CN103915971A - 具有多气隙独立绕组结构的三维磁通永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多气隙独立绕组结构的三维磁通永磁直线电机，属电机技术领域，它包括初级组件、次级组件和多个气隙。初级组件包括n个初级单元和电枢绕组，初级单元沿垂直水平方向排列，每个初级单元上极性交错排列的（2m+1）个永磁体组成阵列，每块永磁体的宽度为τ/2（τ为极距），永磁阵列两端设有的环形导磁铁心与永磁阵列形成两个矩形槽，上下两个槽内设有同相位电枢绕组。次级组件由与初级单元在垂直水平方向上交替排列的（n-1）个次级单元组成，次级单元铁心上周期性设置非导磁槽或者隔磁桥，相邻次级单元的非导磁槽沿水平方向错开距离τ/2。电机共有（2n-2）个气隙。该电机采用三维磁路，能有效实现高电磁负荷，具有高推力密度及高可靠的优点。

Description

具有多气隙独立绕组结构的三维磁通永磁直线电机

技术领域

本发明属电机领域，特别涉及到一种具有多气隙独立绕组结构的三维磁通永磁直线电机。

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。但是与旋转电机系统不同，大部分直接驱动的直线电机系统（电磁弹射应用中高速高加速直线电机除外）不能采用高速度设计提高功率密度并减小体积质量，因此，要减小直线电机的体积质量，只能寄希望于提高电机的推力密度。因此具有高推力密度性能的直线电机成为迫切需要。

较之于电励磁电机，采用永磁体励磁的直线电机推力密度更高。但是已有的单气隙圆筒型永磁直线电机，当负载推力较大时，所需的电机外径较大，内圆存在中空，该中空若不能合理利用，将造成较大的空间体积浪费，从而影响推力/体积比。对于单边或者双边平板型永磁直线电机同时存在纵向和横向端部磁场的影响，而且动子和定子之间存在较大的法向吸力，对支撑结构的强度等提出了高要求，使电机机械支撑结构的体积和质量增大，也不利于提高直线电机的推力密度。因此探讨多气隙结构的永磁直线电机成为提高永磁直线电机推力指标的一个重要思路。

发明内容

本发明为解决现有单气隙永磁直线电机推力密度低的问题，提出一种具有多气隙独立绕组结构的三维磁通永磁直线电机。

发明的具有多气隙独立绕组结构的三维磁通永磁直线电机，可以采用单相、三相或者多相电机结构，三相或者多相电机为单相电机的模块化组合。

本发明的具体技术方案如下：

具有多气隙独立绕组结构的三维磁通永磁直线电机，该电机为单相、三相或者多相结构，三相或者多相电机为单相电机的模块化组合，单相电机包括初级组件1、次级组件2及气隙结构3；次级组件2包括n个初级单元和电枢绕组，次级组件2包括（n-1）个次级单元；气隙结构3由（2n-2）个气隙层组成，其中n为整数，0,1,2……。

本发明的进一步设计在于：

单相电机包括初级组件1、次级组件2及气隙结构3，初级组件1包括n个初级单元11和电枢绕组12，次级组件2包括（n-1）个次级单元21组成；

单相电机中n个初级单元11平行对应设置，每个初级单元11包括永磁体阵列112和位于永磁体阵列112两端的导磁铁心111；其中永磁阵列112由（2m+1）个N-S极性交错排列的永磁体沿水平方向排列组合而成，相邻的两个初级单元上相同水平位置处的永磁体113与永磁体114的充磁方向相反；每个初级单元11两端的导磁铁心111经由上铁心横梁16和下铁心横梁17连接成一体的环形结构，初级组件1的电枢绕组12总体绕制在各个初级单元的永磁体阵列112的外围；初级单元11和次级单元21的导磁铁芯在垂直水平方向上交替放置，每个初级单元11与次级单元21之间留有间隙31，形成（2n-2）个气隙，其中n、m为整数，0,1,2……。

永磁体阵列112中每块永磁体水平方向的宽度为τ/2（τ为极距，以下同）。

每个次级单元21包括一个导磁铁芯211，导磁铁芯211采用整体铁心结构，导磁铁芯211间隔式均匀设置若干非导磁槽212或者隔磁桥213结构，同一个次级单元21上，相邻的非导磁槽或者隔磁桥的间距为τ；

导磁铁芯211上非导磁槽212（或者隔磁桥）与相邻导磁铁芯214相邻位置的非导磁槽212（或者隔磁桥）的中心间距为τ/2。

所述非导磁槽212内或者隔磁桥213内填充有非导磁的轻质材料，如玻璃钢，以提高次级单元21的强度。

采用三相电机结构时，B相电机5和C相电机6的结构与A相电机4的结构相同，各相电机的初级单元沿水平方向排列在同一次级绕组的导磁铁芯上，且相邻两相电机的初级单元共用导磁铁心，且初级单元导磁铁心水平方向的宽度S=(k±2/3)τ，其中k为整数，0,1,2……。

