CN103051148A - 模块化初级永磁直线电机及由其构成的电机模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模块化初级永磁直线电机及由其构成的电机模组，模块化初级永磁直线电机包括初级和次级。初级包括m或2m个初级模块，每个初级模块包括两个U型导磁材料和设置于U型导磁材料之间的永磁体，τ_m，τ_s，τ_u1，τ_u，w_mt，w_st满足如下关系：τ_m=或≈kτ_s，τ_u1=或≈(j+0.5)τ_s，τ_u1=τ_m-τ_u1，w_mt≤w_st。属于同相的两初级模块之间的相对位移为λ₁=(n±0.5)τ_s或λ₁=nτ_s，属于不同相的两初级模块之间的相对位移为λ₂=(i±1/m)τ_s或λ₂=[i±(0.5-1/m)]τ_s。本发明具有反电势对称、正弦、定位力较小和推力波动小等优点，适合于长次级结构直线电机应用场合。

Description

模块化初级永磁直线电机及由其构成的电机模组

技术领域

本发明涉及一种模块化初级永磁直线电机及由其构成的电机模组，属于电机制造技术领域。

背景技术

随着工业的发展，直线电机得到广泛的应用。与传统的旋转电机驱动方式相比，采用直线电机驱动省去了把旋转运动转换为直线运动的机械齿轮，可以降低成本，较小噪声，降低系统体积，减低维护成本。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。

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推力密度高、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，在如轨道交通等长次级应用场合中无疑导致系统的制造成本和维护成本大幅增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可降低制造成本和维护成本的模块化初级永磁直线电机及由其构成的电机模组。

为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：

本发明的模块化初级永磁直线电机包括初级、次级和集中绕组，初级和次级均为凸极结构，且两者之间具有气隙，初级包括m或2m个初级模块，m为电机的相数；相邻两个初级模块之间填充导磁或非导磁材料；每个初级模块包括两个U型导磁材料和设置在U型导磁材料之间的永磁体；集中绕组设置在初级模块的槽中且套住永磁体；每个U型导磁材料两齿的中轴线之间的距离为τ_u，永磁体两边两U型导磁材料齿的中轴线之间的距离为τ_u1，两个U型导磁材料的中轴线之间的距离为初级极距τ_m，U型导磁材料的齿尖宽度为w_mt，相邻两个次级齿的中轴线距离为τ_s，次级的齿尖宽度为w_st，其中τ_m，τ_s，τ_u1，τ_u，w_mt，w_st满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_m\≈{\mathrm{k\τ}}_s,(k=\mathrm{1,2,3,4}....)\\ {\mathrm{\τ}}_{u1}\≈(j+0.5){\mathrm{\τ}}_s,(j=\mathrm{0,1,2,3,4}....)\\ {\mathrm{\τ}}_u={\mathrm{\τ}}_m-{\mathrm{\τ}}_{u1}\\ w_{\mathrm{mt}}\≤w_{\mathrm{st}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

或

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_m={\mathrm{k\τ}}_s,(k=\mathrm{1,2,3,4}....)\\ {\mathrm{\τ}}_{u1}=(j+0.5){\mathrm{\τ}}_s,(j=\mathrm{0,1,2,3,4}....)\\ {\mathrm{\τ}}_u={\mathrm{\τ}}_m-{\mathrm{\τ}}_{u1}\\ w_{\mathrm{mt}}\≤w_{\mathrm{st}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

k为正整数，j为非负整数，w_st和w_mt的宽度可根据定位力和电磁推力的大小进行优化调整；

当初级模块尺寸参数满足式（1）时，初级包括2m个初级模块，属于同相的两初级模块之间的相对位移为λ₁=(n±0.5)τ_s，属于不同相的两相邻初级模块之间的相对位移为λ₂=(i±1/m)τ_s或λ₂=[i±(0.5-1/m)]τ_s；

当初级模块尺寸参数满足式（2）时，初级包括m或2m个初级模块，当初级具有m个初级模块时，属于不同相的两相邻初级模块相对位移为λ₂=(i±1/m)τ_s或λ₂=[i±(0.5-1/m)]τ_s；当初级具有2m个初级模块时，属于同相的两初级模块之间的相对位移为λ₁=(n±0.5)τ_s或λ₁=nτ_s，属于不同相的两初级模块之间的相对位移为λ₂=(i±1/m)τ_s或λ₂=[i±(0.5-1/m)]τ_s；其中，n，i均为正整数。

