，每个初级齿115上设有集中电枢绕组113，每个凸极导磁材料112的三个初级齿115上设有集中励磁绕组116A，116C，每个模块中两凸极导磁材料112的连接处也设有集中励磁绕组116B。第一模块110a及第二模块110b均包括一个可调非导磁垫片111、两个凸极导磁材料112、六个集中电枢绕组113和三个集中励磁绕组116A、116B、116C。

第一模块110a和第二模块110b结构相同，相对位移为λ₂＝(k±0.5)τ_s，k为正整数，取k＝4，第一模块110a和第二模块110b的相对位移为4.5*τ_s，τ_s为次级极距；每个模块中两凸极导磁材料112的相对位移为λ₁＝3*τ_m；初级极距和次级极距之比为τ_m/τ_s＝2/3，其中，τ_m为初级极距。

第一模块110a和第二模块110b中的集中励磁绕组116A、116B、116C分别相互串联组成第一模块励磁绕组和第二模块励磁绕组，第一模块励磁绕组和第二模块励磁绕组按照规定方向串联起来进行控制，当按照规定方向通入电流后第一模块励磁绕组和第二模块励磁绕组产生的磁场方向相反，当励磁绕组通入恒定直流电流时，在每个模块中产生恒定磁场，改变直流电流的大小可以控制励磁磁场强度。

由于第一模块110a、第二模块110b和次级10都为凸极齿槽结构，通入励磁电流后初级11与次级10之间产生齿槽力。由于相对定子位移互补特性，第一模块110a和第二模块110b所受齿槽力有180°相位差，且变化趋势相反，因此第一模块110a和第二模块110b合成的齿槽力被大大削弱甚至抵消。

第一模块110a中集中电枢绕组A1和A2串联组成A相第一模块电枢绕组；第二模块110b中集中电枢绕组A3和A4串联组成A相第二模块电枢绕组；A相第一模块电枢绕组与A相第二模块电枢绕组相互串联组成A相电枢绕组。其中，集中电枢绕组A1和A2之间的距离为3*τ_m＝2*τ_s。因此，相对初级11的位移相同，即集中电枢绕组A1和A2串联后可得到总的电磁参数为每个绕组的2倍。

本发明的初级11运动一个电气周期360°(即移动τ_s距离)过程中，A相第一模块电枢绕组和A相第二模块电枢绕组与次级10相对位置存在磁路上的差异。如图1所示位置时，通入直流励磁电流后，如假定此时A相第一模块电枢绕组磁链为负的最小幅值，那么A相第二模块电枢绕组磁链为正的最大幅值。在初级11移动一个周期过程中，A相第一模块电枢绕组磁链幅值变化过程为：负最小幅值——负最大幅值——负最小幅值；而A相第二模块电枢绕组磁链幅值变化过程为：正最大幅值——正最小幅值——正最大幅值。因此，两部分电枢绕组中的磁链变化趋势对称互补，波形相位互差180°。虽然A相第一模块电枢绕组和A相第二模块电枢绕组中的磁链都为单极性磁链，但其合成的A相磁链为双极性磁链且幅值变化范围为每个的2倍。同时，每相电感在一个点周期内的波动幅值减小，从而减小由磁阻推力产生的推力波动。此特点与传统的双凸极直线电机不同。A相第一模块电枢绕组和A相第二模块电枢绕组产生的反电势波形也具有对称性，合成一相绕组后相互抵消一定的谐波分量，从而使每相反电势幅值为A相第一模块电枢绕组和A相第二模块电枢绕组的2倍且对称，初级齿115及次级10均为直槽或斜槽结构，为直槽时可以得到较对称的梯形波，为斜槽时可以得到正弦波。分别适用于无刷直流(BLDC)和无刷交流控制(BLAC)。

B，C两相同样具有A相的特点，三相之间相位互差120°电角度。

当电机需要运行在高速时，减小直流励磁电流的大小，从而减小电机的励磁磁场强度，达到调速目的。低速时需要增加电机推力时，可以增加直流励磁电流的大小，提高输出推力。

本发明的模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机可以是单边平板结构、双边平板结构或圆筒型结构，可以运行在电动机或发电机状态。

参见图2，本实施例中，本发明由模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机构成的电机模组，取n＝2，包括两个动子模块110和设置在两动子模块110之间的第二非导磁材料117，两动子模块110的相对位移为λ₃，适当调整λ₃可以进一步减小整个系统的定位力。

两个动子模块110中属于A相的电枢绕组相互串联组成一个电机绕组或作为多个电机绕组单独控制，从而增加了系统的容错能力。

同样B，C两相具有A相的特点。

由于轨道列车每节车厢较长，因此，多个电机模组可以安置在同一节车厢下。不仅可以提高输出能力，还可以增强容错性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机，包括初级（11）和次级（10），所述初级（11）包括动子模块（110），所述动子模块（110）包括第一模块（110a）、第二模块（110b）和设置在第一模块（110a）和第二模块（110b）之间的第一非导磁材料（114），其特征在于，

所述第一模块（110a）和第二模块（110b）均包括两个凸极导磁材料（112），所述凸极导磁材料（112）设有m个初级齿（115）；所述每个初级齿（115）上设有集中电枢绕组（113），所述两凸极导磁材料（112）的连接处及m个初级齿（115）上分别设有集中励磁绕组（116A,116B,116C）；

所述第一模块（110a）和第二模块（110b）的相对位移为λ₂=(k±0.5)τ_s，

所述第一模块（110a）和第二模块（110b）中两凸极导磁材料（112）的相对位移为λ₁=m*τ_m，

初级极距和次级极距之比为τ_m/τ_s=(m±1)/m，

其中，τ_m为初级极距，τ_s为次级极距，m为电机的相数,k为正整数。

2.根据权利要求1所述的模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机，其特征在于，所述第一模块（110a）及第二模块（110b）均还包括设置在两凸极导磁材料（112）之间厚度可调的非导磁垫片（111）。

3.根据权利要求1所述的模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机，其特征在于，所述第一模块（110a）和第二模块（110b）中的集中励磁绕组（116A,116B,116C）分别相互串联组成第一模块励磁绕组和第二模块励磁绕组，所述第一模块励磁绕组和第二模块励磁绕组相互串联。

4.根据权利要求1所述的模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机，其特征在于，所述第一模块（110a）和第二模块（110b）中属于同相的集中电枢绕组（113）相互串联组成一相电枢绕组。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机，其特征在于，所述初级（11）和次级（10）均为凸极结构，且两者之间具有气隙。

6.根据权利要求5所述的模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机，其特征在于，所述初级齿（115）及次级（10）为直槽或斜槽结构。

7.根据权利要求1至4任意一项所述的模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机，其特征在于，所述次级（10）仅为导磁材料。

8.根据权利要求1至4任意一项所述的模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机，其特征在于，所述模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机是电动机或发电机。

9.由权利要求1至4任意一项所述的模块化互补型初级双馈电无刷直流直线电机构成的电机模组，其特征在于，包括n个动子模块（110）和设置在相邻两动子模块（110）之间的第二非导磁材料（117），n为正整数。

10.根据权利要求9所述的电机模组，其特征在于，所述n个动子模块（110）中属于同相的电枢绕组相互串联组成一个电机绕组或作为多个电机绕组单独控制。