CN103647431A - 次级模块化各极独立式永磁直线容错电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种次级模块化各极独立式初级永磁型电机，包括初级和次级，初级和次级之间存在气隙；初级的长度小于次级的长度，初级上交替分布有多个电枢齿和励磁齿，每个电枢齿上均绕有一套电枢绕组，每个励磁齿的顶面贴装有永磁体，电枢齿的高度等于励磁齿的高度加上永磁体的高度，多个永磁体的充磁方向呈N-S、S-N交替排列，充磁方向平行于电枢齿的中心轴线；次级由多个独立的、导磁材料制成的扇形结构构成；初级与次级的极距比满足：τ_s/τ_p=1±1/m。本发明减小车身和隧道的高度，降低了成本；各相独立解耦，可靠性高，减小了边端效应，使得各相反电势更对称。

Description

次级模块化各极独立式永磁直线容错电机

技术领域

本发明属于机电领域，尤其是一种次级模块化各极独立式永磁直线容错电机。

背景技术

随着工业的发展和人们对伺服驱动系统提出的更高要求，直线电机得到了越来越广泛的应用。采用直线电机驱动可以省略将旋转运动转换为直线运动的传动装置，从而降低了系统成本，减小了系统体积，提高了系统精度。特别是在轨道交通应用中，采用旋转电机驱动时牵引力由旋转电机产生后，需通过齿轮和传动连杆传到轮轴上，再通过轮轨间蠕滑的作用来推动车辆。一旦轮轨间传递的力超过轮轨允许的最大黏着力，电车就会空转，从而丧失牵引能力；制动时，则会出现车轮滑行现象。另一方面，由旋转电机驱动的机车整体高度较高，而机车整体高度决定了地铁施工的横断面面积，直接影响成本。

因此，直线驱动技术正逐步应用于轨道交通方面，包括直线感应电机和永磁直线电机。其中直线感应电机的机械结构简单，但是功率密度和效率均不高，对气隙的变化也较为敏感；永磁直线电机与直线感应电机相比，效率高、体积小、重量轻，同时具有永磁电机和直线电机的双重优点，但无论是将电枢绕组沿轨道铺设，还是将永磁体沿轨道铺设，在轨道交通这种长行程的直线驱动系统中，都会造成制造成本过大，且维护不方便。

初级永磁型直线电机为永磁体和绕组都置于初级的永磁电机，其能够解决上述问题，但是，一般的初级永磁型直线电机，次级结构由齿和扼部构成，导致了次级较高，不利于减小电机系统整体的高度，且存在边端效应，导致各相反电势不对称。虽然可以通过附加齿等方法来减小边端效应，但会增加了电机的长度。

发明内容

针对现有直线牵引电机技术的不足，本发明基于初级永磁型直线电机结构特点，提出一种高可靠性的次级模块化各极独立式永磁直线容错电机。所述次级模块化各极独立式永磁直线容错电机的次级结构与传统凸极式次级结构相比，高度明显降低，应用到轨道交通这种长行程的直线驱动系统中，能够减小车身和隧道的高度；并且其各极磁路独立，减小了边端效应，实现了相间磁路解耦，各相反电势正弦，是一种具有容错性能的、短磁路式、次级模块化的初级永磁型直线容错电机。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

次级模块化各极独立式永磁直线容错电机，包括初级和次级，初级和次级之间存在气隙；初级的长度小于次级的长度，初级上交替分布有多个电枢齿和励磁齿，每个电枢齿上均绕有一套电枢绕组，每个励磁齿的顶面贴装有永磁体，电枢齿的高度等于励磁齿的高度加上永磁体的高度，多个永磁体的充磁方向呈N-S、S-N交替排列，充磁方向均为平行于电枢齿的中心轴线；次级由多个独立的、导磁材料制成的扇形结构构成；

初级与次级的极距比满足：τ_s/τ_p=1±1/m，

其中τ_s为初级极距，τ_p为次级极距，m=nN，N为所述次级模块化各极独立式永磁直线容错电机的相数，n为正整数1，2，3，4，……；“±”的选取以及m值的选取规则是要保证最终得到的电机的反电势波形为相位正确的正弦波。

优选地，所述永磁体的宽度等于励磁齿的宽度。

优选地，多个扇形结构之间留有空隙、且等间距分布。

本发明所述的次级模块化各极独立式永磁直线容错电机，具有以下有益效果：

本发明所述永磁直线容错电机的次级为各极分段独立结构，一方面，不存在齿与齿相连的扼部，若用于轨道交通中能够有效的减小车身和隧道的高度，大大减小制造的成本；另一方面，使得电枢绕组产生磁场为短磁路结构，各相独立解耦，可靠性高，在不增加辅助齿的情况下，减小了边端效应，使得各相反电势更加对称。另外，次级没有绕组、电刷、永磁体，结构简单，可靠性高，易于维护。

本发明所述永磁直线容错电机的初级上的电枢绕组为集中式绕组，制作嵌线方便，绕组端部短，电阻和铜耗较小，且相与相之间物理隔离、热隔离。永磁体采用表面贴装的形式，且位于励磁齿上，无绕组包裹，易于散热，可以避免因为温度过高而使永磁体发生退磁。

