CN104319976B - 内电枢磁场增强型永磁磁通切换直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种内电枢磁场增强型圆筒永磁磁通切换直线电机，包括初级、次级、初次级间气隙及转轴。所述初级包括：表贴转轴设置的衬套，表贴衬套设置的辅助永磁体，永磁体中间填充材料，表贴辅助永磁体设置的初级铁芯；初级铁芯由类U型初级铁芯组件组成，初级铁芯组件间设置有轴向充磁永磁体，轴向充磁永磁体沿轴向N、S极交替排列；与初级铁芯组件接触的轴向充磁永磁体和辅助永磁体极性相同。次级设置在初级外，由间隔相等环形齿和槽组成，初级铁芯槽内填充有集中式绕组，次级铁芯上无绕组。本发明采用内电枢结构，漏磁少，无需隔磁防护，附加辅助永磁体，气隙磁密高、推力密度高，可广泛应用于海浪发电、电梯牵引等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种圆筒型直线电机，特别是涉及一种内电枢磁场增强型永磁磁通切换直线电机。
背景技术
直线电机将电能直接转化为直线运动的机械能， 不仅省略了中间传动机构， 而且降低了系统损耗，非常适用于直线直驱式系统。
圆筒形直线电机为封闭的圆筒形机械结构，由于电机铁心是闭合的，没有横向开断，因此不存在横向边缘效应，电机内磁场沿圆周均匀连续分布，推进力密度高。圆筒形直线电机内定子槽为环形，电机绕组为同心绕组，没有端部绕组，绕组利用率高，运行时铜耗低，有利于提高电机效率。此外，由于圆筒形直线电机为封闭结构，电机内定动子之间的法向磁拉力相互抵消，当电枢绕组通入电流时，定子磁场和动子磁场通过相互作用产生轴向电磁推力，实现电能和机械动能的转化。现有技术圆筒型永磁磁通切换直线电机结构如图1所示。
常用的直线电动机主要有直线感应电动机和直线同步电动机。直线感应电动机的次级结构比较简单，但其功率因数和效率较低 ；直线同步电机则具有高效率、 高功率密度等优点，但由于其绕组和永磁体分别位于初级和次级，使得电机结构比较复杂，增加成本。圆筒形永磁直线电机制造成本低，运行可靠性高，具有在各种恶劣条件下运行的优势，维护成本低。在圆筒型磁通切换直线电机中，采用内电枢结构，转轴表贴辅助永磁体，可以提高推力密度，适用于推力要求高的应用场合。
发明内容
本发明的内容在于提供一种漏磁小、推力密度的内电枢磁场增强型圆筒永磁磁通切换直线电机。
本发明的具体技术方案如下：
一种内电枢磁场增强型圆筒永磁磁通切换直线电机，包括初级（1）、次级（3）、初次级间气隙及转轴（4），所述初级包括初级铁芯，初级铁芯包括带U型槽的初级铁心组件（1.4）和间隔式设于初级铁芯组件间的轴向充磁永磁体（1.5），轴向充磁永磁体沿轴向N、S极交替排列；初级铁芯的U型槽内填充有集中式绕组（2）；次级包括等间隔的环形槽（3.1）和环形齿（3.2），所述初级还包括表贴于转轴（4）外表面的导磁衬套（1.1），表贴于导磁衬套外表面设置的辅助永磁体（1.2）和永磁体中间填充物（1.3），辅助永磁体（1.2）和永磁体中间填充物（1.3）相间排列，带U型槽的初级铁芯组件(1.4)表贴于辅助永磁体(1.2)的外表面设置，次级(3)设置在初级(1)外圈。
带U型槽的铁芯组件中间的轴向充磁永磁体（1.5）结构为圆饼状，内、外径与铁芯组件相同，沿轴向充磁， 沿轴向N、S极交替排列；与带U型槽的初级铁芯组件及其内表面表贴的轴向充磁永磁体（1.5）和辅助永磁体（1.2）极性相同。
