CN103296857A - 双边错齿平板型磁通切换永磁直线电机 - Google Patents

双边错齿平板型磁通切换永磁直线电机 Download PDF

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黄旭珍
周波
陈琦
魏佳丹
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Abstract

本发明提供一种双边错齿平板型磁通切换永磁直线电机，属电机技术领域。包括初级和两个次级。初级上，永磁体位于两块导磁的初级铁心齿中间，形成夹层结构，相邻两个夹层结构上的永磁体的充磁方向相反，夹层结构之间为通槽，通槽内为电枢绕组。两个次级位于初级的两边，它们均为具有齿槽结构的导磁铁心。位于初级一边的次级齿与初级另一边相对的次级齿位置相互错开，形成一个次级的齿与另一个次级的槽相对的结构。本发明的双边错齿平板型磁通切换永磁直线电机，工作时，随着初级和其两边次级相对位置的不断变化，磁通切换其路径，与每个槽内绕组匝链的最大磁通来源于相邻的三块永磁体。该电机有利于提高永磁体的利用率，提高推力密度，克服单边磁拉力。

Description

双边错齿平板型磁通切换永磁直线电机
技术领域
本发明属电机领域，特别涉及到一种双边错齿平板型磁通切换永磁直线电机。
背景技术
传统的直线运动多采用旋转电机经同步带、减速齿轮、滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动来实现，该系统存在复杂的中间传动机构，存在系统结构复杂，动态性能受限等缺点。现在，基于直线电机的直接传动技术，去了中间复杂传动机构，已在机床、电梯等直线运动场合应用，而且其应用领域正逐渐扩大到生产及生活的各领域。其中磁通切换双凸极永磁直线电机的电枢绕组和永磁体均位于初级， 按照磁通切换原理工作，具有推力密度高、易于同时实现绕组和永磁体冷却等优点，因此成为一种极具潜力的直线电机拓扑。
单边平板型磁通切换永磁直线电机，存在铁心轭部漏磁大，永磁体利用率低的缺点，而且，存在较大的法向单边磁拉力，因此限制了该类电机的推力及推力密度的提高。
发明内容
本发明为解决现有磁通切换永磁直线电机初级铁心轭部漏磁大、永磁体利用率低等问题，提出一种双边错齿平板型磁通切换永磁直线电机。
本发明的具体技术方案如下：
双边错齿平板型磁通切换永磁直线电机，包括初级和次级，所述次级包括第一次级和第二次级；其中初级由若干个夹层模块连接而成，每个初级夹层模块由永磁体、电枢绕组和两个初级铁心齿组成；第一次级和第二次级均为带齿槽结构的条状导磁铁心，两个次级位于初级的两侧，并分别与初级形成独立的气隙。
两个次级的齿槽相对设置，即第一次级的齿与第二次级的槽相对，第一次级的槽与第二次级的齿相对，形成相互错开的齿槽结构。两个次级长度相等时，两个次级的齿槽数量相等。
初级各夹层模块，可以采用在初级底部或者顶部安装固定端板的形式连接并固定。并将初级各夹层模块安装并固定在该端板上。
两个次级通过在底部安装横梁或者端板结构将二者连接成一体。
电机的初级或次级均可作动子，当初级为动子时，两个次级则为定子；初级与传动机构相连。相反，当次级为动子时，初级则为定子，两个次级同时与传动机构相连。当次级作动子时，第一次级和第二次级的运动方向和运动速度相同。
本发明的工作过程如下：
电机工作时，当第一次级的齿与初级的导磁铁心相对时，第二次级的槽与该初级的齿相对，此时，相邻两个夹芯模块上充磁方向相反的永磁体发出的磁通经两个次级的齿和轭、初级两个模块下的齿和永磁体，以及两个气隙闭合，并与两个初级模块之间通槽内的绕组匝链。此时与槽内同一相绕组匝链的磁通由相邻的三个永磁体产生。
随着动子运动，当第一次级的齿与初级的永磁体相对时，第二次级的槽也正好与初级永磁体相对，此时永磁体发出的磁通一部分经与其相对的初级铁心齿及气隙形成闭合回路。另一部分经第二次级的两个齿、次级轭和气隙形成闭合回路，此时永磁体发出磁通基本不与绕组匝链。
随着动子运动，当第一次级的齿与初级同一模块上第二个初级铁心齿相对时，第二次级的槽也与该齿相对，此时，相邻两个初级模块上充磁方向相反的永磁体发出的磁通经两个次级的齿和轭、初级两个模块下的齿和永磁体，以及两个气隙闭合，并与两个初级模块之间通槽内的绕组匝链。与次级齿与初级模块上第一个初级铁心齿相对时所不同，两相邻初级模块中间通槽内绕组匝链的磁通变为相反方向。同样，此时，与槽内同一相绕组匝链的磁通由相邻的三块永磁体产生。
随着动子继续运动到第一次级的槽及第二次级的齿与下一个永磁体相对时，此时与绕组匝链的反向磁通再次变为0。
本发明具有如下优点：
本发明的双边错齿平板型磁通切换永磁直线电机，工作时，电机初级和两个次级的磁路遵循最小磁阻原理。随着初级和其两边次级相对位置的不断变化，磁通切换其路径，当两个次级和初级的相对位置变化一个极距时，绕组匝链磁通会发生两次周期变化。
该电机与绕组匝链的最大磁通由相邻的三块永磁体产生，永磁体的利用率得以提高。同时，永磁体发出的磁通经两个气隙闭合，克服了单边平板型磁通切换电机初级轭部的漏磁问题，永磁体的利用率进一步提高。尤其，当初级槽和铁心齿越高时，提高永磁体利用率的效果更加明显，只需增加少量的绕组和永磁体，增加一个次级结构，就可实现出力是单边平板型磁通切换双凸极永磁直线电机出力的两倍，而电机体积增加无需两倍，电机的推力密度得以提高。同时，采用双边次级结构，克服了单边磁拉力的不利影响。
