CN103296862A - 一种具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机，利用超导材料的特有性能，解决了现有磁悬浮长行程平面电机承载力低、悬浮力和驱动力交叉耦合等问题。电机由定子和动子组成，定子包括基台和二维永磁阵列，动子包括平台、常导线圈组和超导线圈组。所述平面电机的悬浮力由位于动子平台底部的八组超导线圈组提供，每角有两组超导线圈组，四角分布有四组外围超导线圈组和四组内围超导线圈组，每个超导线圈组由四个独立无铁芯超导线圈组成；所述平面电机的驱动力由位于动子平台底部四边的常导线圈组提供。与传统的磁悬浮长行程平面电机相比，本发明提出的平面电机具有高承载力、悬浮力与驱动力完全解耦、控制简单的优点。

Description

一种具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及一种具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机。

背景技术

随着高温超导材料（HTS）的不断发展，特别是高温超导线圈具有高电流密度，使得高温超导线圈能在稳定磁场中提供高承载力，高温超导磁悬浮应用研究工作具有前所未有的发展前景。

长行程磁浮平面电机具有无机械支撑结构、长行程二维移动的优点，主要应用于制造设备和机器人领域。目前长行程磁浮平面电机的工作模式都是以电枢绕组既提供驱动力又提供悬浮力为主，由于驱动和悬浮的耦合存在，对电机的模型建立和控制策略都要求较高，而且由于绕组线圈载流量的限制，使得电机的驱动力和悬浮力受限，对于大负载高精度的平面电机应用场合，这些长行程磁浮平面电机应用受到一定限制。

发明内容

本发明是为了解决传统长行程磁浮平面电机存在的悬浮力与驱动力耦合、承载力能力低等问题，提出了一种具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机。

为实现上述目的，所述具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机，包括动子和定子，所述动子包括平台、以及设置于平台底部四边的四组常导线圈组；所述定子包括基台、以及安装在基台顶部的由两种极性的永磁体交错排列而成的二维永磁阵列，所述二维永磁阵列的磁化方向垂直于永磁体表面，其特点是，

所述动子还包括设置于平台底部四角的四组外围超导线圈组、以及设置于平台底部且位于四组外围超导线圈组内侧的四组内围超导线圈组；其中，四组外围超导线圈组的几何中心、四组内围超导线圈组的几何中心以及动子平台的几何中心重合，四组内围超导线圈组分别与四组外围超导线圈组一一对应，每个内围超导线圈组邻近与其相对应的外围超导线圈组设置；位于动子平台同一对角线上的两组外围超导线圈组以及位于另一对角线上的两组内围超导线圈组形成第一悬浮力单元组，其余超导线圈组形成第二悬浮力单元组；并且，

每组外围/内围超导线圈组各包括四个独立无铁芯超导线圈；

所述外围/内围超导线圈组中的超导线圈完全位于二维永磁阵列的永磁体的上方时，该超导线圈通电工作；否则，所述外围/内围超导线圈组中的超导线圈部分位于永磁体的上方或全部位于永磁体的外部时，该超导线圈断电不工作；

当所述动子在定子上方移动时，第一悬浮力单元组与第二悬浮力单元组中至少有一组工作，且处于工作状态的第一或第二悬浮力单元组中的各超导线圈组中处于工作状态的超导线圈的个数相同。

优选的是，相邻两组外围超导线圈组之间的距离为(6n+1/2)τ，彼此相对应的外围超导线圈组和内围超导线圈组在X轴方向的距离为τ/2，在Y轴方向的距离为τ；并且，所述常导线圈的宽度为τ；所述常导线圈的长度为2τ，动子平台的面积至少为7τ×7τ；其中，

n为大于等于1的整数；τ为所述二维永磁阵列中彼此相邻的两个同极性的永磁体在X轴/Y轴方向的距离，彼此相邻的两个不同极性的永磁体在X轴/Y轴方向的距离为τ/2。

优选的是，相邻两组外围超导线圈组之间的距离为(6n+1/2)τ，彼此相对应的外围超导线圈组和内围超导线圈组在Y轴方向的距离为τ/2，在X轴方向的距离为τ；并且，所述常导线圈的宽度为τ；所述常导线圈的长度为2τ，动子平台的面积至少为7τ×7τ；其中，

n为大于等于1的整数；τ为所述二维永磁阵列中彼此相邻的两个同极性的永磁体在X轴/Y轴方向的距离，彼此相邻的两个不同极性的永磁体在X轴/Y轴方向的距离为τ/2。

优选的是，每组常导线圈组包括三个无铁芯常导线圈，每个常导线圈为一相绕组，位于动子平台底部两相邻侧边的两组常导线圈组相互垂直，且相对于所述动子平台的几何中心对称分布。