表贴于导磁衬套（1.1）设置的辅助永磁体（1.2）沿圆周径向充磁，为圆筒状，沿轴向N极、S极交替排列；轴向充磁永磁体（1.5）结构为圆饼状，其内、外径与带U型槽的初级铁芯组件相同，沿轴向充磁， 沿轴向N、S极交替排列；与带U型槽的初级铁芯组件接触的轴向充磁永磁体（1.5）和径向充磁辅助永磁体（1.2）极性相同。
表贴导磁衬套设置的辅助永磁体（1.2），其充磁方向与转轴4成30°～150°角；辅助永磁体（1.2）的轴向截面为平行四边形，其两个短边分别于带U型槽的初级铁芯（1.4）内表面和导磁衬套外（1.1）表面相接触，其两个长边与充磁方向相互垂直；带U型槽的初级铁心组件（1.4）内表面相邻放置的两个辅助永磁体（1.2）组成V型，充磁方向相对，相邻两个初级槽内表面下放置的两组永磁体充磁方向相背，相邻四块永磁体组成一组W型永磁体，各辅助永磁体的间隔区域为永磁体填充材料（1.3）。
表贴导磁衬套设置的辅助永磁体（1.2）沿圆周径向充磁，为圆筒状，沿轴向N极、S极交替排列；所述轴向充磁永磁体（1.5）轴向截面为凸型，外径与铁芯组件外径相同，内径与导磁衬套（1.1）外径相同，沿轴向充磁， 沿轴向N、S极交替排列；与初级铁芯组件接触的轴向充磁永磁体（1.5）和径向充磁的辅助永磁体(1.2)极性相同；辅助永磁体（1.2）与轴向充磁永磁体（1.5）表贴在衬套外表面沿轴向交替紧密排列。
所述导磁衬套，其材料采用导磁材料。
所述辅助永磁体（1.2）的轴向长度大于初级U型槽槽宽，辅助永磁体（1.2）沿导磁衬套（1.1）轴向排列，相邻辐助永磁体中间有空隙。
空隙内填充轻质非导磁材料，如玻璃钢。
所述导磁衬套（1.1），其材料采用非导磁材料,具体为铜、铝或不锈钢。
本发明相比现有技术具有如下有益效果：
本发明与现有圆筒直线电机相比，主要技术特点是：
采用内电枢结构、由轴向充磁永磁体和沿径向充磁辅助永磁体的合理配置，使电机的漏磁较少，气隙磁密大幅提高、功率密度较高，在体积相同的条件下，与传统的外电枢圆筒型磁通切换永磁直线电机相比，功率密度（平均推力/永磁体体积）提高了50%以上。
永磁体和初级位于内部，初级槽口向外，便于绕组的填充与连接，简化了电机加工工艺
本发明中，次级位于外部，具有磁防护功能。
附图说明
图1是现有技术圆筒型永磁磁通切换直线电机结构示意图。
图2是本发明实施例一结构示意图。
图3是本发明实施例一磁路示意图。
图4是本发明实施例二结构示意图。
图5是本发明实施例三结构示意图。
图6是本发明实施例四结构示意图。
图中，1-初级，2-绕组，3-次级，1.1-导磁衬套，1.2-辅助永磁体，1.3-填充材料，1.4-带U型槽的初级铁芯组件，1.5-轴向充磁永磁体， 3.1-次级环形槽，3.2-次级环形齿，4-转轴。
具体实施方式
实施例一
下面仅以图二所示的三相6/7结构内电枢磁场增强型圆筒永磁磁通切换直线电机为例，详细阐述本发明的具体实施方式。
实施例一：
参见图2，本发明的内电枢磁场增强型圆筒永磁磁通切换直线电机，包括初级（1）、次级（3）、初次级间气隙及转轴（4）。