附图说明
图1为实施例一双边错齿平板型磁通切换永磁直线电机的结构示意图。
图2为初级上单个夹芯模块结构示意图。
图3所示为次级和初级相对位置不同时磁力线分布示意图。
3a）次级齿3-1与初级铁心齿1-1-1相对情况。
3b）次级齿3-1与初级永磁体1-3-1相对情况。
3c）次级齿3-1与初级铁心齿1-1-2相对情况。
3d）次级槽3-2与初级永磁体1-3-1相对情况。
图4为永磁体磁通部分与绕组匝链时的磁链分布示意图。
图中：1-1初级铁心齿；1-2初级铁心齿；1-3永磁体；1-4电枢绕组；2-第一次级；3-第二次级；4-气隙；5-气隙；6-主磁通；7-主磁通；8～17为磁通；1-3-1永磁体；1-3-2永磁体；A，X-a相绕组的正负端；B，Y-b相绕组的正负端；C，Z-c相绕组的正负端。
具体实施方式
实施例一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施例的双边错齿平板型磁通切换永磁直线电机，包括初级1、第一次级2和第二次级3。其中初级1由若干个由夹芯模块组成，每个夹芯模块由两个初级铁心齿1-1和1-2、一块永磁体1-3和电枢绕组1-4组成。永磁体1-3位于两块导磁的初级铁心齿1-1和1-2中间，形成夹层结构。相邻的夹层结构上的永磁体具有相反的充磁方向。由永磁体和铁心形成的两个相邻夹层模块之间为通槽，通槽内为电枢绕组1-4。
第一次级2和第二次级3分别位于初级1的两侧，它们均为具有齿槽结构的条状导磁铁心，分别与初级1形成两个独立的气隙5和气隙4。位于初级一边的次级齿与初级另一边相对的次级齿位置相互错开，形成位于初级两边的次级齿与槽相对的结构。
当次级用作动子时，两个次级的速度相同。如图3（a）所示，当第二次级3的齿3-1与初级1的齿1-1-1相对时，第一次级2的槽2-2与初级1的齿1-1-1相对，此时，与A相绕组匝链的其中一主要磁通6的路径为：第二次级3的铁心轭和齿——气隙4——初级1上永磁体1-3-1及其两边的初级铁心齿——气隙5——第一次级2的齿和轭——初级1上永磁体1-3-2及其两边的初级铁心齿。此时充磁方向相反的两个永磁体发出的磁通，经两个气隙、两个次级上相应的齿和轭、四个初级铁心齿与绕组匝链。同时还存在另一与a相绕组匝链的磁通路径，即，由永磁体1-3-1和其另一边永磁体1-3-2发出的磁通7，同样经四个初级铁心齿、两个气隙、和两个次级相应的齿和轭闭合。此时，永磁体发出磁通与绕组匝链最多。
如图3（b）所示，当第二次级3的齿3-1与初级1的永磁体1-1-3相对时，第一次级2的槽2-2也与该永磁体相对，此时永磁体1-3-1发出的部分磁通8经永磁体两边的初级铁心齿、气隙4及与该永磁体相对的次级齿3-1闭合，该磁通不与任何相绕组匝链。永磁体1-1-3发出的其它磁通9经该永磁体两边的初级铁心齿、气隙5、次级槽2-2两边的次级齿闭合，该磁通也不与任何相绕组匝链。可见此时永磁体发出磁通与绕组匝链最少。
如图3（c）所示，当第二次级3的齿3-1与初级1的齿1-1-2相对时，第一次级2的槽2-2与初级1的齿1-1-2相对，此时，与a相绕组匝链的主磁通包括磁通10和11，它们与次级齿3-1和初级铁心齿1-1-1相对时的主磁通6和7的路径基本相同，所不同的时，磁通方向变为反向。
如图3（d）所示，当第二次级3运动到的其槽3-2与初级1的永磁体1-3-1相对时，第一次级2的齿2-3也与永磁体1-3-1相对，此时永磁体1-3-1发出的磁通12经该永磁体两边的初级铁心齿、气隙4、次级槽3-2两边的次级齿及轭闭合，该磁通不与任何相绕组匝链。永磁体1-3-1发出的其余磁通13经永磁体两边的初级铁心齿、气隙5及与该永磁体相对的次级齿2-3闭合，该磁通也不与任何相绕组匝链。可见此时永磁体发出磁通与绕组匝链最少。
其中，图4所示为永磁体发出的磁通部分与绕组匝链，可见绕组1-4两边的永磁体1-3-1和永磁体1-3-3发出的磁通，部分直接经初级铁心齿、第二次级3上的齿和轭闭合，形成不与任何相绕组匝链的磁通16和17。充磁方向相反的两个相邻永磁体发出的其它磁通14和15，经四个初级铁心齿，第一次级2和第二次级3相应的齿和轭，以及气隙4和5闭合，并与绕组匝链。此时，与绕组匝链磁通最大时由三块永磁体发出不同，此时，与a相绕组匝链的磁通由相邻的两块充磁方向相反的永磁体发出。随着次级向右（或向左），此时绕组匝链磁通有减小（或增大）的趋势。
可见，随着第一次级2和第二次级3做直线运动，绕组匝链磁通切换发生变化。永磁体发出的磁通经两个气隙与绕组匝链，与绕组匝链的磁通，经过了由三块永磁体发出磁通逐渐减小为0，然后磁通反向，又逐渐减小的过程。
该电机使永磁体利用率提高，且克服了单边平板型磁通切换双凸极永磁直线电机初级轭部的漏磁严重问题。尤其，当初级槽较深时，该效果更佳明显，只需增加少量的绕组和永磁体，增加一个次级结构，就可实现出力是单边平板型磁通切换双凸极永磁直线电机出力的两倍，而电机体积增加无需两倍。