所述的具有多气隙独立绕组结构的三维磁通永磁直线电机，其次级单元2的长度大于初级单元1的长度，这样电机的永磁体和电枢绕组用量少。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、本发明的永磁直线电机中，多气隙结构能充分利用有限的空间体积来增大气隙面积，增加磁场储能，提高磁负荷；电枢绕组中通入电流时，产生的磁场与气隙磁场相互垂直，具有较小的电枢反应，而且仅有上下两个大槽，绕组直接绕制在外部铁心横梁上，绕组工艺简单，易于实现冷却，有利于提高电负荷。通过提高磁负荷和电负荷，有利于提高电机的推力密度，该电机的峰值推力密度有望达到5000N/dm³、600N/kg。

2、所发明的具有多气隙独立绕组结构的三维磁通永磁直线电机，具有三维串联磁路特点。该三维串联磁路结构，本质上是磁通反向的横向磁通电机，但是由通过多气隙结构设计，改善磁场分布，有利于减小定位力。

3、每个次级单元可以是不具有离散部件的整体铁心结构。或者为了提高次级的强度，可在非导磁槽内或者隔磁桥内填充非导磁的具有一定强度的轻质材料，如玻璃钢等。该次级结构简单可靠，易于加工。

4、所发明的电机同样可以采用三相或者多相结构。对于三相绕组结构电机，其它两相电机的结构单相电机结构完全相同，三相电机模块沿水平方向设置，每两相电机之间设置有导磁铁心，该导磁铁心水平方向宽度为(k±2/3)τ。该电机采用每相模块化设计，使得某相电机故障时，不影响其它相，从而有利于实现容错，有利于提高电机的可靠性。

5、本发明通过多气隙、永磁体和绕组同位于电枢侧、三维串联磁路以及独立绕组结构设计，使电机具有高推力密度、高可靠性的优点。

附图说明

图1为实施方式一单相电机的三维结构及三维串联磁路示意图。

图2为实施方式一的二维结构示意图。

图3为实施方式一的电机初级单元结构示意图。

图4为实施方式一的三维绕组结构示意图。

图5为实施方式一的矩形槽结构示意图。

图6为实施方式一的次级结构示意图。

图7为实施方式一的磁通正向最大时的磁通路径示意图。

图8为实施方式一的磁通反向最大时的磁通路径示意图。

图9为实施方式二的带隔磁桥的次级结构示意图。

图10为实施方式三的三相电机的二维结构示意图。

图中：1-初级组件；2-次级组件；3-气隙结构；4-A相电机；5-B相电机；6-C相电机；11-初级单元；12-上电枢绕组；13-下电枢绕组；14-上矩形槽；15-下矩形槽；16-上铁心横梁；17-下铁心横梁；21-次级单元；31-气隙；111-导磁铁芯；112-永磁阵列；113-永磁体；114-永磁体；115-初级单元；211-次级铁心；212-非导磁槽；213-隔磁桥；214-非导磁槽；215为115永磁阵列上层次级单元；216为115永磁阵列下层次级单元；311为115永磁阵列与215次级单元之间形成的气隙；312为115初级单元与216次级单元之间形成的气隙。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明

实施方式一：

如图1、图2所示，本实施例为单相电机4，包括初级组件1、次级组件2和（2n-2）个气隙3。初级组件1由n个初级单元11和电枢绕组12组成，初级单元11沿垂直水平方向排列，每个初级单元上有极性交错的（2m+1）个永磁体112组成的阵列，每块永磁体的宽度为一个极宽τ/2，永磁体充磁方向与气隙平面垂直。相邻的初级单元对应的永磁阵列，相同水平位置处的N极永磁体113与S极永磁体114的充磁方向相反，永磁阵列两端设有方环形的导磁铁心111，该导磁铁心111经由上、下横梁连接成一体的环形结构。方环形导磁铁心与永磁体阵列顶部和底部之间形成上下两个大的矩形槽14及15。

上下两个电枢绕组12和13分别穿过上下矩形槽14和15内绕制在上铁心横梁16和下铁心横梁17上，上下两个槽内绕组的电流相位相同。

次级组件2由（n-1）个次级单元21在垂直水平方向上与初级单元11交替排列，每个次级单元21为整体铁心结构，设置有非导磁槽212，非导磁槽212以τ为周期沿水平方向排列，垂直方向上相邻次级的非导磁槽在水平位置上相互错开距离τ/2。每个初级单元11与其相邻的次级单元21形成气隙结构31，初级单元11与次级单元21在垂直水平方向上的具体排列如下：第一初级单元、第一次级单元、第二初级单元、第二次级单元，…，第（n-1）个初级单元、第（n-1）个次级单元，第n个初级单元。n个初级单元和n-1个次级单元在垂直水平方向上交错放置，形成（2n-2）个气隙31。