初级包括：表贴转轴设置的导磁衬套（1.1），表贴导磁衬套设置的径向充磁的辅助永磁体（1.2），永磁体中间填充玻璃钢等填充材料（1.3），表贴径向充磁的辅助永磁体设置的初级铁芯；初级铁芯由初级铁芯组件（1.4）组成，初级铁芯组件间设置有轴向充磁永磁（1.5），轴向充磁永磁体N、S极交替排列与初级铁芯组件接触的轴向充磁永磁体（1.5）和径向充磁的辅助永磁体（1.2）极性相同，其轴向长度略大于初级槽宽，辅助永磁体（1.2）沿导磁衬套轴向排列，相邻永磁体之间有空隙。次级设置在初级外，由间隔相等环形齿（3.2）和槽（3.1）组成，初级铁芯槽内填充有集中式绕组（2），次级铁芯上无绕组。初级（1）、次级（2）级都是圆柱形，初级设置在内圈，次级设置在外圈，即初级外径小于次级内径。初级轴向有效长度可以大于次级轴向有效长度，也可以小于次级轴向有效长度。
轴向充磁永磁体（1.5）沿电机轴向充磁，为圆环状，N极、S极交替排列。初级铁芯由轴向充磁永磁体（1.5）和紧贴在永磁体两侧的初级铁芯组件（1.4）的边构成，初级齿槽内填充饼状集中式电枢绕组（2），绕组为单层单极性，每槽填充一层绕组，按ABCABC极性顺序连接。所述的径向充磁辅助永磁体（1.2）沿圆周半径方向充磁，为圆筒状，N极、S极交替排列，与初级铁芯组件（1.4）接触的轴向充磁永磁体（1.5）和径向充磁的辅助永磁体（1.2）的极性相同。初级铁芯组件之间设置的轴向充磁永磁体（1.5）和初级铁芯组件（1.4）交替排列，轴向充磁永磁体（1.5）的数量与径向充磁的辅助永磁体（1.2）的数量多一块，径向充磁的辅助永磁体（1.2）的数量与初级槽数相同。
图3为该电机的磁路示意图，轴向充磁永磁体（1.5）和径向充磁辅助永磁体（1.2）磁场叠加，磁链都穿过绕组(2)与次级铁芯闭合，达到增磁的状态，气隙中磁密增加。图中虚线表示永磁体的磁力线。
初级铁芯（1.4）为U型圆柱结构，相邻两U型铁芯之间为永磁体（1.5），U型铁芯由硅钢片沿轴向叠制而成。
次级为柱形齿槽结构的导磁体，采用钢次级或者混有导磁性较好的合金。次级齿的宽度与初级齿的宽度相同。或略微不等。次级齿轴向截面可以为倒梯形，也可为矩形。次级上无绕组，由铸铁整体加工而成。转轴上表贴的衬套为导磁材料。径向充磁永磁体间的间隙可填充轻质非导磁材料，如玻璃钢等，以增加电机强度。
实施例二
如图4所示，实施例二与实施例一的区别在于，转轴衬套（1.1）为非导磁材料，沿转轴衬套设置的辅助永磁体（1.2）的数量为实施例一中径向充磁的辅助永磁体的数量的两倍，且充磁方向有所改变。在本实施例中，所有的辅助永磁体（1.2）的充磁方向都是与转轴成一定角度的（30°-150°），使得在一定的体积内可以放置更多的永磁体。辅助永磁体(1.2)的轴向截面为平行四边形，其两个短边分别于初级内表面和转轴衬套外表面相接触，其两个长边与充磁方向相互垂直。每个初级槽内表面下放置的两个永磁体组成V型，充磁方向相对，相邻两个初级槽内表面下放置的两组永磁体充磁方向相背，四块永磁体组成一组W型永磁体。W型永磁体之间为铁芯。与初级铁芯组件及其内表面下的铁芯相接触的永磁体极性相同。使得每组V型永磁体产生的磁通都向中间的铁芯聚磁，增大了永磁体产生的磁通与磁势。
实施例三
如图5所示，实施例三与实施例一的区别在于，转轴衬套（1.1）为非导磁材料，轴向充磁永磁体（1.5）轴向截面为凸型，辅助永磁体（1.2）间不存在间隙。实施例三中，表贴衬套设置的辅助永磁体（1.2）沿圆周径向充磁，为圆筒状，沿轴向N极、S极交替排列；类U型铁芯组件中间的永磁体轴向截面为凸型，外径与类U型铁芯组件外径相同，内径与衬套外径相同，沿轴向充磁，沿轴向N、S极交替排列；与初级铁芯组件接触的轴向充磁永磁体（1.5）和径向充磁的辅助永磁体（1.2）极性相同；径向充磁的辅助永磁体（1.2）与轴向充磁永磁体（1.5）表贴在衬套外表面沿轴向交替紧密排列。