Claims (7)

1.双边错齿平板型磁通切换永磁直线电机，包括初级（1）和次级，其特征是：所述次级包括第一次级（2）和第二次级（3）；其中初级（1）由若干个夹层模块连接而成，每个初级夹层模块由永磁体（1-3）、电枢绕组（1-4）和两个初级铁心齿组成；第一次级（2）和第二次级（3）均为带齿槽结构的条状导磁铁心，两个次级位于初级（1）的两侧，并分别与初级（1）形成独立的气隙。
2.根据权利要求1所述的双边平板型磁通切换永磁直线电机，其特征是：两个相邻夹层模块之间可以为通槽结构。
3.根据权利要求1所述的双边平板型磁通切换永磁直线电机，其特征是：两个次级的齿槽相对设置，第一次级（2）的齿（2-1）与第二次级（3）的槽（3-2）相对，第一次级（2）的槽（2-2）与第二次级（3）的齿（3-1）相对，形成相互错位排布的齿槽结构。
4.根据权利要求1所述的双边平板型磁通切换永磁直线电机，其特征是：两个次级长度相等时，两个次级的齿槽数量相等。
5.根据权利要求1所述的双边平板型磁通切换永磁直线电机，其特征是：在初级底部或者顶部安装固定端板，并将初级各夹层模块安装并固定在该端板上。
6.根据权利要求1所述的双边平板型磁通切换永磁直线电机，其特征是：所述两个次级通过在底部安装横梁或者端板结构将二者连接成一体。
7.根据权利要求1所述的双边平板型磁通切换永磁直线电机，其特征是：初级（1）作为定子时，初级（1）与传动机构相连；或两个次级作为动子，两个次级同时与传动机构相连。
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