CN102938602A - 一种减省永磁材料的容错直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减省永磁材料的容错直线电机，属于电机制造技术领域。一种减省永磁材料的容错直线电机，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，其中初级包括凸极结构的电枢齿、凸极结构的容错齿，电枢齿与容错齿交错间隔排列，每个电枢齿上缠绕着集中绕组，每个电枢齿的端部贴装有永磁体，永磁体宽度为电枢齿齿宽的一半，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。本发明在一定程度上解决了传统磁通反向直线电机的漏磁严重的问题，提高了永磁体利用率，间接减少了电机制造成本，同时又使磁通反向直线电机具有较高的容错的性能，使之在要求高可靠性的轮轨交通中具有不错的应用前景。
Description
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磁通反向直线电机，尤其适用于要求高可靠性长行程的轨道交通系统中。
背景技术
随着我国经济建设的不断深入，地域广阔，人口众多带来的诸多交通问题，对我国的轮轨交通系统提出了巨大的挑战。过去在需要直线运动场合，通常由旋转电机驱动一些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，导致精度的下降，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。
在现有的轮轨交通中，用直线电机直接产生直线牵引力的列车已经在轮轨交通中得到了成功的应用，比如我国首条直线电机运载系统广州地铁四号线。它采用直线电机牵引列车，舍去了旋转电机牵引所包含的中间传动装置，不仅缩减了列车的制造成本减小了列车体积，同时还提高了列车运行的稳定性与可靠性，对轮轨交通的发展有着重要意义。但同时它也存在着一些缺陷：由于所采用的直线电机是感应式的电机致使它的功率因数、效率都比较低。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，在长线的交通系统中的建设成本都将是巨大的，也是对物质资源的一种浪费，因为轨道上放置了永磁体或是绕组，所以轨道的维护也十分复杂。
针对上述缺点，现今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，这样导轨的结构也比较简单易于维护。这种初级永磁型直线电机具有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轨道场合，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合应用于轮轨交通中。
传统的磁通反向电机就是一种初级永磁型直线电机，它的结构如图1所示。专利申请号为200810095825.0的专利申请对它有详细的说明。它同时具有成本低，效率高的优点。但由于安装在每个齿下的两块永磁体极性相反，在初级齿与次级齿上容易形成漏磁致使永磁体的利用率不高。相与相之间磁链耦合也比较严重(磁通分布如图3所示)，因此,当电机某一相发生故障时，便不能正常运行，容错性能比较差。用这种电机提供列车的牵引力，列车运行时的可靠性不高，容易发生危险。
发明内容
针对现有电机技术的不足，本发明提出了一种减省永磁材料的容错直线电机，可以解决传统磁通反向直线电机的漏磁严重的问题，提高永磁体利用率，间接减少电机制造成本，同时使磁通反向直线电机具有较高的容错的性能。
具体地说，本发明是采取以下的技术方案来实现的：一种减省永磁材料的容错直线电机，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，其中初级包括凸极结构的等齿宽的电枢齿、凸极结构的等齿宽的容错齿，电枢齿与容错齿交错间隔排列，每个电枢齿上缠绕着集中绕组，每个电枢齿的端部贴装有永磁体，永磁体宽度为电枢齿齿宽的一半，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。
本发明的进一步特征在于：所述电枢齿极距与所述容错齿极距相等，相邻的电枢齿与容错齿之间的距离为电枢齿极距的一半，次级齿极距与电枢齿极距满足公式τs＝kτp±(1/m)τp，其中τs为电枢齿极距、τp为次级齿极距、k为正整数，m为电机的相数。
本发明的进一步特征在于：电枢齿个数与次级齿个数满足公式Nsτs＝Npτp和Ns/m＝n，其中Ns为电枢齿个数、Np为次级齿个数、n为正整数。
本发明的进一步特征在于：初级和次级均由导磁铁芯制成。
本发明的有益效果如下：本发明采用了特殊的初级结构，将各相线圈绕组通过容错齿依次隔离开来，降低了相与相之间的互感，使电机具有较好的容错性能。与此同时，本发明又采用了特殊的永磁体贴装结构，提高了永磁体的利用率，节约了成本。初级结构也易于实现模块化，便于生产与组装。因此，本发明在一定程度上解决了传统磁通反向直线电机的漏磁严重的问题，在提高了永磁体利用率、间接减少了电机制造成本的同时又使磁通反向直线电机具有较高的容错的性能，使之在要求高可靠性的轮轨交通中具有不错的应用前景。