本发明永磁电机的工作过程和原理如下：

本实施例电机，具有三维串联磁路特点。以其中的一个初级单元、其上下两个次级单元以及所形成的的两层气隙为例进行说明如下：由初级单元115上的永磁体阵列发出的磁通，经该初级单元相邻的气隙311和312，以及上下两个次级单元215和第二次级单元216，形成串联磁路，然后再经初级单元两端的导磁铁心111形成大的闭合磁路，本质上是磁通反向的横向磁通电机，但是由通过多气隙结构设计，改善磁场分布，有利于提高磁负荷。随着次级组件与初级组件相对位置的改变，磁通逐渐变化，当相对位置移动一个极τ/2时，磁通变换成反方向，当相对位置变化一对极距长τ，绕组匝链磁通完成一个周期变化，即完成由最大值减小到0，然后反向增大到最大值，再减小到0。因此，随着初级组件11和次级组件21位置的变化，相应地给绕组通入正弦波或者方波电流，电机即产生水平方向的推力。该三维串联磁路结于减小定位力。

本实施例电机绕组中通入电流时，产生的磁场与气隙磁场相互垂直，具有较小的电枢反应，有利于提高电负荷。而且仅有上下两个大的矩形槽14和15，电枢绕组12和13分别穿过上下矩形槽14和15，并绕制在上下铁心横梁16和17上，绕组工艺简单，易于实现冷却，有利于进一步提高电负荷从而提高电机的推力密度。

本实施例电机每个次级单元21为整体铁心结构，设置有非导磁槽21，为了提高其强度，可在非导磁槽内212内填充非导磁的具有一定强度的轻质材料，如玻璃钢等。

实施方式二：

如图8所示，实施例二与实施例一的区别在于：实施例一次级单元设有非导磁槽212，实施例二次级单元设有隔磁桥213。同样，本实施例电机次级单元隔磁桥中也可以填充一定强度的轻质材料。

实施方式三：

如图9所示，实施例三与实施例一的区别在于：实施例一为单相电机，实施例三为三相电机。本实施例为三相电机，B相电机5和C相电机6的结构与A相电机4的结构完全相同，各相电机模块沿水平方向排列，每两相电机之间设置有导磁铁心，该导磁铁心水平方向宽度S=(k±2/3)τ。该电机采用每相模块化设计，使得某相电机故障时，不影响其它相，从而有利于实现容错，有利于提高电机的可靠性。

Claims (8)

1.具有多气隙独立绕组结构的三维磁通永磁直线电机，该电机为单相、三相或者多相结构，三相或者多相电机为单相电机的模块化组合，其特征是：单相电机包括初级组件（1）、次级组件（2）及气隙结构（3）；次级组件（2）包括n个初级单元和电枢绕组，次级组件（2）包括（n-1）个次级单元；气隙结构（3）由（2n-2）个气隙层组成，其中n为整数，0,1,2……。

2.根据权利要求1所述的直线电机，其特征是：单相电机包括初级组件（1）、次级组件（2）及气隙结构（3），初级组件（1）包括n个初级单元（11）和电枢绕组（12），次级组件（2）包括（n-1）个次级单元（21）组成；单相电机中n个初级单元（11）平行对应设置，每个初级单元（11）包括永磁体阵列（112）和位于永磁体阵列（112）两端的导磁铁心（111）；其中永磁阵列（112）由（2m+1）个N-S极性交错排列的永磁体沿水平方向排列组合而成，相邻的两个初级单元上相同水平位置处的永磁体（113）与永磁体（114）的充磁方向相反；每个初级单元（11）两端的导磁铁心（111）经由上铁心横梁（16）和下铁心横梁（17）连接成一体的环形结构，初级组件1的电枢绕组（12）总体绕制在各个初级单元的永磁体阵列（112）的外围；初级单元（11）和次级单元（21）的导磁铁芯在垂直水平方向上交替放置，每个初级单元（11）与次级单元（21）之间留有间隙（31），形成（2n-2）个气隙，其中n、m为整数，0,1,2……。

3.根据权利要求2所述的直线电机，其特征是：永磁体阵列（112）中每块永磁体水平方向的宽度为τ/2。

4.根据权利要求2所述的直线电机，其特征是：每个次级单元（21）包括一个导磁铁芯（211），导磁铁芯（211）采用整体铁心结构，导磁铁芯（211）间隔式均匀设置若干非导磁槽（212）或者隔磁桥（213）结构，同一个次级单元（21）上，相邻的非导磁槽或者隔磁桥的间距为τ。

5.根据权利要求4所述的直线电机，其特征是：导磁铁芯（211）上非导磁槽（212）或者隔磁桥（213）与相邻导磁铁芯（214）相邻位置的非导磁槽（212）或者隔磁桥（213）的中心间距为τ/2。

6.根据权利要求4所述的直线电机，其特征是：所述非导磁槽（212）内或者隔磁桥（213）内填充有非导磁的轻质材料，如玻璃钢。

7.根据权利要求1所述的直线电机，其特征是：采用三相电机结构时，B相电机（5）和C相电机（6）的结构与A相电机（4）的结构相同，各相电机的初级单元沿水平方向排列在同一次级绕组的导磁铁芯上，且相邻两相电机的初级单元共用导磁铁心，且初级单元导磁铁心水平方向的宽度S=(k±2/3)τ，其中k为整数，0,1,2……。

8.根据权利要求1所述的直线电机，其特征是：所述的具有多气隙独立绕组结构的三维磁通永磁直线电机，其次级单元（2）的长度大于初级单元（1）的长度。