CN104600951A - 初级电励磁串联磁路双边直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了初级电励磁串联磁路双边直线电机，包括两单边初级和次级，初级上设有导磁齿；从第一个导磁齿起，每两个导磁齿上套有一个集中电枢绕组，相邻集中电枢绕组共用一个槽；从第二个导磁齿起，每个集中励磁绕组套着两个导磁齿，相邻集中励磁绕组间间隔或共用一个槽。两单边初级结构相同，与次级的相对位置相同，且其对应的励磁绕组产生的磁场方向相同。次级由导磁块或导磁块和连接桥组成，次级与初级极距之比等于或近似等于4*m*k/(2*m*k±1)，其中，m为电机的相数，n为电机单元数，k为每个电机单元中任意单边初级中一相电枢绕组串联的集中电枢绕组对数；本电机无刷、相反电势对称且近似正弦，通过调节励磁电流的大小，从而达到变速恒压输出以及恒速变压输出特性。次子结构简单，无轭部，不仅提高电机输出推力密度，而且降低系统成本。

Description

初级电励磁串联磁路双边直线电机

技术领域

本发明涉及的是初级电励磁串联磁路双边直线电机，属于电机制造技术领域。

背景技术

随着工业的发展，直线电机得到广泛的应用。各个领域对驱动电机及系统的要求越来越高，采用旋转电机和机械转换装置将旋转运动转换为直线运动的驱动方式越来越不能满足相应要求，而采用直线电机驱动可以降低成本，减小系统体积，减小噪声。在如轨道交通、高层楼宇电梯、工厂运输等场合，采用旋转电机会出现驱动复杂、成本高、动态响应慢等问题。因此，采用直线电机代替旋转电机这一技术手段，可以克服旋转电机在应用上的上述缺点，提高整个系统的效率。

随着电力电子技术和磁性材料的发展，永磁无刷电机得到广泛的应用。永磁电机具有高效率、高功率密度等优点，其相应的直线结构也被广泛研究。传统的永磁直线同步电机兼有永磁电机和直线电机的双重优点。与感应电机相比，永磁直线同步电机的推力密度高、体积小、重量轻，且具有发电制动功能。但是，传统的永磁电机的绕组和永磁体分别放置在电机的初级和次级，在轨道交通等长定子应用场合中永磁体或电枢绕组沿轨道铺设会带来成本过大、维护不便的问题。而且永磁体为稀有材料，价格昂贵，性能对环境温度、机械振动等因素敏感，不容易实现弱磁控制，控制系统复杂，在轨道交通应用场合存在许多缺点。

初级电励磁电机次级结构简单，仅由导磁铁心组成，成本低，易于维护。初级电励磁电机的磁场由励磁绕组产生，通过控制直流励磁绕组的电流大小可以控制电机的励磁磁场，从而保证该电机作为电动机运行时具有较宽的恒功率调速范围，而作为发电机运行时以不同速度运行下输出恒定电压。但传统的单边或双边初级电励磁电机次级轭部铁心所占的比重较大，带来材料的浪费和成本提高。

为进一步提高初级电励磁电机的功率密度和降低次级的成本，本发明提出初级电励磁串联磁路双边直线电机。本发明提高了电机的输出功率，降低了次级的成本和重量，既可为长距离驱动场合提供一种功率密度高、成本低的解决方案，又可为以次级作为运动部件的驱动方式提供一种功率密度高、带载能力强的驱动方案。

发明内容

所要解决的技术问题：

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种可降低制造成本、调速性能好、提高电机功率密度和带负载能力的初级电励磁串联磁路双边直线电机。