实施例四
如图6所示，实施例四与实施例一的区别在于，实施例一采用单层单极性绕组，本实施例采用双层双极性绕组。本实施例中，初级每槽内填充双层绕组，按照AXBYCZ极性顺序连接。
Claims (4)
1.一种内电枢磁场增强型圆筒永磁磁通切换直线电机，包括初级（1）、次级（3）、初次级间气隙及转轴（4），所述初级包括初级铁芯，初级铁芯包括带U型槽的初级铁心组件（1.4）和间隔式设于初级铁芯组件间的轴向充磁永磁体（1.5）；初级铁芯的U型槽内填充有集中式绕组（2）；次级包括等间隔的环形槽（3.1）和环形齿（3.2），其特征在于：所述初级还包括表贴于转轴（4）外表面的导磁衬套（1.1），表贴于导磁衬套外表面设置的辅助永磁体（1.2），带U型槽的初级铁芯组件(1.4)表贴于辅助永磁体(1.2)的外表面设置，次级(3)设置在初级(1)外圈；表贴导磁衬套设置的辅助永磁体（1.2）沿轴向交替排列；所述轴向充磁永磁体（1.5）轴向截面为凸型，外径与铁芯组件外径相同，内径与导磁衬套（1.1）外径相同，沿轴向充磁，沿轴向N、S极交替排列；与带U型槽的初级铁芯组件接触的轴向充磁永磁体（1.5）和辅助永磁体(1.2)的极性是相同的；辅助永磁体（1.2）与轴向充磁永磁体（1.5）表贴在衬套外表面沿轴向交替排列。
2.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于:表贴于导磁衬套（1.1）设置的辅助永磁体（1.2）沿圆周径向充磁，为圆筒状，沿轴向N极、S极交替排列。
3.一种内电枢磁场增强型圆筒永磁磁通切换直线电机，包括初级（1）、次级（3）、初次级间气隙及转轴（4），所述初级包括初级铁芯，初级铁芯包括带U型槽的初级铁心组件（1.4）和间隔式设于初级铁芯组件间的轴向充磁永磁体（1.5）；初级铁芯的U型槽内填充有集中式绕组（2）；次级包括等间隔的环形槽（3.1）和环形齿（3.2），其特征在于：所述初级还包括表贴于转轴（4）外表面的导磁衬套（1.1），表贴于导磁衬套外表面设置的辅助永磁体（1.2），带U型槽的初级铁芯组件(1.4)表贴于辅助永磁体(1.2)的外表面设置，次级(3)设置在初级(1)外圈；表贴导磁衬套设置的辅助永磁体（1.2），其充磁方向与转轴（4）成30°～150°角；辅助永磁体（1.2）的轴向截面为平行四边形，其两个短边分别于带U型槽的初级铁芯（1.4）内表面和导磁衬套（1.1）外表面相接触，其两个长边与充磁方向相互垂直；带U型槽的初级铁心组件（1.4）内表面相邻放置的两个辅助永磁体（1.2）组成V型，充磁方向相对，相邻两个初级槽内表面下放置的两组永磁体充磁方向相背，相邻四块永磁体组成一组W型永磁体，各辅助永磁体的间隔区域为永磁体填充材料（1.3）。
4.根据权利要求3所述的直线电机，其特征在于：所述辅助永磁体（1.2）的轴向长度大于初级U型槽槽宽，辅助永磁体（1.2）沿导磁衬套（1.1）轴向排列，相邻辅助永磁体中间有空隙。
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