CN104362827B - 直线磁阻电机 - Google Patents

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直线磁阻电机，属于电机领域。为了解决目前直线开关磁阻电机推力密度低、绕组铜耗高、推力波动大、振动与噪声高的问题。它包括初级、次级及初次级间的气隙；初级包括初级铁心和初级绕组；初级铁心在气隙侧沿横向开槽，形成齿槽沿运动方向依次相间排列，初级绕组为m相绕组，m≥3；在初级铁心每个齿上都绕有一个线圈，每相邻k个齿及其所绕线圈构成一个相单元，k≥2，k个线圈绕向相反串联一起；有mn个相单元，属于同一相线圈串联一起；次级包括次级铁心和永磁体；次级铁心气隙侧沿横向开多个槽，各槽沿运动方向在次级铁心上均匀排列，在每个槽中放一块永磁体，并充磁，每相邻两极的永磁体充磁方向相反。它用于推力密度高电机铜耗低的电机。

Description

直线磁阻电机
技术领域
本发明属于电机领域。
背景技术
直线开关磁阻电机(Linear Switched Reluctance Motor，LSRM)是由传统的旋转开关磁阻电机(SRM)演变而来的。它相当于沿圆周方向将SRM的定、转子展开，转子部分对应LSRM的次级，定子部分对应LSRM的初级。由于制造工艺方面的限制，LSRM初、次级之间的气隙一般比SRM定、转子间的气隙大。根据不同的应用场合，LSRM可采用动初级或动次级结构。对用于有轨驱动的LSRM来说，其次级长度一般远大于初级长度。
图5为三相6/4极(初级极数6，次级极数4)LSRM的结构示意图。电机的定子极上分别绕制A、B、C三相绕组，每相绕组包含两组线圈。电机次级为整体式铁心，由硅钢片叠压而成。在图中所示位置，A相与动子极正对，磁阻最小，不产生驱动力。当关断A相、开通B相时，由于动子极轴线与B相磁场轴线不重合，根据“磁阻最小原理”，初级与次级之间必然会产生吸引力，直到动子极轴线与B相磁场轴线重合。如按照A-B-C-A的顺序对绕组连续通电，电机动子将向左连续运动；相反，如按照A-C-B-A的顺序通电，电机动子将向右连续运动。因此，改变导通相的顺序，就可以改变驱动力的方向，且与相电流的极性无关，这一点也是LSRM与其它类型电机的重要区别。
由于初级与次级上既没有绕组，也没有永磁体，仅由硅钢片叠压而成，可以承受较高的机械应力，适合高速运行；电机的成本低、结构简单、运行可靠、高效率调速范围宽；起动推力大，起动电流小；能够适应高温、高湿、强振动、大过载、高速等恶劣工作环境，在工业、能源、民用等领域得到了成功应用。
但是，直线开关磁阻电机的每相绕组只有在半个电周期内工作，才能获得单向持续推力。由于无法在全电周期内工作，导致电机推力密度低；绕组电流中无功励磁电流分量和有功推力电流分量相叠加，导致峰值电流大、绕组铜耗高；各相绕组工作在开关状态，导致电机推力波动大、振动与噪声高。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前直线开关磁阻电机推力密度低、绕组铜耗高、推力波动大、振动与噪声高的问题，本发明提供一种直线磁阻电机。
本发明的直线磁阻电机，
所述电机包括初级和次级；初级和次级间有气隙；
初级包括初级铁心和初级绕组；
初级铁心为平板形，在其气隙侧沿横向开有多个槽，形成的齿、槽沿初级和次级的相对运动方向依次相间排列；沿所述运动方向，在初级铁心每个齿上都绕有一个线圈，初级绕组为m相绕组，m≥3，每相邻k个齿及其上所绕线圈构成一个相单元，k≥2，构成一个相单元的k个齿中每相邻两个齿上的线圈的绕向相反，且k个线圈串联在一起；所述电机共有m×n个相单元，n为正整数，属于同一相的相单元线圈串联在一起；