技术方案：

为了实现以上功能，本发明提供了初级电励磁串联磁路双边直线电机，两单边初级和次级，所述单边初级和次级均由导磁材料构成且二者之间具有气隙。单边初级上设有导磁齿，导磁齿的个数为Ns＝4*m*k*n，导磁齿之间有槽，相邻两导磁齿中心线距离为初级极距τ_p，导磁齿上交替设置集中电枢绕组和集中励磁绕组，所述集中电枢绕组设置在集中励磁绕组外侧；其中，导磁齿依次绕有集中电枢绕组的个数为2*m*k*n，从第一个导磁齿起，每两个导磁齿上套有一个集中电枢绕组，相邻的集中电枢绕组共用一个槽；从第二个导磁齿起，每个集中励磁绕组套着相邻的两个导磁齿，且每两个集中励磁绕组间间隔一个槽，或者，从第二个导磁齿起，每个集中励磁绕组套着相邻的两个导磁齿，相邻的集中励磁绕组共用一个槽；两单边初级结构相同、与次级的相对位置相同，且二者对应的励磁绕组产生的磁场方向相同。次级由导磁块组成，相邻导磁块的中心线距离为次级极距τ_s，τ_s/τ_p＝4*m*k/(2*m*k±1)或τ_s/τ_p≈4*m*k/(2*m*k±1)，次级相邻导磁块间隔排列或采用连接桥相连；次级导磁块为两单边初级上的励磁绕组产生的磁场组成串联磁路提供了通道；其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中每个单边初级中任意一相串联的集中电枢绕组对数。

进一步的，每个电机单元中，当每两个集中励磁绕组间间隔一个槽时，所有集中励磁绕组产生的磁场方向相同；当每两个集中励磁绕组共用一个槽时，任意单边初级中相邻集中励磁绕组产生的磁场方向相反，且两单边初级中相对应的集中励磁绕组产生的磁场方向相同；每个单边初级中的集中励磁绕组为串联联接，两单边初级中的两组集中励磁绕组串联或并联，构成励磁绕组单元，n个电机单元中的励磁绕组单元串联或并联联接。

进一步的，每个电机单元中单边初级的任意一相电枢绕组由k对集中电枢绕组串联组成，从第一个集中电枢绕组起，有k个相邻放置的集中电枢绕组属于同一相，其后依次设置属于相邻相的k个集中电枢绕组，按照上述排列方式，属于同相的2k个集中电枢绕组形成k对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两集中电枢绕组与次级的相对位置相差半个次级极距τ_s，对应为180度电气角度，二者具有互补特性，两单边初级结构相同，两单边初级中属于同相的集中电枢绕组并联单独控制，或者串联起来作为一相绕组控制，n个电机单元依次设置，其中属于同相的集中电枢绕组并联单独控制，或者串联起来作为一相绕组控制。

进一步的，次级由导磁块组成或由导磁块和连接桥组成，次级用非导磁材料填充紧固。

作为一种优选，所述集中励磁绕组和集中电枢绕组为铜或超导材料。

作为一种优选，以所述初级或次级为固定部件，另一个为运动部件，可作电动机或发电机运行。

作为一种优选，所述初级电励磁串联磁路双边直线电机，对偶演化成两单边次级结构，其特征在于，置于两单边次级中间的初级相邻导磁齿间隔排列或采用连接桥相连，双边次级为有轭部的齿槽结构。

有益效果：

本发明提供的初级电励磁串联磁路双边直线电机，其电枢绕组和励磁绕组均置于初级且可以单独控制，次级仅为导磁块，无轭部，导磁块之间可以间隔开，也可以采用连接桥相连，结构简单、成本低。次级受到双边初级的法向吸力相互抵消，从而减小系统的摩擦损耗。通过控制直流励磁绕组的电流大小可以控制电机的励磁磁场，从而保证该电机作为电动机运行时具有较宽的恒功率调速范围，而作为发电机运行时使不同速度运行时输出恒定电压。

作为驱动电机用时，特别适合长距离、宽调速驱动场合，例如高层楼宇电梯驱动电机、城市轨道交通驱动直线电机等需要宽调速范围的应用场合；当次级作为短动子时，由于其结构简单，无永磁体、无电刷、重量轻，在短距离弹射驱动系统中不仅可以提高弹射系统的功率密度，而且可以提高弹射系统的带负载能力和系统的可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1本发明初级电励磁串联磁路双边直线电机实施例1电机结构示意图；