优选的是，所述超导线圈由钇系高温超导带材制成。

本发明的有益效果在于，本发明使平面电机在长行程运动的同时，实现悬浮机构与驱动机构空间完全独立，使悬浮和驱动部分完全解耦，通过判断超导线圈在二维永磁阵列中所处永磁体上方的位置，改变超导线圈的导通状态，实现超导线圈跨极运动，单独提供悬浮力，提高平面电机的控制精度；利用超导线圈的高电流密度，使得平面电机具有高承载力。

附图说明

图1示出了本发明所述的具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机的三维结构示意图。

图2示出了图1所示的具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机的侧面视图。

图3示出了图1中所示的动子以及其上设置的线圈组的示意图。

图4示出了图2中所示的二维永磁阵列的三维结构示意图。

图5示出了图3中所示的一组超导线圈组在二维永磁阵列的磁体上方的总共21种位置示意图，其中，将这21种位置进行分类，即图5a为该超导线圈组中有四个超导线圈处于工作状态的情况，图5b为该超导线圈组中有两个超导线圈处于工作状态的情况，图5c为该超导线圈组中有一个超导线圈处于工作状态的情况，图5d为该超导线圈组中没有超导线圈处于工作状态的情况。

图6示出了本发明所述的具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机的动子的受力示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式。本实施方式所述的具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机，包括定子10和动子20，所述定子10由基台11和安装在基台11顶部的二维永磁阵列12组成，所述动子20由平台21、以及均位于平台21底部的常导线圈组22和超导线圈组23构成，定子10和动子20之间有磁浮气隙。

具体实施方式二：结合图4说明本实施方式。图4为本发明所述二维永磁阵列12的三维视图，所述二维永磁阵列12安装在基台11顶部，并且由两种极性的永磁体交错排列而成，所述二维永磁阵列12的磁化方向垂直于永磁体表面。组成该二维永磁阵列12的永磁体需满足：彼此相邻的两个同极性的永磁体在X轴/Y轴方向的距离为τ，彼此相邻的两个不同极性的永磁体在X轴/Y轴方向的距离为τ/2。

具体实施方式三：结合图3和图4说明本实施方式。图3为本发明所述有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机的动子20的结构示意图。如图3所示，所述动子20由平台21、以及均位于平台21底部的四组常导线圈组22和八组超导线圈组23构成，其中，四组常导线圈组22设置于平台21底部的四边，每组常导线圈组22包括三个无铁芯常导线圈，每个常导线圈为一相绕组，位于动子平台21底部两相邻侧边的两组常导线圈组601和602相互垂直，且相对于所述动子平台21的几何中心对称分布。

所述八组超导线圈组23分为四组外围超导线圈组501、502、503、504和四组内围超导线圈组505、506、507、508，每组外围/内围超导线圈组各包括四个独立无铁芯超导线圈，所述超导线圈的带材首选高温超导带材，主要有铋系高温超导带材（BSCCO）和钇系高温超导带材（YBCO），本发明优选钇系高温超导带材YBCO作为超导线圈带材。其中，四组外围超导线圈组501、502、503、504依次设置在动子平台21底部的四角，四组内围超导线圈组505、506、507、508依次设置于四组外围超导线圈组501、502、503、504的内侧。动子平台21优选为矩形，四组外围超导线圈组501、502、503、504围成的矩形的几何中心、四组内围超导线圈组505、506、507、508围成的矩形的几何中心以及动子平台21的几何中心重合，四组内围超导线圈组501、502、503、504分别与四组外围超导线圈组505、506、507、508一一对应，每个内围超导线圈组邻近与其相对应的外围超导线圈组设置，例如外围超导线圈组501和内围超导线圈组505相对应，且内围超导线圈组505邻近外围超导线圈组501设置。

位于动子平台21同一对角线上的两组外围超导线圈组以及位于另一对角线上的两组内围超导线圈组形成第一悬浮力单元组，其余超导线圈组形成第二悬浮力单元组，结合图3，所述第一悬浮力单元组可以包括外围超导线圈组501、504以及内围超导线圈组506、507，所述第二悬浮力单元组包括外围超导线圈组502、503以及内围超导线圈组505、508。

