CN102931802A - 一种互补型容错直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种互补型容错直线电机，属于电机制造技术领域。一种互补型容错直线电机，包括初级、次级，次级为等齿宽的凸极结构，初级和次级之间具有气隙，所述初级由偶数个模块组成，每个模块包含有多个凸极结构的电枢齿，每个电枢齿上绕有集中绕组，每个电枢齿下方贴装有永磁体，相邻模块之间用导磁材料连接。本发明电机避免使用斜极、加装辅助齿等传统的削弱端部效应的方法，仅仅用简单的互补型结构就达到了削弱直线电机中因为端部效应所产生的不利影响的目的，从而获得更加正弦对称的反电势，较小的定位力与推力波动。本发明电机不加入占用槽空间的容错齿或隔离齿，能在不牺牲电机功率密度前提下，同时获得较高的容错性能。

Description

一种互补型容错直线电机

技术领域

本发明属于电机制造技术领域，更准确地说是涉及一种初级永磁直线电机，尤其适用于轮轨交通等需要高可靠、高效率的直线驱动领域。

背景技术

过去在需要直线运动场合，通常由旋转电机驱动中间传动装置将电机的旋转运动转换成直线运动。但由于中间机械传动装置的结构比较复杂，在长时间的运转中容易摩擦磨损，导致精度下降，给提高控制精度，及运动的可靠性带来问题。同时位置、速度、加速度受制于传动装置的机械结构特性（刚度、惯性），也制约了高精度直线驱动性能的提高。

直线电机直接驱动，舍去了旋转电机驱动所包含的中间传动装置，不仅缩减了制造成本减小体积，同时还提高了直线运动的稳定性与可靠性，对轮轨交通的发展有着重要意义。现今在直线电机直接驱动系统中所采用的直线电机大多是感应式的电机。直线感应电机虽然制造方便，成本较低。但是它的功率因数、效率都比较低。对气隙的变化也较为敏感。而永磁同步电机与电励磁的感应电机相比却有着很高的功率因数和效率，可无论是将永磁同步电机的绕组沿轨道铺设，还是将永磁体沿轨道铺设，在长线的直线运动系统中的建设成本都将是巨大的，对物质资源的一种浪费。

针对上述缺点，国内外学者提出了一类定子永磁型双凸极旋转电机：就是将永磁体与绕组均放置在定子上，而转子为简单的凸极结构。将这种旋转电机展开为直线电机，永磁体和绕组所在的定子可以设为直线电机的短动子（初级）安装在车体下面，这样便减少了永磁材料和铜线的用量。原本旋转电机的凸极转子，可以将其展开后作为直线电机的长定子（次级）安装在列车的轨道上，这样导轨的结构简单，机械强度大，易于维护。这种初级永磁型直线电机便具有了永磁同步直线电机效率高、力能指标高的优点，同时在应用于长线的交通列车场合，它的制造成本也低的多。因此这类初级永磁型直线电机十分适用于长线的轮轨交通中。

然而由传统的双凸极旋转电机展开的得到的初级永磁直线电机，因为直线电机特有的端部效应，致使各相的磁路不对称，进而带来各相的反电势波形不对称，定位力较大等一系列问题。中国授权发明专利CN201010119957.X公开了一种在初级加装辅助齿减小直线电机端部效应的方法。辅助齿为端部漏磁通提供了路径，可使漏磁通转变为有效磁通，这样使穿过位于端部的线圈磁通的路径与内线圈的情况类似，减弱了端部效应给磁路带来的不平衡，改善了对称性。但是辅助齿的添加增加了电机的尺寸和永磁体用量，降低了电机整体的功率密度。中国授权发明专利CN201010584004.0公开了一种在初级中间加入由非导磁材料制成的磁障，将初级分成两个模块，通过两个模块结构上的互补来达到抑制直线电机端部效应的目的。这种方法既保证了电机的功率密度又减小了端部效应，但电机的相间磁路耦合严重，容错性能比较差。

而在要求高可靠性运行的直线系统，例如轮轨交通中，又必须要提高直线电机的容错性能。传统的提高直线电机容错性能的方法主要有两种：一种是在初级中相邻的电枢齿中间加入一个由导磁材料制成的容错齿，使各个电枢齿上的绕组相互隔离（CN201010120847.5）。另一种是在初级中，相邻电枢齿的正中间加入合适大小的非导磁材料制成的隔离齿，使各相绕组相互隔离（CN 201010169681.6)。这两种方法都可以使各相磁路相互独立，降低互感，提高该电机的容错性能。但是在直线电机初级长度一定的条件下，不管加入的是由导磁材料制成的容错齿还是由不导磁材料制成的隔离齿，都会占用一定的槽空间，从而降低了电机的功率密度。