图2实施例1电机A相绕组磁链达到最小位置局部模块磁力线分布图

图3实施例1电机A相绕组磁链达到最大位置局部模块磁力线分布图

图4本发明初级电励磁串联磁路双边直线电机实施例2电机结构示意图；

图5本发明初级电励磁串联磁路双边直线电机实施例3电机结构示意图；

图6本发明初级电励磁串联磁路双边直线电机实施例4电机结构示意图；

图7本发明初级电励磁串联磁路双边直线电机实施例5电机结构示意图；

图8本发明初级电励磁串联磁路双边直线电机实施例6电机结构示意图；

具体实施方式

本发明提供初级电励磁串联磁路双边直线电机，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参见图1，本发明的初级电励磁串联磁路双边直线电机包括双边初级11和次级10，初级11和次级10都为导磁材料且二者之间具有气隙，初级11上设有导磁齿110，导磁齿110上交替设置集中电枢绕组111和集中励磁绕组112。本实施例电机中，m＝3，k＝1，n＝1，其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中单边初级中任意一相电枢绕组串联的集中电枢绕组对数。即，该电机为三相电机，具有A、B、C三相，包含有n＝1个电机单元，每个电机单元中单边初级中有k＝1对集中电枢绕组。所以单边初级11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*k*n＝12，导磁齿110依次设有集中电枢绕组111的个数为2*m*k*n＝6，从第一个导磁齿110起，每两个导磁齿110上套有一个集中电枢绕组111，相邻的集中电枢绕组111共用一个槽；当每两个集中励磁绕组112间间隔一个槽时，所有集中励磁绕组112产生的磁场方向相同，当每两个集中励磁绕组112共用一个槽时，任意单边初级11中相邻集中励磁绕组112产生的磁场方向相反，在本实施例中，采用了每两个集中励磁绕组112间间隔一个槽的方案，其余2*m*k*n＝6个槽中依次设置m*k*n＝3个集中励磁绕组112且每个集中励磁绕组112套着两个导磁齿110，即从第二个导磁齿110起，每个集中励磁绕组112套着两个导磁齿110，且每两个集中励磁绕组112间间隔一个槽，集中励磁绕组112产生的磁场方向相同。两单边初级11结构相同、与次级10的相对位置也相同，且二者对应的励磁绕组产生的磁场方向相同，，其对应的绕组绕线方式也相同，绕组中的电流相位相同。由图1可知，励磁磁场经其励磁绕组所在导磁齿110、初级轭部、气隙、次级导磁块101及电枢绕组所在导磁齿110构成串联磁路，省去次级轭部。每个单边初级11中的集中励磁绕组111为串联联接，两单边初级11中的两组集中励磁绕组112串联或并联。

本实施例中，次级10由导磁块101组成，相邻导磁块101采用连接桥100相连，初级11为短动子，次级10为长定子，图1仅给出部分次级结构，相邻两导磁块101的中心线距离为次级极距τ_s，τ_s/τ_p＝4*m*k/(2*m*k±1)或τ_s/τ_p≈4*m*k/(2*m*k±1)，当m＝3，k＝1，n＝1时，τ_s/τ_p＝12/5，12/7或τ_s/τ_p≈12/5，12/7，本实施例取τ_s/τ_p＝12/7。

本实施例中，每个单边初级11有2*m*k*n＝6个三相集中电枢绕组(即图1中A1，B1，C1，A2，B2，C2或A11，B11，C11，A21，B21，C21)，每个单边初级11中属于同相绕组串联组成一相绕组，两双边初级中属于同相的集中电枢绕组111可并联单独控制或串联组成一相绕组进行控制。