该类电机的永磁体和电枢绕组均放置在初级上，次级结构简单无绕组、无电刷、无永磁体，仅为导磁材料，具有功率密度高，结构简单，易于散热，可靠性高等优点。结构的互补性使得该电机的每相绕组具有对称互补性，电机反电势波形对称且近似正弦，而且结构的互补性大大降低甚至抵消电机的定位力。而且，模块化结构有利于生产和安装，特别适用于长定子应用场合，可以大大降低系统成本。

上述同相初级模块中的集中绕组相互串联在一起。

上述次级为导磁材料。由于次级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。

上述相邻两个永磁体采用交替平行充磁。

上述永磁体的高度小于或等于U型导磁材料的高度。

上述模块化初级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。

上述模块化初级永磁直线电机是电动机或发电机。

本发明的电机模组，包括x个所述模块化初级永磁直线电机，x为正整数。

上述x个模块化初级永磁直线电机串联构成一个整体或分开单独控制。从而增加了系统的容错能力。

本发明永磁体设计灵活、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、模块化设计、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、工厂运输传动设备和高层楼房电梯等直线驱动场合。

附图说明

图1为当k=1，j=0，τ_u1=τ_u=0.5τ_m，τ_s=τ_m时，本发明的一个初级模块及部分次级结构示意图；

图2为当k=2，j=0，τ_u1=0.5τ_s，τ_u=1.5τ_s，τ_m=2τ_s时，本发明的一个初级模块及部分次级结构示意图；

图3为当k=3，j=1，τ_m=3τ_s，τ_u=τ_u1=1.5τ_s=0.5τ_m时，本发明的一个初级模块及部分次级结构示意图；

图4为实施例1中，结构为AABBCC的模块化初级永磁直线电机的结构示意图；

图5为实施例1中，结构为ABC-ABC的模块化初级永磁直线电机的结构示意图；

图6为实施例2中，结构为ABCABC的模块化初级永磁直线电机的结构示意图；

图7为实施例2中，结构为2A2B2C的模块化初级永磁直线电机的结构示意图。

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。

实施例1：

本发明包括初级11、次级10和集中绕组113，其中，初级11和次级10均为凸极结构，且两者之间具有气隙。

初级11包括m或2m个初级模块(110)，m为电机的相数；相邻两个初级模块(110)之间填充导磁或非导磁材料114。

每个初级模块110包括两个U型导磁材料111和设置于U型导磁材料111之间的永磁体112，集中绕组113设置在初级模块110的槽中且套住永磁体112。

每个U型导磁材料111两齿的中轴线之间的距离为τ_u，永磁体112两边两U型导磁材料111齿的中轴线之间的距离为τ_u1，一个初级模块110中两U型导磁材料111的中轴线之间的距离为初级极距τ_m，U型导磁材料111的齿尖宽度为w_mt，一个U型导磁材料111中两次级10齿的中轴线距离为τ_s，次级10齿的齿尖宽度为w_st。其中τ_m，τ_s，τ_u1，τ_u，w_mt，w_st满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_m\≈{\mathrm{k\τ}}_s,(k=\mathrm{1,2,3,4}....)\\ {\mathrm{\τ}}_{u1}\≈(j+0.5){\mathrm{\τ}}_s,(j=\mathrm{0,1,2,3,4}....)\\ {\mathrm{\τ}}_u={\mathrm{\τ}}_m-{\mathrm{\τ}}_{u1}\\ w_{\mathrm{mt}}\≤w_{\mathrm{st}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

或

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_m={\mathrm{k\τ}}_s,(k=\mathrm{1,2,3,4}....)\\ {\mathrm{\τ}}_{u1}=(j+0.5){\mathrm{\τ}}_s,(j=\mathrm{0,1,2,3,4}....)\\ {\mathrm{\τ}}_u={\mathrm{\τ}}_m-{\mathrm{\τ}}_{u1}\\ w_{\mathrm{mt}}\≤w_{\mathrm{st}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

k为正整数，j为非负整数，w_st和w_mt的宽度可根据定位力和电磁推力的大小进行优化调整。

在本实施例中，每个初级模块（110）的尺寸关系满足公式（2），在图1中，k=1，j=0，τ_u1=τ_u=0.5τ_m，τ_s=τ_m。如果τ_s和τ_u1保持不变，k由1变为2，可得到一个新的初级模块110如图2所示，在该模块中k=2，j=0，τ_u1=0.5τs，τ_u=1.5τ_s，τ_m=2τ_s。此新的初级模块110仍然满足该类初级永磁电机的基本运行原理。如果k由图1中的1变为3，j由图1中的0变为1，可得τ_m=3τ_s，τ_u=τ_u1=1.5τ_s=0.5τ_m，此时图1中的初级模块变为图3中所示结构。同样，在图3的基础上保持τ_s和τ_u1不变，k由3变为4，可得到又一新的初级模块110，在此模块中k=4，j=1，τ_u1=1.5τ_s，τ_u=2.5τ_s，τ_m=4τ_s。