发明内容

本发明的目的是，针对现有电机技术的不足，基于现有的定子永磁型旋转电机及其初级永磁型直线电机结构的基础、提出一种互补型容错直线电机。本发明电机避免使用斜极、加装辅助齿等传统的削弱端部效应的方法，仅仅用简单的互补型结构就达到了削弱直线电机中因为端部效应所产生的不利影响的目的，从而获得更加正弦对称的反电势，较小的定位力与推力波动。本发明电机不加入占用槽空间的容错齿或隔离齿，能在不牺牲电机功率密度前提下，同时获得较高的容错性能。

具体地说，本发明是采取以下的技术方案来实现的：一种互补型容错直线电机，包括初级、次级，次级为等齿宽的凸极结构，初级和次级之间具有气隙，所述初级由n个模块组成，n为大于等于2的偶数；每个模块包含有m个凸极结构的等齿宽的电枢齿，其中m为电机的相数，每个电枢齿上绕有集中绕组，每个电枢齿下方贴装有永磁体；相邻模块之间用导磁材料连接，相邻模块间的相对位移为λ₁＝(j±0.5)τ_p，次级极距与初级极距满足τ_s＝kτ_p±(1/m)τ_p，其中τ_s为电枢齿极距、τ_p为次级齿极距、k和j为正整数。

本发明的进一步特征在于：所述初级相邻模块中的属于同一相的集中绕组通过反向串联进行连接。

本发明的进一步特征在于：所述每个电枢齿下方贴装的永磁体为两块大小相同、充磁方向相反的永磁体，每块永磁体的宽度为每个电枢齿齿宽的一半。

本发明的进一步特征在于：所述每个电枢齿下方贴装的永磁体为一块宽度为每个电枢齿齿宽一半的永磁体，每个电枢齿上的永磁体的充磁方向一致且与每个电枢齿的中心轴线平行。

本发明的有益效果如下：

1、本发明避免使用斜极、加装辅助齿等传统方法平衡直线电机端部绕组的磁路，减小了直线电机初级的长度和质量，节约了材料。

2、本发明不加入占用槽空间的容错齿或隔离齿，而是将各相绕组反向串联来降低互感，因此，在不降低电机功率密度的前提下，获得了较高的容错性能。

3、本发明相邻两个模块之间的连接部分也是由导磁材料制成，因此两个模块既可以分开制造，也可以作为一个整体加工，使电机的制造和安装更加方便灵活。

4、本发明初级的相连两个模块中，属于同一相的两套集中绕组是反向串联的，并且在空间上互差180度的电角度，这就使反电势的基波得到了增强，而谐波部分相互抵消。这一定程度上削弱了端部效应对磁路的不良影响，进而使各相反电势的波形更加正弦对称，解决了传统直线电机由于端部效应致使各相的反电势不平衡的问题。

5、本发明初级的相连两个模块空间相位互差180度的电角度，这两个相连模块的定位力波形也相差180度的电角度，因此这两个相连模块合成的定位力大大减小，甚至抵消。

6、本发明初级上的电枢绕组采用集中绕组，嵌线方便，端部较短，能够减小电机的电阻和铜耗。

7、本发明永磁体贴装于电枢齿表面，易于永磁体的散热，避免了永磁体因为温升而导致的不可逆退磁。

附图说明

图1为本发明实施例直线电机的结构示意图。

图2为本发明又一种实施例直线电机的结构示意图。

图3为本发明实施例直线电机的绕组接线示意图。

图4为本发明实施例直线电机和与之对应的传统直线电机的定位力波形图。

图5为本发明实施例直线电机的反电势波形图。

图6为本发明实施例直线电机A相电枢反应磁场分布图。

图7为本发明实施例直线电机的A相电感波形图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细描述。

为了能够更加简单明了的说明本发明直线电机的结构特点和有益效果，下面结合一个具体的三相电机来进行详细的表述。

如图1所示的本发明初级永磁直线电机，包括凸极结构的初级1和次级2。初级1与次级2之间具有气隙，其中初级1是由导磁材料制成的模块10a和模块10b构成，两个模块之间用导磁材料14相连。初级1中包含电枢齿11，每个电枢齿11上绕有一套集中绕组线圈12，极性相对的两块永磁体13采用表面贴装的形式固定在电枢齿11的端部，每块永磁体的宽带为电枢齿齿宽的一半。各个电枢齿上集中绕组绕组连接方式如图3所示。次级2上既无绕组，也无永磁体，仅由价格低廉的导磁材料制成。次级2由均匀分布的等宽的凸极齿构成，结构简单。因此，本发明特别适用于长线程的轮轨交通中。