为了说明本发明电机的工作原理，图2和图3给出了本发明电机在不同位置时的磁力线分布。当初级11以一定速度运动到图2所示位置时，励磁磁场经其励磁绕组所在导磁齿110、气隙、次级导磁块101、初级轭部及A1和A11电枢绕组所在导磁齿110构成串联磁路，其主磁通路径如图中箭头所示，此时A1、A11绕组中匝链的磁链为正的最大值，绕组中的反电势幅值为零；当初级11继续以一定速度运动τ_s/4距离，此时A1、A11绕组中匝链的磁链为零，绕组中反电势幅值为正的最大值；当初级11继续以一定速度运动τ_s/4距离，即图3所示位置时，励磁磁场经其励磁绕组所在导磁齿110、气隙、次级导磁块、初级轭部、101及B1和B11电枢绕组所在导磁齿110构成串联磁路，其主磁通路径如图中箭头所示，此时A1、A11绕组中匝链的磁链为负的最大值，绕组中的反电势幅值为零；当初级11继续以一定速度运动τ_s/4距离，此时A1、A11绕组中匝链的磁链为零，绕组中反电势幅值为负的最大值。当初级11运动一个电气周期360°(即移动τ_s距离)过程中，其磁链和反电势的变化波形近似为正弦波。

为了说明本发明电机的磁路互补特性，对本发明的电枢绕组进行说明。由于本实施例中k＝1，每个电机单元中单边初级的任意一相电枢绕组由k＝1对集中电枢绕组串联组成(即图1中的A1、A2或A11、A21)，从第一个集中电枢绕组起，有k＝1个相邻放置的集中电枢绕组属于同一相(如A1或A11)，其后依次设置属于相邻相的k＝1个集中电枢绕组(即图1中的B1、C1或B11、C11)，按照上述排列方式，属于同相的2k＝2个集中电枢绕组形成k＝1对互补集中电枢绕组(即图1中的A1、A2或A11、A21)，其中任意一对集中电枢绕组中的两集中电枢绕组与次级的相对位置相差半个次级极距τ_s，对应为180度电气角度，二者具有互补特性。如图1中单边初级中A相的集中电枢绕组A1和A2，另一边初级中A相的集中电枢绕组A11和A21。此时，集中电枢绕组A1、A11跨过两个导磁齿，其中心线正对着次级导磁块101的中心线，而集中电枢绕组A2、A21的中心线正对着两次级导磁块101之间的中心线，二者与次级10的相对位置相差半个次级10极距，在空间上相差180度电气角度。由于励磁绕组产生的磁场方向相同，合理设置电枢绕组A1、A11、A2、A21的绕线方式可使绕组中产生反电动势相互叠加。因此，集中励磁绕组112通入直流电后，如果将任意单边属于A相的集中电枢绕组(如A1和A11)串联组成A相绕组，由于A1和A11在空间位置上具有互补特性，串联组成A相绕组后，其谐波分量相互抵消，得到的相反电势具有较好的正弦特性，同时A相绕组的反电势基波值约为每个集中电枢绕组(A1或A11)中反电势基波值的2倍。从而减小了推力波动，非常适用于无刷交流(BLAC)控制。由于两单边初级结构相同，两单边初级11中属于同相的集中电枢绕组111可并联单独控制，或者串联起来作为一相绕组控制。

B，C两相同样具有A相的特点，三相之间相位互差120°电角度。

本发明的结构有如下特点：第一，次级10受到双边初级11的法向吸力相互抵消，从而减小系统的摩擦损耗；第二，励磁磁场经其励磁绕组所在导磁齿110、初级轭部、气隙、次级导磁块101及电枢绕组所在导磁齿110构成串联磁路，省去次级10轭部材料，从而大大降低了次级10的成本和重量，提高了该电机系统的功率密度和带负载能力；第三，任意一相电枢绕组具有互补特性，相反电势正弦且对称，电机推力波动小。

实施例2

图4也为一台初级电励磁串联磁路双边直线电机。本实施例中，k＝1，n＝2，m＝3，即，该电机为三相电机，包含有2个电机单元，每个电机单元中有任意单边初级中有k＝1对集中电枢绕组。本实施例与实施例1的不同之处在于n＝2，即由2个实施例1的电机组成。因此该电机同样具有实施例1电机中的特性。n＝2个电机单元可以单独控制，也可以串联起来作为一个电机控制。