因此，图1、图2、图3及在其基础上根据公式（2）演变而来的初级模块110都满足本发明的模块化初级永磁直线电机基本工作原理。

为了说明本发明的结构特点及运行原理，本实施例以三相电机（m=3）为例来说明，而构成该电机的初级模块110采用图3所示的初级模块110。

本发明所提供的模块化初级永磁直线电机由2m个初级模块110组成，且相邻两个初级模块110之间填充导磁或非导磁材料114。本实施例中，m=3，即电机具有图中所示A、B、C三相。

在本实施例中，每个初级模块110的尺寸关系满足公式（2），如图4和5所示，k=3，j=1，τ_m=3τ_s，τ_u=τ_u1=1.5τ_s=0.5τ_m，每相包含两个初级模块。不同相中的初级模块110被分为两组，其中不同相的第一组集中绕组为A1、B1、C1，第二组集中绕组为A2、B2、C2。在本实施例中，属于同相的两初级模块110之间的相对位移满足λ₁=(n±0.5)τ_s，在图4中n=6，而在图5中n=18，因此属于同相的两初级模块110具有互补特性。不同点在于图4中属于同相的两个初级模块110相邻放置，而在图5中属于相邻相的两初级模块110放置在一起。因此，为了便于说明，图4中的结构称为“AABBCC”，图5中的结构称为“ABC-ABC”。为了得到三相电机，属于不同相的两初级模块110之间的相对位移需满足λ₂=(i±1/m)τ_s或λ₂=[i±(0.5-1/m)]τ_s即可，m=3，i为正整数。在本实施例图4中，i=12，λ₂=(12+1/m)τ_s=(12+1/3)τ_s，而在图5中，i=6，λ₂=(6+0.5-1/m)τ_s=(6+1/6)τ_s。

对于结构为“AABBCC”和“ABC-ABC”且其初级模块110尺寸关系满足公式（1）或（2）的直线电机都具有如下特点：

第一，初级11运动一个电气周期360°（即移动τs距离）过程中，A、B、C相中第一集中绕组和第二集中绕组与次级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，同相初级模块110之间相对位移为λ₁=(n±0.5)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波形具有较好的周期性，三相总的定位力会被大大削弱甚至抵消。

本发明也可以作为一个电机模块，由x个这样的永磁直线电机模块组合成一个电机模组，x为正整数，进一步减小定位力，提高输出力。其中，这些x个所述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。分别根据每个初级模块的尺寸所满足的条件设计了初级模块的总数，保证其磁路及结构上的互补。从而使该类电机在不同的初级模块尺寸条件下不仅能得到对称、互补，近似正弦的反电势和磁链波形，而且能大大抵消总的定位力。

当相邻初级模块之间采用非导磁材料隔离时，可以减小绕组之间的互感，实现电磁的绝缘，增加容错能力；当相邻初级模块之间采用导磁材料隔离时，虽然漏磁，互感和定位力会稍微增加，但其反电势波形仍然对称、近似正弦且有助于增强初级结构的整体性。

实施例2：

如图6和7所示，本实施例中的模块化初级永磁直线电机与实施例1中的不同点在于属于同相的两初级模块110之间的相对位移都满足λ₁=nτ_s，在图6中n=19，在图7中n=6，因此属于同相的两初级模块110不具有互补特性。同样在图6中属于同相的两个初级模块110相邻放置，而在图7中属于相邻相的两初级模块110放置在一起。因此，为了便于说明，图6中的结构称为“ABCABC”，图7中的结构称为“2A2B2C”。理论上来说为了得到m相电机，属于不同相的两初级模块110之间的相对位移需满足λ₂=(i±1/m)τ_s或λ₂=[i±(0.5-1/m)]τ_s即可，m=3，i为正整数。但对于本实施例，为了得到具有较小的定位力波形的三相永磁直线电机，属于不同相的两初级模块110之间的相对位移只能满足λ₂=(i±1/m)τ_s。在本实施例图6中，i=6，λ₂=(6+1/m)τ_s=(6+1/3)τ_s，而在图7中i=12，λ₂=(12+1/m)τ_s=(12+1/3)τ_s。

值得说明的是，虽然本实施例中属于同相的两初级模块110不具有互补特性，但是由于该实施例的初级模块110尺寸关系满足公式（2），所以，每个初级模块110绕组中的反电势对称、正弦。但是要想得到较小的定位力波形，属于不同相的两初级模块110之间的相对位移需满足λ₂=[i±(0.5-1/m)]τ_s，m=3是不可取的。