所述外围/内围超导线圈组中的超导线圈完全位于二维永磁阵列12的永磁体的上方时，该超导线圈通电工作；否则，所述外围/内围超导线圈组中的超导线圈部分位于永磁体的上方或全部位于永磁体的外部时，该超导线圈断电不工作。当所述动子20在定子10上方移动时，第一悬浮力单元组与第二悬浮力单元组中至少有一组工作，且处于工作状态的第一悬浮力单元组或第二悬浮力单元组中的各超导线圈组中处于工作状态的超导线圈的个数相同。

进一步的，所述八组超导线圈组23和四组常导线圈组22的设置需满足下列距离关系：

相邻两组外围超导线圈组之间的距离为(6n+1/2)τ，彼此相对应的外围超导线圈组和内围超导线圈组在X轴方向的距离为τ/2，在Y轴方向的距离为τ（或者，彼此相对应的外围超导线圈组和内围超导线圈组在Y轴方向的距离为τ/2，在X轴方向的距离为τ）；所述常导线圈的宽度约为τ；所述常导线圈的长度约为2τ，动子平台21的面积至少为7τ×7τ，其中，n为大于等于1的整数，τ的取值方式同具体实施方式二中的设置方式。

具体实施方式四：结合图3和图5说明本实施方式。由于二维永磁阵列12的空间对称性，位于二维永磁阵列12上方的一组超导线圈组23(以外围超导线圈组501为例)，在二维永磁阵列12中共有21个空间分布位置。以超导线圈完全位于永磁体上方时通电工作，超导线圈部分在永磁体上方或全部在永磁体外部时断电不工作为原则，为了使超导线圈电流产生的磁场与永磁体产生的磁场产生排斥力，电流方向的规则为磁性为N极永磁体上方的超导线圈电流为顺时针方向，磁性为S极永磁体上方的超导线圈电流为逆时针方向。从而，这21个空间分布位置又可以分为四种工作状态，即：图5a中示出的该外围超导线圈组501中有四个超导线圈处于工作状态的情况、图5b中示出的该外围超导线圈组501中有两个超导线圈处于工作状态的情况、图5c中示出的该外围超导线圈组501中有一个超导线圈处于工作状态的情况、以及图5d中示出的该外围超导线圈组501中没有超导线圈处于工作状态的情况。

根据上述具体实施方式二和三所述的二维永磁阵列12中永磁体以及各线圈组的特殊设置方式，使得当所述动子20在定子10上方移动时，第一悬浮力单元组与第二悬浮力单元组中至少有一组工作，从而平面电机四角在任何时候都有超导线圈处于工作状态。并且，使得第一悬浮力单元组（包括外围超导线圈组501、504以及内围超导线圈组506、507）中的各线圈组的工作状态完全相同，即第一悬浮力单元组中各线圈组中处于工作状态的超导线圈的个数相同；同样地，所述第二悬浮力单元组（包括外围超导线圈组502、503以及内围超导线圈组505、508）中的各线圈组的工作状态完全相同，即第二悬浮力单元组中各线圈组中处于工作状态的超导线圈的个数相同。

例如当外围超导线圈组501中有2个线圈工作，外围超导线圈组502中0个线圈工作。从而，由上述结论可以导出，与外围超导线圈组501同属于第一悬浮力单元组的外围超导线圈组504、以及内围超导线圈组506、507均有2个工作线圈；同时，与外围超导线圈组502同属于第二悬浮力单元组的外围超导线圈组503、以及内围超导线圈组505、508均有0个工作线圈。这样，可以得出，此时，仅由第一悬浮力单元组提供动子平台21的悬浮力，即仅由外围超导线圈组501、504、以及内围超导线圈组506、507提供动子平台217的悬浮力。

具体实施方式五：结合图6说明本实施方式。图6表示了四组常导线圈组22（对应中心点为O1、O2、O3和O4）和八组超导线圈组23（对应中心点为O5、O6、O7、O8、O9、O10、O11和O12）的受力情况。图中ABCD为动子平台21底面的四角，abcd为动子平台21四角ABCD在定子基台11上的投影，动子20在X方向上的驱动力为两个常导线圈组产生的Fx1和Fx2，在Y方向上的驱动力为另两个常导线圈组产生的Fy1和Fy2，在Z方向上的悬浮力为由八个超导线圈组23产生的Fzi(i=1,2,3,4,5,6,7,8)，由具体实施方式四可知Fz1、Fz4、Fz6和Fz7为构成第一悬浮力单元组的四个超导线圈组产生的Z轴方向的悬浮力，Fz2、Fz3、Fz5和Fz8为构成第二悬浮力单元组的四个超导线圈组产生的Z轴方向的悬浮力。