实施例3

图5也为一台双边初级电励磁次级无轭部直线电机。本实施例中，k＝2，n＝1，m＝3，即该电机为三相电机，包含有1个电机单元，每个单边初级中有k＝2对集中电枢绕组，所以单边初级11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*k*n＝24，导磁齿110依次设有集中电枢绕组111的个数为2*m*k*n＝12，从第一个导磁齿110起，每两个导磁齿110上套有一个集中电枢绕组111，相邻的集中电枢绕组111共用一个槽；其余2*m*k*n＝12个槽中依次设置m*k*n＝6个集中励磁绕组112且每个集中励磁绕组112套着两个导磁齿，即从第二个导磁齿110起，每个集中励磁绕组112套着两个导磁齿110，且每两个集中励磁绕组112间间隔一个槽，集中励磁绕组112产生的磁场方向相同。双边初级11与次级10的相对位置相同，且二者对应的励磁绕组产生的磁场方向相同。次级10由导磁块101组成，相邻导磁块101采用连接桥100相连，相邻两导磁块101的中心线距离为次级极距τ_s，τ_s/τ_p＝4*m*k/(2*m*k±1)或τ_s/τ_p≈4*m*k/(2*m*k±1)，当m＝3，k＝2，n＝1时，τ_s/τ_p＝24/11，24/13或τ_s/τ_p≈24/11，24/13，本实施例取τ_s/τ_p＝24/13。

由于本实施例中k＝2，每个电机单元中任意单边初级的任意一相电枢绕组由k＝2对集中电枢绕组串联组成(如图1中的A1和A2及A1’和A2’)，从第一个集中电枢绕组起，有k＝2个相邻放置的集中电枢绕组属于同一相(即A1和A1’)，其后依次设置属于相邻相的k＝2个集中电枢绕组(即图1中的B1、B1’和C1、C1’)，按照上述排列方式，三相集中电枢绕组的排列方式为：A1A1’-B1B1’-C1C1’-A2A2’-B2B2’-C2C2’。属于同相的2k＝4个集中电枢绕组形成k＝2对互补集中电枢绕组(即图1中的A1和A2、A1’和A2’)，其中任意一对集中电枢绕组中的两集中电枢绕组与次级的相对位置相差半个次级极距τ_s，对应为180度电气角度，二者具有互补特性，串联组成一相绕组时，互补的集中电枢绕组中的反电势谐波相互抵消，相电势比较正弦。

实施例4

图6为一台初级电励磁串联磁路双边直线电机。与实施例2电机的不同之处仅在于，本实施例所述的电机双边初级11作为固定部件，短次级10作为短运动部件。本发明在电磁弹射系统中，可以提高驱动系统的带负载能力和功率密度。

实施例5

图7为一台初级电励磁串联磁路双边直线电机，本实施例与实施例1电机的不同之处仅在于，本实施例的励磁绕组方式采用了另外一种形式，即从第二个导磁齿110起，每个集中励磁绕组112套着相邻的两个导磁齿110，相邻的集中励磁绕组112共用一个槽，选用此连接方式时，相邻集中励磁绕组112产生的磁场方向相反，本实施例电机同样具备本发明电机的特点。

实施例6

图8为一台初级电励磁串联磁路双边直线电机。本实施例电机可由实施例1电机对偶演化得到，对偶演化步骤如下：将实施例1电机沿着次级10水平轴线切成上、下两部分，将水平轴线一边的次级10及单边初级11沿着垂直方向向另一边移动，直至两个初级轭部重合，同时增加双边次级轭部，减小或去除初级轭部，即可得到一种具有两单边次级、初级无轭部的初级电励磁串联磁路双边直线电机。本实施例特点是在长距离驱动系统中可以减轻初级的重量，提高系统的动态性能，降低系统成本。此外，由多个本实施例电机，按照实施例2、3和4的方法也可以得到多个新的电机模组，本发明不再详述。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.初级电励磁串联磁路双边直线电机，包括两单边初级(11)和次级(10)，所述单边初级(11)和次级(10)均由导磁材料构成且二者之间具有气隙，其特征在于，