次级包括次级铁心和永磁体；次级铁心为平板形，所述次级铁心的气隙侧沿横向开多个槽，所述多个槽沿初级和次级的相对运动方向在次级铁心上均匀排列，在每个槽中嵌放一块永磁体，永磁体充磁，每相邻两极的永磁体充磁方向相反。
所述电机包括初级和次级；初级和次级间有气隙；
初级包括初级铁心和初级绕组；
初级铁心为平板形，在其气隙侧沿横向开有多个槽，形成的齿、槽沿初级和次级的相对运动方向依次相间排列；沿所述运动方向，在初级铁心每隔一个齿上绕有一个线圈，初级绕组为m相绕组，m≥3，即绕有线圈的齿与没有线圈的齿沿所述运动方向交替排列，每个齿及其上所绕线圈构成一个相单元；
所述电机共有m×n个相单元，n为正整数，属于同一相的相单元线圈串联在一起；
次级包括次级铁心和永磁体；次级铁心为平板形，所述次级铁心的气隙侧沿横向开多个槽，各槽沿所述运动方向在次级铁心上均匀排列，在每个槽中嵌放一块永磁体，永磁体充磁，每相邻两极的永磁体充磁方向相反。
所述电机包括初级和次级；初级和次级间有气隙；
初级包括初级铁心和初级绕组；
初级铁心为平板形，在其气隙侧沿横向开有多个槽，形成的齿、槽沿初级和次级的相对运动方向依次相间排列；
所述电机的次级极数Zr与初级的齿数Zs之间满足如下关系：Zs＝mqZr，q为每极每相槽数，且为正整数；
在各个槽中嵌放初级绕组，初级绕组为m相对称叠绕组，m≥3；
次级包括次级铁心和永磁体；次级铁心为平板形，所述次级铁心的气隙侧沿横向开多个槽，各槽沿所述运动方向在次级铁心上均匀排列，在每个槽中嵌放一块永磁体，永磁体充磁，每相邻两极的永磁体充磁方向相反。
所述次级铁心的极数Zr与所述初级铁心的齿数Zs之间满足如下关系：Zr＝j(Zs±2)，或Zr＝j(Zs±1)，Zs＝k×m×n，j为正整数。
所述电机包括m个初级，所述初级的齿距与次级的极距相等，m个初级沿所述运动方向串联连接；沿所述运动方向，m个初级依次相差360°/m电角度。
所述电机采用矢量控制，在基速以下，直轴电流id＞0。
所述次级铁心的轭部宽度要保证在初级绕组非励磁状态下，轭部通过每极的永磁体产生磁通量的20％～100％。
所述永磁体沿所述运动方向充磁。
次级的永磁体沿垂直于气隙所在平面的方向上分成i段，i为大于等于1的自然数，段与段之间存在导磁磁桥。
所述永磁体沿垂直于气隙所在平面方向充磁，每极由相邻的i块永磁体构成，i为大于等于1的自然数；所述i块永磁体充磁方向相同；次级的相邻两极表面所在处气隙小于两极极间所在处气隙。
所述电机为单次级结构或双次级结构；所述电机为为单初级结构或双初级结构；所述电机用于电动机或发电机。
本发明的有益效果在于，通过在次级侧引入永磁体，使绕组在全电周期内工作并产生单向持续电磁推力，提升了电机的推力密度；电机采用双极性电流驱动，提高了绕组利用率，降低了电机铜耗，同时可利用传统的逆变电路驱动，驱动系统成本低、实用性高；实现了绕组磁链与反电势的正弦化，减小了推力波动及电机的振动、噪声；可以根据负载状态调整电枢电流，进而改变气隙磁场，能够提高电机效率，拓宽了直线电机恒功率调速范围。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的直线磁阻电机原理示意图。
图2为具体实施方式二所述的直线磁阻电机原理示意图。
图3为具体实施方式四所述的直线磁阻电机原理示意图。
图4为具体实施方式五所述的直线磁阻电机原理示意图。