附图说明

图1为本发明所述永磁直线容错电机的结构示意图。

图2为本发明所述永磁直线容错电机与现有次级永磁直线电机的反电势比较图。

图3为本发明所述永磁直线容错电机的三相反电势图。

图4为本发明所述永磁直线容错电机的自感与互感对比图。

附图标记说明如下：

1-初级，2-励磁齿，3-电枢齿，4-永磁体，5-次级，6-扇形结构，7-电枢绕组，

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述次级模块化各极独立式永磁直线容错电机，包括初级1、次级5，初级1和次级5之间存在气隙；初级1的长度小于次级5的长度。初级1上交替分布有多个电枢齿3和励磁齿2，每个电枢齿3上均绕有一套电枢绕组7，电枢绕组7采用集中绕组的方式。每个励磁齿2的顶面贴装有永磁体4，电枢齿3的高度等于励磁齿2的高度加上永磁体4的高度，永磁体4的宽度等于励磁齿2的宽度。多个永磁体4的充磁方向呈N-S、S-N交替排列，充磁方向均为平行于电枢齿3的中心轴线；次级5由多个独立的、导磁材料制成的扇形结构6构成，多个扇形结构6之间留有空隙、且等间距分布。次级5上既没有绕组、永磁体4，次级5做直线运动。

初级1与次级5的极距比满足：τ_s/τ_p=1±1/m，

其中τ_s为初级极距，τ_p为次级极距，m=nN，N为所述次级模块化各极独立式永磁直线容错电机的相数，n为正整数1，2，3，4，……；“±”的选取以及m值的选取规则是要保证最终得到的电机的反电势波形为相位正确的正弦波。

所述电枢绕组7的磁通路径大部分经过励磁齿2和次级5的一块扇形铁块来形成回路，而不与相邻的其他相电枢绕组7的磁链形成交链，实现了电枢绕组7的空间物理隔离，使得电机的各相绕组相互独立，各相之间磁路的独立性得到了增强，从根本上避免了相间短路故障的发生。电枢齿3的高度等于励磁齿2的高度加上永磁体4的高度，从而有利于为电枢磁通构造回路，使相间的独立增强，相与相之间的磁链几乎不发生交链，从而使得电机有较好的容错性能。

图2所示为本发明所述永磁直线容错电机与现有次级永磁直线电机的反电势比较图，本发明所述的永磁直线容错电机的初级1的极距和次级5的极距之比为7:6，图2表明，该极距之比使得本发明所述永磁直线容错电机的反电势更符合正弦曲线，而且幅值有所增大。

图3所示为本发明所述永磁直线容错电机的三相反电势图，图3表明，本发明所述永磁直线容错电机的三相反电势较为对称。即本发明在不需要增加辅助齿的情况下，大大削弱了直线电机的边端效应。

图4为本发明所述永磁直线容错电机的电感，互感与自感的比值为6.4%，与现有次级永磁直线电机相比，互感与自感的比值减小了。说明本发明所述的永磁直线容错电机具有较好的相间独立性，容错性能显著提高。

本发明没有使用斜极，没有增加辅助齿，仅仅改变了次级5的结构，使次级5变成由一块块扇形铁块组成的模块化的结构，就使得反电势更符合正弦曲线，反电势幅值增加，削弱了边端效应，使得三相反电势更加对称，并且具有一定的容错性能。本发明的突出优点就是在该电机应用到直线驱动的轨道交通上时，能够有效的减小电机系统整体的高度，减小隧道的高度，节约成本，经济可行。

本所述实施例为本发明的优选的实施方式，但发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.次级模块化各极独立式永磁直线容错电机，包括初级（1）和次级（5），初级（1）和次级（5）之间存在气隙；初级（1）的长度小于次级（5）的长度，其特征在于，初级（1）上交替分布有多个电枢齿（3）和励磁齿（2），每个电枢齿（3）上均绕有一套电枢绕组（7），每个励磁齿（2）的顶面贴装有永磁体（4），电枢齿（3）的高度等于励磁齿（2）的高度加上永磁体（4）的高度，多个永磁体（4）的充磁方向呈N-S、S-N交替排列，充磁方向均为平行于电枢齿（3）的中心轴线；次级（5）由多个独立的、导磁材料制成的扇形结构（6）构成；

初级（1）与次级（5）的极距比满足：τ_s/τ_p=1±1/m，

其中τ_s为初级极距，τ_p为次级极距，m=nN，N为所述次级模块化各极独立式永磁直线容错电机的相数，n为正整数1，2，3，4，……；“±”的选取以及m值的选取规则是要保证最终得到的电机的反电势波形为相位正确的正弦波。

2.根据权利要求1所述的次级模块化各极独立式永磁直线容错电机，其特征在于，所述永磁体（4）的宽度等于励磁齿（2）的宽度。

3.根据权利要求1所述的次级模块化各极独立式永磁直线容错电机，其特征在于，多个扇形结构（6）之间留有空隙、且等间距分布。

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