另外需要说明的是，如果初级模块110尺寸关系满足公式（1），要想得到对称、正弦的反电势波形和较小的定位力，只能采用实施例1中互补结构“AABBCC”和“ABC-ABC”。此时，属于不同相的两初级模块110之间的相对位移需满足λ₂=(i±1/m)τ_s或λ₂=[i±(0.5-1/m)]τ_s，m=3，i为正整数。

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 (9)

1.模块化初级永磁直线电机，包括初级（11）、次级（10）和集中绕组（113），所述初级（11）和次级（10）均为凸极结构，且两者之间具有气隙，其特征在于，

所述初级（11）包括m或2m个初级模块(110)，m为电机的相数；相邻两个所述初级模块(110)之间填充导磁或非导磁材料（114）；

每个所述初级模块(110)包括两个U型导磁材料（111）和设置在U型导磁材料（111）之间的永磁体（112）；所述集中绕组（113）设置在初级模块(110)的槽中且套住永磁体（112）；

每个所述U型导磁材料（111）两齿的中轴线之间的距离为τ_u，所述永磁体（112）两边两U型导磁材料（111）齿的中轴线之间的距离为τ_u1，两个所述U型导磁材料（111）的中轴线之间的距离为初级极距τ_m，所述U型导磁材料（111）的齿尖宽度为w_mt，相邻两个所述次级（10）齿的中轴线距离为τ_s，所述次级（10）的齿尖宽度为w_st，其中τ_m，τ_s，τ_u1，τ_u，w_mt，w_st满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_m\≈{\mathrm{k\τ}}_s,(k=\mathrm{1,2,3,4}....)\\ {\mathrm{\τ}}_{u1}\≈(j+0.5){\mathrm{\τ}}_s,(j=\mathrm{0,1,2,3,4}....)\\ {\mathrm{\τ}}_u={\mathrm{\τ}}_m-{\mathrm{\τ}}_{u1}\\ w_{\mathrm{mt}}\≤w_{\mathrm{st}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

或

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_m={\mathrm{k\τ}}_s,(k=\mathrm{1,2,3,4}....)\\ {\mathrm{\τ}}_{u1}=(j+0.5){\mathrm{\τ}}_s,(j=\mathrm{0,1,2,3,4}....)\\ {\mathrm{\τ}}_u={\mathrm{\τ}}_m-{\mathrm{\τ}}_{u1}\\ w_{\mathrm{mt}}\≤w_{\mathrm{st}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

k为正整数，j为非负整数，w_st和w_mt的宽度可根据定位力和电磁推力的大小进行优化调整；

当所述初级模块(110)尺寸参数满足式（1）时，所述初级（11）包括2m个初级模块(110)，属于同相的两初级模块(110)之间的相对位移为λ₁＝(n±0.5)τ_s，属于不同相的两相邻初级模块(110)之间的相对位移为λ₂＝(i±1/m)τ_s或λ₂＝[i±(0.5-1/m)]τ_s；

当所述初级模块(110)尺寸参数满足式（2）时，所述初级（11）包括m或2m个初级模块(110)，当所述初级（11）具有m个初级模块(110)时，属于不同相的两相邻初级模块(110)相对位移为λ₂＝(i±1/m)τ_s或λ₂＝[i±(0.5-1/m)]τ_s；当所述初级（11）具有2m个初级模块(110)时，属于同相的两初级模块(110)之间的相对位移为λ₁＝(n±0.5)τ_s或λ₁＝nτ_s，属于不同相的两初级模块(110)之间的相对位移为λ₂＝(i±1/m)τ_s或λ₂＝[i±(0.5-1/m)]τ_s；

其中，n，i均为正整数。

2.根据权利要求1所述的模块化初级永磁直线电机，其特征在于，同相所述初级模块(110)中的集中绕组（113）相互串联在一起。

3.根据权利要求1所述的模块化初级永磁直线电机，其特征在于，所述次级（10）为导磁材料。

4.根据权利要求1所述的模块化初级永磁直线电机，其特征在于，相邻两个所述永磁体（112）采用交替平行充磁。

5.根据权利要求1所述的模块化初级永磁直线电机，其特征在于，所述永磁体（112）的高度小于或等于U型导磁材料（111）的高度。

6.根据权利要求1所述的模块化初级永磁直线电机，其特征在于，所述模块化初级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所述的模块化初级永磁直线电机，其特征在于，所述模块化初级永磁直线电机是电动机或发电机。

8.由权利要求1~7所述的模块化初级永磁直线电机构成的电机模组，其特征在于，包括x个所述模块化初级永磁直线电机，x为正整数。

9.根据权利要求8所述的电机模组，其特征在于，x个所述模块化初级永磁直线电机串联构成一个整体或分开单独控制。

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