图5为三相6/4极LSRM的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的直线磁阻电机，
包括初级和次级；初级和次级间有气隙；初级包括初级和次级，初级包括初级铁心和初级绕组；初级铁心为平板形，在其气隙侧沿横向开槽，形成12个齿，沿所述运动方向，在初级铁心每个齿上都绕有一个线圈，初级绕组为3相绕组，在初级铁心的每个齿上都绕有一个线圈，每相邻两个齿及其上所绕线圈构成一个相单元，构成一个相单元的2个齿中每相邻两个齿上的线圈的绕向相反，且2个线圈串联在一起；整个电机共有6个相单元，属于同一相的相单元线圈串联在一起；
次级包括次级铁心和永磁体；次级铁心为平板形，所述次级铁心的气隙侧沿横向开10个槽，在每个槽中嵌放一块永磁体，永磁体沿运动方向充磁，每相邻两块永磁体的充磁方向相反；次级铁心轭部宽度要保证在初级绕组非励磁状态下，轭部可以通过每极永磁体产生磁通量的20％～100％。
次级铁心的极数Zr与所述初级铁心的齿数Zs之间满足如下关系：Zr＝j(Zs±2)，或Zr＝j(Zs±1)，Zs＝k×m×n，j为正整数。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述的直线磁阻电机，包括初级和次级；初级和次级间有气隙；
初级包括初级铁心和初级绕组；
初级铁心为平板形，在其气隙侧沿横向开有多个槽，形成的齿、槽沿初级和次级的相对运动方向依次相间排列；沿所述运动方向，在初级铁心每隔一个齿上绕有一个线圈，初级绕组为3相绕组，即绕有线圈的齿与没有线圈的齿沿所述运动方向交替排列，每个齿及其上所绕线圈构成一个相单元；
所述电机共有3个相单元，属于同一相的相单元线圈串联在一起；
次级包括次级铁心和永磁体；次级铁心为平板形，所述次级铁心的气隙侧沿横向开多个槽，各槽沿所述运动方向在次级铁心上均匀排列，在每个槽中嵌放一块永磁体，永磁体沿所述运动方向充磁，每相邻两极的永磁体充磁方向相反。次级铁心轭部宽度要保证在初级绕组非励磁状态下，轭部可以通过每极永磁体产生磁通量的20％～100％。
具体实施方式三：本实施方式所述的直线磁阻电机，
所述电机包括初级和次级；初级和次级间有气隙；
初级包括初级铁心和初级绕组；
初级铁心为平板形，在其气隙侧沿横向开有多个槽，形成的齿、槽沿初级和次级的相对运动方向依次相间排列；
所述电机的次级极数Zr与初级的齿数Zs之间满足如下关系：Zs＝mqZr，q为每极每相槽数，且为正整数；
在各个槽中嵌放初级绕组，初级绕组为3相对称叠绕组；
次级包括次级铁心和永磁体；次级铁心为平板形，所述次级铁心的气隙侧沿横向开多个槽，各槽沿所述运动方向在次级铁心上均匀排列，在每个槽中嵌放一块永磁体，永磁体沿所述运动方向充磁，每相邻两极的永磁体充磁方向相反。次级铁心轭部宽度要保证在初级绕组非励磁状态下，轭部可以通过每极永磁体产生磁通量的20％～100％。
具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的直线磁阻电机的进一步限定，
将次级的永磁体沿垂直于气隙所在平面的方向上分成两段，两段之间存在一个导磁磁桥。
具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述的直线磁阻电机，包括初级和次级；初级和次级间有气隙；
所述初级与具体实施方式一或二相同，
次级包括次级铁心和永磁体；次级铁心为平板形，所述次级铁心的气隙侧沿横向开多个槽，各槽沿所述运动方向在次级铁心上均匀排列，在每个槽中嵌放一块永磁体；
