CN104779755B - 一种模块化双定子永磁直线电机及由其构成的电机模组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化双定子永磁直线电机及由其构成的电机模组。包括动子(1)和定子(2)，两者之间具有气隙；定子(2)为双定子，分别分布在动子(1)的上下两侧，两个定子(2)相互错开半个定子极距的位移；动子(1)包括动子模块(10)，在实际应用中，根据出力需求，确定所述动子(1)的动子模块(10)的数量并进行调整。本发明的电机具有结构简单可靠，反电势正弦，推力大，推力波动小，效率高和容错性强等优点，可以在实际应用中根据实际出力需要，很方便的安排所需的动子模块数量。

Description

一种模块化双定子永磁直线电机及由其构成的电机模组
技术领域
本发明涉及电机的制造技术领域，且特别是关于模块化双定子永磁直线电机。
背景技术
电机是传动系统的主要部件，根据不同的应用场合选择适合的电机类型对提高整个系统的性能和效率都非常重要。在直线驱动应用场合，传统的旋转电机需要一定中间转换装置将旋转运动转换为直线运动。这样带来了诸多问题，比如，系统体积庞大，重量增加，噪声高，维护成本增加，可靠性降低，而在轨道交通应用中若使用旋转电机驱动，车辆速度过高会出现轮轨滑动等问题。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此类高速应用场合中的上述缺点，提高整个系统的效率。
中国是稀土大国，随着电力电子技术和磁性材料的发展，旋转永磁电机得到迅速的发展。此类电机具有效率高、功率密度高、控制简便等优点。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。与直线感应电机相比，永磁直线同步电机效率高，功率因数高，重量轻，且具有发电制动功能。然而，由于传统的永磁电机的永磁体和电枢绕组分别安装在初级和次级，而永磁体和电枢的成本都较高，在如轨道交通等长定子应用场合中无疑导致系统成本增加。
目前，动子永磁型直线电机以双极性磁链的磁通切换永磁电机为代表，这类电机具有较高的功率密度，其永磁体和电枢绕组均放置在动子上，定子仅为导磁铁心材料，具有功率密度高，结构简单，易于散热，高可靠性等优点。现有动子永磁型直线电机多数为单定子结构，动子漏磁严重，削弱了电机出力能力。另外，为了适应极端的运行环境，动子永磁型直线电机的容错性也越来越受到重视，电机在运行时各相之间具有互感，因为互感的存在会使各相之间相互影响，十分不利于容错控制。提高电机的容错运行可以从电机本体和电机控制两个方面进行。同时，已有的永磁型直线电机无法对于不同的出力需要进行相应的调整，只能够采取相应的电机进行操作。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模块化双定子永磁直线电机及由其构成的电机模组，具有结构简单，聚磁效果好，推力大，推力波动小，高效率和容错性强等优点，同时可以在实际应用中根据实际出力需要，很方便的安排模块个数。
本发明公开了一种模块化双定子永磁直线电机及由其构成的电机模组。模块化双定子永磁直线电机包括动子1和定子2，所述动子1和所述定子2之间具有气隙；所述定子2为凸极结构，其既无永磁体也无电枢绕组，仅为导磁材料构成；所述定子2为双定子，分别分布在所述动子1的上下两侧，两个所述定子2相互错开半个定子极距的位移；所述动子1采用模块化设计，包含2m个动子模块10，m为电机相数；所述动子模块10包括动子模块化铁芯3、永磁体4和电枢绕组5；所述动子模块化铁芯3由两个端部铁芯和居于两个端部铁芯之间的一个内部铁芯构成，在所述端部铁芯外端面的中间设置有凸出于端面的轭部，将所述端部铁芯隔成上下两个绕组槽；在所述内部铁芯上下两个面的中间对称开设有通过轭部隔开的绕组槽，在所述端部铁芯与内部铁芯之间分别设置所述永磁体4，所述永磁体4充磁方向平行于动子运动平面；所述电枢绕组5设置在所述内部铁芯和所述端部铁芯的绕组槽内，并且套住所述永磁体4；根据实际应用中的出力需求，确定所述动子1的动子模块10的数量并进行调整。
优选地，两个同相的所述动子模块10之间的相对位移为λ1＝(n±1/2)τs，两个异相的所述动子模块10之间的相对位移为λ2＝(j±1/m)τs，其中，τs为定子极距；n、j均为正整数。