所述单边初级(11)上设有导磁齿(110)，导磁齿(110)的个数为Ns＝4*m*k*n，导磁齿(110)之间有槽，相邻两导磁齿中心线距离为初级极距τ_p，导磁齿(110)上交替设置集中电枢绕组(111)和集中励磁绕组(112)，所述集中电枢绕组(111)设置在集中励磁绕组(112)外侧；其中，导磁齿(110)依次绕有集中电枢绕组(111)的个数为2*m*k*n，从第一个导磁齿(110)起，每两个导磁齿(110)上套有一个集中电枢绕组(111)，相邻的集中电枢绕组(111)共用一个槽；从第二个导磁齿(110)起，每个集中励磁绕组(112)套着相邻的两个导磁齿(110)，且每两个集中励磁绕组(112)间间隔一个槽，或者，从第二个导磁齿(110)起，每个集中励磁绕组(112)套着相邻的两个导磁齿(110)，相邻的集中励磁绕组(112)共用一个槽；两单边初级(11)结构相同、与次级(10)的相对位置相同，且二者对应的励磁绕组产生的磁场方向相同；

所述次级(10)由导磁块(101)组成，相邻导磁块(101)的中心线距离为次级极距τ_s，τ_s/τ_p＝4*m*k/(2*m*k±1)或τ_s/τ_p≈4*m*k/(2*m*k±1)，次级相邻导磁块(101)间隔排列或采用连接桥(100)相连；次级导磁块(101)为两单边初级(11)上的励磁绕组产生的磁场组成串联磁路提供了通道；

其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中每个单边初级中任意一相串联的集中电枢绕组(111)对数。

2.根据权利要求1所述的初级电励磁串联磁路双边直线电机，其特征在于，每个电机单元中，当每两个集中励磁绕组(112)间间隔一个槽时，所有集中励磁绕组(112)产生的磁场方向相同；当每两个集中励磁绕组(112)共用一个槽时，任意单边初级(11)中相邻集中励磁绕组(112)产生的磁场方向相反，且两单边初级(11)中相对应的集中励磁绕组(112)产生的磁场方向相同；每个单边初级(11)中的集中励磁绕组(112)为串联联接，两单边初级(11)中的两组集中励磁绕组(112)串联或并联，构成励磁绕组单元，n个电机单元中的励磁绕组单元串联或并联联接。

3.根据权利要求1所述的初级电励磁串联磁路双边直线电机，其特征在于，每个电机单元中单边初级(11)的任意一相电枢绕组由k对集中电枢绕组(111)串联组成，从第一个集中电枢绕组(111)起，有k个相邻放置的集中电枢绕组(111)属于同一相，其后依次设置属于相邻相的k个集中电枢绕组(111)，按照上述排列方式，属于同相的2k个集中电枢绕组(111)形成k对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组(111)中的两集中电枢绕组与次级(10)的相对位置相差半个次级极距τ_s，对应为180度电气角度，二者具有互补特性，两单边初级(11)结构相同，两单边初级(11)中属于同相的集中电枢绕组并联单独控制，或者串联起来作为一相绕组控制，n个电机单元依次设置，其中属于同相的集中电枢绕组(111)并联单独控制，或者串联起来作为一相绕组控制。

4.根据权利要求1所述的初级电励磁串联磁路双边直线电机，其特征在于，所述次级(10)由导磁块(101)组成或由导磁块(101)和连接桥(100)组成，次级(10)用非导磁材料填充紧固。

5.根据权利要求1所述的初级电励磁串联磁路双边直线电机，其特征在于，所述集中励磁绕组(112)和集中电枢绕组(111)为铜或超导材料。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的初级电励磁串联磁路双边直线电机，其特征在于，以所述初级(11)或次级(10)为固定部件，另一个为运动部件，可作电动机或发电机运行。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的初级电励磁串联磁路双边直线电机，对偶演化成两单边次级(10)结构，其特征在于，置于两单边次级(10)中间的初级(11)相邻导磁齿间隔排列或采用连接桥相连，双边次级为有轭部的齿槽结构。