所述永磁体沿垂直于气隙所在平面方向充磁，每极由相邻的3块永磁体构成；所述3块永磁体充磁方向相同；次级的相邻两极表面所在处气隙小于两极极间所在处气隙。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的直线磁阻电机的进一步限定，所述电机包括3个初级，所述初级的齿距与次级的极距相等，3个初级沿所述运动方向串联连接；沿所述运动方向，3个初级依次相差360°/m电角度。
本发明的的电机可以为单次级结构或双次级结构；单初级结构或双初级结构；所述电机用于电动机或发电机。
本发明的直线磁阻电机的工作原理：
在某相初级绕组电流为零时，永磁体产生的磁通通过次级铁心的齿部和轭部自行闭合，并不穿过气隙与初级绕组交链，当该电机作为电动机使用时，定位力为零或基本为零，当该电机作为发电机使用时，空载阻力为零或基本为零，而且，在初级绕组非通电状态，初级绕组不产生感应电动势，可确保电机驱动电源处于安全状态，有利于防止控制装置损坏。
根据动子位置传感器输出的动子位置信号，控制驱动器在初级绕组中通入合适相位的交流电流时，初级绕组电流产生的磁通与永磁体产生的磁通串联，走同一路径，两种磁通共同通过次级永磁体与次级铁心齿，共同与初级绕组相交链，产生电动势；由于磁力线走磁阻最小路径，所以电机初、次级铁心齿之间相互吸引，产生切向及法向电磁力，其中切向电磁力作用在动子上，驱动动子做直线运动。这时的初级绕组电流既产生磁阻性质的电磁力，又控制次级永磁体产生的磁通量大小，进而控制绕组感应电动势的大小。
控制驱动器在初级绕组中通入合适相位的交流电流时可以采用矢量控制，在基速以下，直轴电流id＞0。
具体应用时，可以根据负载要求的推力与速度，调节初级绕组电流，增加或减少通过次级并与初级绕组交链的磁通量，此时，由于不需要采用传统永磁同步电机的弱磁控制，因此，可防止永磁体去磁现象的发生，也可以防止弱磁电流产生铜耗，且不论是使气隙磁场增强还是减弱，只需控制初级电流大小变化即可，电流控制简单，另外，在电机高速运行时，不需要从初级绕组输入弱磁无功功率，因此可减少初级绕组铜耗；随着电机速度的升高，初级绕组电流逐渐减小，使得与定、次级交链的磁通减少、定、次级铁心磁密降低，可抑制电机铁耗。
综上所述，本发明的直线磁阻电机具有恒功率调速范围宽、控制简单、容错能力强等特点。

Claims (17)

1.直线磁阻电机，其特征在于，所述电机包括初级和次级；初级和次级间有气隙；
初级包括初级铁心和初级绕组；
初级铁心为平板形，在其气隙侧沿横向开有多个槽，形成的齿、槽沿初级和次级的相对运动方向依次相间排列；沿所述运动方向，在初级铁心每个齿上都绕有一个线圈，初级绕组为m相绕组，m≥3，每相邻k个齿及其上所绕线圈构成一个相单元，k≥2，构成一个相单元的k个齿中每相邻两个齿上的线圈的绕向相反，且k个线圈串联在一起；所述电机共有m×n个相单元，n为正整数，属于同一相的相单元线圈串联在一起；
次级包括次级铁心和永磁体；次级铁心为平板形，所述次级铁心的气隙侧沿横向开多个槽，所述多个槽沿初级和次级的相对运动方向在次级铁心上均匀排列，在每个槽中嵌放一块永磁体，永磁体充磁，每相邻两极的永磁体充磁方向相反。
2.根据权利要求1所述的直线磁阻电机，其特征在于，所述次级铁心的极数Zr与所述初级铁心的齿数Zs之间满足如下关系：Zr＝j(Zs±2)，或Zr＝j(Zs±1)，Zs＝k×m×n，j为正整数。
3.根据权利要求1所述的直线磁阻电机，其特征在于，所述电机包括m个初级，所述初级的齿距与次级的极距相等，m个初级沿所述运动方向串联连接；沿所述运动方向，m个初级依次相差360°/m电角度。