附图说明
图1为一种传统的磁通反向直线电机结构图。
图2为本实施例磁通反向直线电机结构图。
图3为一种传统的磁通反向直线电机空载磁场分布图。
图4为本实施例磁通反向直线电机空载磁场分布图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
本发明的磁通反向直线电机的核心电磁结构如图2所示，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，可得到电机为三相，电枢齿个数Ns为6，次级齿数Np为20，电枢齿极距与次级齿距比为20/6。
本发明磁通反向电机机构如图2所示，包括初级1，次级2，初级中包括绕有线圈的电枢齿10，容错齿11，绕组线圈12，永磁体13。
次级2由均匀分布的等宽的凸极齿20构成，结构简单。初级和次级均由导磁铁芯制成。
电机为三相，有六个电枢齿，绕组采用集中绕组绕制方法，六个电枢齿上绕制的线圈依次为A1相，B1相，C1相，A2相，B2相，C2相,各个线圈绕向一致,将A1，A2两相正向串联得到A相，将B1，B2两相正向串联得到B相，将C1，C2两相正向串联得到C相。
每个电枢齿10下面贴装有一块永磁体13，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。本实施例中相比于传统的磁通反向电机每个电枢齿下贴装的永磁体只有电枢齿宽度的一半，节约了永磁材料的用量，通过有限元分析软件还可以看出实施例中永磁体的利用率也比传统的磁通反向电机要高。
由于初级中引入了容错齿11，线圈上的磁通大部分通过电枢齿10和电枢齿两侧的容错齿11构成回路，只有很少的磁通与其他线圈交链，这样就大大降低了相与相之间的互感，提高了电机的容错的性能。
图3为传统的磁通反向直线电机空载磁场分布图。从图示可以可出由于贴装在一个电枢齿表面的两块永磁体极性是相反的，因此容易和电枢齿下的正对的动子上的凸极齿构成漏磁回路，这样就使永磁体的利用率不高，间接提高了电机的制造成本。
图4为本发明实施例磁通反向直线电机空载磁场分布图。从图示可以看出由于每个电枢齿的表面只贴有一块永磁体，因此这种结构，相比于传统的磁通反向直线电机，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。同时，图4在每两个电枢齿之间都加入一个容错齿。因此相比于图3，图4的磁场分布又有所不同。可以看到在图4中正是由于加入了电枢齿，使各个线圈绕组上的有效磁通，大部分都是通过自身的电枢齿和自身电枢齿临近的容错齿构成回路。相邻绕组之间很少有磁链的交链。通过合理的调节电枢齿槽宽与容错齿槽宽，便可使相间的磁路相互独立，很好的实现相间的隔离，降低互感，提高电机的容错性能。
下表为传统磁通反向直线电机（图1）和本发明实施例（图2）的电机电感情况的比较。从表中可以看出由于引入了容错齿，本发明实施例中电机的互感与自感比相比于传统的磁通反向直线电机的确有所降低。这便证明了本实施例电机的相间磁路更具独立性，具有较高的容错性能。
通过上述的分析，说明了本发明在一定程度上解决了传统磁通反向直线电机的漏磁严重的问题，提高了永磁体利用率，间接减少了电机制造成本，同时又使磁通反向直线电机具有较高的容错的性能，使之在要求高可靠性的轮轨交通中具有不错的应用前景。
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)
1.一种减省永磁材料的容错直线电机，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：其中初级包括凸极结构的等齿宽的电枢齿、凸极结构的等齿宽的容错齿，电枢齿与容错齿交错间隔排列，每个电枢齿上缠绕着集中绕组，每个电枢齿的端部贴装有永磁体，永磁体宽度为电枢齿齿宽的一半，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。
2.根据权利要求1所述的一种减省永磁材料的容错直线电机，其特征在于：所述电枢齿极距与所述容错齿极距相等，相邻的电枢齿与容错齿之间的距离为电枢齿极距的一半，次级齿极距与电枢齿极距满足公式 
，其中
为电枢齿极距、
为次级齿极距、k为正整数，m为电机的相数。
3.根据权利要求2所述的一种减省永磁材料的容错直线电机，其特征在于：电枢齿个数与次级齿个数满足公式
和
，其中
为电枢齿个数、
为次级齿个数、n为正整数。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种减省永磁材料的容错直线电机，其特征在于：初级和次级均由导磁铁芯制成。
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