假如一个外围超导线圈组501产生的悬浮力为Fz1=kf(f为一个超导线圈通入电流i，并且定子10与动子20之间距离保持为g时产生的悬浮力，k=0,1,2,3,4)，则当Fz1=2f，Fz2=0时，八个超导线圈组23产生悬浮力为4×(Fz1+Fz2)=8f。如果在下一时刻动子20移动到另外一个位置，此时Fz1=2f′，Fz2=2f′(f′为一个超导线圈通入电流i′，并且定子10与动子20之间距离保持为g时产生的悬浮力)，则该八个超导线圈组23产生悬浮力为4×(Fz1+Fz2)=16f′，这时通过控制超导线圈中的电流使得f＝2f′，使动子20保持稳定悬浮。

从而，本发明使平面电机在长行程运动的同时，实现悬浮机构与驱动机构空间完全独立，使悬浮和驱动部分完全解耦，通过判断超导线圈在二维永磁阵列中所处永磁体上方的位置，改变超导线圈的导通状态，实现超导线圈跨极运动，单独提供悬浮力，提高平面电机的控制精度；利用超导线圈的高电流密度，使得平面电机具有高承载力。

综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims (5)

1.一种具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机，包括动子和定子，所述动子包括平台、以及设置于平台底部四边的四组常导线圈组；所述定子包括基台、以及安装在基台顶部的由两种极性的永磁体交错排列而成的二维永磁阵列，所述二维永磁阵列的磁化方向垂直于永磁体表面，其特征在于：

所述动子还包括设置于平台底部四角的四组外围超导线圈组、以及设置于平台底部且位于四组外围超导线圈组内侧的四组内围超导线圈组；其中，四组外围超导线圈组的几何中心、四组内围超导线圈组的几何中心以及动子平台的几何中心重合，四组内围超导线圈组分别与四组外围超导线圈组一一对应，每个内围超导线圈组邻近与其相对应的外围超导线圈组设置；位于动子平台同一对角线上的两组外围超导线圈组以及位于另一对角线上的两组内围超导线圈组形成第一悬浮力单元组，其余超导线圈组形成第二悬浮力单元组；并且，

每组外围/内围超导线圈组各包括四个独立无铁芯超导线圈；

所述外围/内围超导线圈组中的超导线圈完全位于二维永磁阵列的永磁体的上方时，该超导线圈通电工作；否则，所述外围/内围超导线圈组中的超导线圈部分位于永磁体的上方或全部位于永磁体的外部时，该超导线圈断电不工作；

当所述动子在定子上方移动时，第一悬浮力单元组与第二悬浮力单元组中至少有一组工作，且处于工作状态的第一或第二悬浮力单元组中的各超导线圈组中处于工作状态的超导线圈的个数相同。

2.根据权利要求1所述的具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机，其特征在于：相邻两组外围超导线圈组之间的距离为(6n+1/2)τ，彼此相对应的外围超导线圈组和内围超导线圈组在X轴方向的距离为τ/2，在Y轴方向的距离为τ；并且，所述常导线圈的宽度为τ；所述常导线圈的长度为2τ，动子平台的面积至少为7τ×7τ；其中，

n为大于等于1的整数；τ为所述二维永磁阵列中彼此相邻的两个同极性的永磁体在X轴/Y轴方向的距离，彼此相邻的两个不同极性的永磁体在X轴/Y轴方向的距离为τ/2。

3.根据权利要求1所述的具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机，其特征在于：相邻两组外围超导线圈组之间的距离为(6n+1/2)τ，彼此相对应的外围超导线圈组和内围超导线圈组在Y轴方向的距离为τ/2，在X轴方向的距离为τ；并且，所述常导线圈的宽度为τ；所述常导线圈的长度为2τ，动子平台的面积至少为7τ×7τ；其中，

n为大于等于1的整数；τ为所述二维永磁阵列中彼此相邻的两个同极性的永磁体在X轴/Y轴方向的距离，彼此相邻的两个不同极性的永磁体在X轴/Y轴方向的距离为τ/2。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机，其特征在于：每组常导线圈组包括三个无铁芯常导线圈，每个常导线圈为一相绕组，位于动子平台底部两相邻侧边的两组常导线圈组相互垂直，且相对于所述动子平台的几何中心对称分布。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的具有超导磁悬浮结构的长行程磁浮平面电机，其特征在于：所述超导线圈由钇系高温超导带材制成。

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