4.根据权利要求1、2或3所述的直线磁阻电机，其特征在于，所述电机采用矢量控制，在基速以下，直轴电流id＞0。
5.根据权利要求4所述的直线磁阻电机，其特征在于，永磁体沿所述运动方向充磁。
6.根据权利要求5所述的直线磁阻电机，其特征在于，次级的永磁体沿垂直于气隙所在平面的方向上分成i段，i为大于等于1的自然数，段与段之间存在导磁磁桥。
7.根据权利要求4所述的直线磁阻电机，其特征在于，所述永磁体沿垂直于气隙所在平面方向充磁，每极由相邻的i块永磁体构成，i为大于等于1的自然数；所述i块永磁体充磁方向相同；次级的相邻两极表面所在处气隙小于两极极间所在处气隙。
8.直线磁阻电机，其特征在于，所述电机包括初级和次级；初级和次级间有气隙；
初级包括初级铁心和初级绕组；
初级铁心为平板形，在其气隙侧沿横向开有多个槽，形成的齿、槽沿初级和次级的相对运动方向依次相间排列；沿所述运动方向，在初级铁心每隔一个齿上绕有一个线圈，初级绕组为m相绕组，m≥3，即绕有线圈的齿与没有线圈的齿沿所述运动方向交替排列，每个齿及其上所绕线圈构成一个相单元；
所述电机共有m×n个相单元，n为正整数，属于同一相的相单元线圈串联在一起；
次级包括次级铁心和永磁体；次级铁心为平板形，所述次级铁心的气隙侧沿横向开多个槽，各槽沿所述运动方向在次级铁心上均匀排列，在每个槽中嵌放一块永磁体，永磁体充磁，每相邻两极的永磁体充磁方向相反。
9.根据权利要求8所述的直线磁阻电机，其特征在于，所述电机采用矢量控制，在基速以下，直轴电流id＞0。
10.根据权利要求9所述的直线磁阻电机，其特征在于，永磁体沿所述运动方向充磁。
11.根据权利要求10所述的直线磁阻电机，其特征在于，次级的永磁体沿垂直于气隙所在平面的方向上分成i段，i为大于等于1的自然数，段与段之间存在导磁磁桥。
12.根据权利要求9所述的直线磁阻电机，其特征在于，所述永磁体沿垂直于气隙所在平面方向充磁，每极由相邻的i块永磁体构成，i为大于等于1的自然数；所述i块永磁体充磁方向相同；次级的相邻两极表面所在处气隙小于两极极间所在处气隙。
13.直线磁阻电机，其特征在于，所述电机包括初级和次级；初级和次级间有气隙；
初级包括初级铁心和初级绕组；
初级铁心为平板形，在其气隙侧沿横向开有多个槽，形成的齿、槽沿初级和次级的相对运动方向依次相间排列；
所述电机的次级极数Zr与初级的齿数Zs之间满足如下关系：Zs＝mqZr，q为每极每相槽数，且为正整数；
在各个槽中嵌放初级绕组，初级绕组为m相对称叠绕组，m≥3；
次级包括次级铁心和永磁体；次级铁心为平板形，所述次级铁心的气隙侧沿横向开多个槽，各槽沿所述运动方向在次级铁心上均匀排列，在每个槽中嵌放一块永磁体，永磁体充磁，每相邻两极的永磁体充磁方向相反。
14.根据权利要求13所述的直线磁阻电机，其特征在于，所述电机采用矢量控制，在基速以下，直轴电流id＞0。
15.根据权利要求14所述的直线磁阻电机，其特征在于，永磁体沿所述运动方向充磁。
16.根据权利要求15所述的直线磁阻电机，其特征在于，次级的永磁体沿垂直于气隙所在平面的方向上分成i段，i为大于等于1的自然数，段与段之间存在导磁磁桥。
17.根据权利要求14所述的直线磁阻电机，其特征在于，所述永磁体沿垂直于气隙所在平面方向充磁，每极由相邻的i块永磁体构成，i为大于等于1的自然数；所述i块永磁体充磁方向相同；次级的相邻两极表面所在处气隙小于两极极间所在处气隙。
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