图2给出了另一种本发明初级永磁直线电机的结构。与图1相比，图2的区别在于每个电枢齿的表面只贴有一块永磁体，每块永磁体的宽度为电枢齿齿宽的一半，每个永磁体13的充磁方向都平行于电枢齿的中心线且方向一致，如图2中永磁体13的向下箭头所标明的方向。这种结构的好处是能够节约永磁材料的用量，同时大大降低了消耗在漏磁回路上的漏磁通，进而增大了有效磁通，提高了永磁体的利用率。

为了更清楚的解释本发明，将本发明直线电机的极槽比具体化，根据上文所提出的公式，取m=3，即为三相电机，n=2，即电机由两个模块构成。第一模块10a与第二模块10b相对位移λ₁＝(j±0.5)τ_p，取j=10，即第一模块10a与第二模块10b相对位移λ₁＝10.5τ_p，τ_p为次级极距。此时初级的两个模块10a和10b空间相位互差180度的电角度，所以这两个模块的定位力波形也互差180度的电角度。因此这两个模块合成得到的定位力大大减小，甚至抵消。由图4可得为本发明直线电机的定位力相比于对应的传统直线电机确实削弱了不少。

次级极距与同一模块中初级极距满足τ_s＝kτ_p±(1/m)τ_p，其中，次级极距为τ_p，初级极距为τ_s，k为正整数，m为电机的相数、本例中等于3。取k=3，即 ${\mathrm{\τ}}_s=\frac{10}{3}{\mathrm{\τ}}_p.$

如图3所示：第一模块10a中A相集中电枢绕组A1与第二模块10b中A相集中电枢绕组A2反向串联组成A相。因为分属在两个模块上的A相的两套绕组在空间上相差10.5τ_p，即相差180度的电角度，所以在同一个电周期内通过A1线圈磁链变化为：正的幅值最大-负的幅值最大-正的幅值最大，通过A2线圈磁链变化为：负的幅值最大-正的幅值最大-负的幅值最大，又因为A1与A2绕组是反向串联的这就使A相的磁路具有互补性。同理B相和C相也具有互补性，这就使三相反电势的基波都得到了增强，而高次偶次谐波部分相互抵消。一定程度上减弱了端部效应对磁路的不良影响，进而使各相反电势的波形更加正弦对称，解决了传统直线电机由于端部效应的不良影响致使各相的反电势不平衡的问题。图5给出了本发明实施例直线电机反电势波形图，由图可见，三相反电势正弦对称，易于进行无刷交流驱动。

图6为本实施例A相电枢反应磁场分布，不考虑永磁磁势将永磁体设置为相对磁导率大于1的空气介质，只对A相通电时的电枢反应磁场。从图6中可以看到：A相绕组产生的电枢磁通大部分经过自身的电枢齿，气隙与电枢齿下对应的次级齿构成回路，几乎没有磁通匝链B相和C相，相间的耦合很小，各相相互独立。

图7为本发明实施例直线电机的A相电感波形图，可以看到A相互感近似为0，因此，本发明具有较高的容错性能。

本发明初级永磁直线电机避免使用斜极、加装辅助齿等传统的削弱端部效应的方法，仅仅用简单的互补型结构就达到了削弱直线电机中因为端部效应所产生的不利影响的目的，从而获得更加正弦对称的反电势，较小的定位力与推力波动。同时不加入占用槽空间的导磁的容错齿或不导磁的隔离齿，间接提高了功率密度，且获得较高的容错性能。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (4)

1.一种互补型容错直线电机，包括初级、次级，次级为等齿宽的凸极结构，初级和次级之间具有气隙，其特征在于：所述初级由n个模块组成，n为大于等于2的偶数；每个模块包含有m个凸极结构的等齿宽的电枢齿，其中m为电机的相数，每个电枢齿上绕有集中绕组，每个电枢齿下方贴装有永磁体；相邻模块之间用导磁材料连接，相邻模块间的相对位移为                                                

，次级极距与初级极距满足

，其中

为电枢齿极距、

为次级齿极距、k和j为正整数。

2.根据权利要求1所述的一种互补型容错直线电机，其特征在于：所述初级相邻模块中的属于同一相的集中绕组通过反向串联进行连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种互补型容错直线电机，其特征在于：所述每个电枢齿下方贴装的永磁体为两块大小相同、充磁方向相反的永磁体，每块永磁体的宽度为每个电枢齿齿宽的一半。

4.根据权利要求1或2所述的一种互补型容错直线电机，其特征在于：所述每个电枢齿下方贴装的永磁体为一块宽度为每个电枢齿齿宽一半的永磁体，每个电枢齿上的永磁体的充磁方向一致且与每个电枢齿的中心轴线平行。

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