优选地，套住同一个永磁体4的上、下层绕组属于同一相电枢绕组5且正负极性相同。
优选地，同一动子模块10中两个永磁体4充磁方向相反。
本优选地，所述永磁体4高度小于或等于铁芯3的高度。
优选地，所述模块化双定子永磁直线电机可以是电动机或发电机。
本发明中还提出一种由上述模块化双定子永磁直线电机构成的电机模组，包括k个所述模块化双定子永磁直线电机，k为正整数。
优选地，k个所述模块化双定子永磁直线电机串联构成一个整体或分开单独控制。
综上，本发明的两个定子相互错齿半个定子极距，输出的为反电势正弦，增加了聚磁能力；采用的铁芯有效槽面积大，获得的推力密度大，推力波动小；本发明采用的动子模块化设计的结构的动子模块单独工作，使得电机各相之间的互感为零，所以容错性强，可以在实际应用中根据实际出力需要，很方便的安排所需的动子模块数量。本发明特别适合于需要大推力和长定子结构直线电机应用场合，例如城市轨道交通、工厂运输传动设备、高层楼房电梯等直线驱动场合。
附图说明
图1所示为根据本发明一实施例的模块化双定子永磁直线电机的结构示意图；
其中，1为动子，10为动子模块，2为定子，3为动子模块化铁芯，3A为半“H”型模块化铁芯，3B为“H”型模块化铁芯，4为永磁体，5为电枢绕组，6为轭部。
图2所示为实施例的推力波形图。
具体实施方式
为了说明本发明的结构特点及运行原理，下面以三相电机为例来说明。
如图1所示，本发明所提供的模块化双定子永磁直线电机，包括动子1和定子2，两者之间具有气隙，所述定子1为凸极结构。定子2上既无永磁体也无电枢绕组，仅为导磁材料构成。定子2为双定子结构，上、下两个定子2相互错开半个定子极距的位移。动子1包括6个动子模块10，分别是A1，A2，B1，B2，C1，C2。其中动子模块A1、A2串联构成A相，动子模块B1、B2串联构成B相，动子模块C1、C2串联构成C相。
动子模块10宽度为动子极距τm(τm＝11τs/12、13τs/12)的2倍。两个同相动子模块10之间的相对位移为λ1＝(2+1/2)τs，两个异相动子模块10之间的相对位移为λ2＝(5+1/3)τs。动子模块10包括动子模块化铁芯3，永磁体4和电枢绕组5。动子模块化铁芯3由半“H”型模块化铁芯3A和“H”型模块化铁芯3B构成。半“H”型模块化铁芯3A和“H”型模块化铁芯3B的中间位置突出部分为轭部6，将半“H”型模块化铁芯3A和“H”型模块化铁芯3B分别隔出上下两个绕组槽。动子模块化铁芯3的轭部6由于不是主磁路部分，在保证机械强度的前提下，其厚度做到最小，以此增加槽面积，增大电机出力，同时也便于集中绕组的放置在动子模块化铁芯3上。轭部6不仅使得电机模块连成整体，同时也便于电机加工组装。半“H”型模块化铁芯3A位于动子模块10边端，并且轭部朝外放置。两个半“H”型模块化铁芯3A和“H”型模块化铁芯3B之间分别夹有永磁体4，永磁体4的高度小于或等于铁芯3的高度。永磁体4充磁方向平行于动子1运动平面，同一个动子模块10内的两条永磁体4的充磁方向相反。电枢绕组5为集中绕组，分别设置于动子模块铁芯3的半“H”型模块化铁芯3A和“H”型模块化铁芯3B的上下绕组槽中且套住永磁体4。本实施例中永磁体4高度与动子模块化铁芯3等高。
因为在电机学中，属于同一相绕组的各个线圈的反电势相位要相互接近，否则会相互抵消。而在本发明的动子模块10中模块化铁芯3的内部铁芯只有一个，也就只有一相的绕组，套在永磁体上的线圈的反电势之间相位差很小(也可以没有相位差)，故可以组成一相。
本发明的模块化双定子永磁直线电机可以是电动机或发电机。
如图1所示实施例，每个动子模块10有上、下层电枢绕组5，由模块化铁芯3的轭部6隔开。上、下层绕组正负极性相同，可以串联或并联成模块单元绕组。
本发明的一种由上述模块化双定子永磁直线电机构成的电机模组，k个所述模块化双定子永磁直线电机串联构成一个整体或分开单独控制。
本发明采用的是动子模块化设计，每个动子模块10都单独工作，在自身内部形成磁路回路，不需要经过别的动子模块10，所以与其他动子模块10之间的互感为0，因此大大提升了动子的容错性。所以，在实际应用中，可以根据出力的需要，确定所述动子1的动子模块10的数量并进行调整。在对动子模块10数量进行调整时，动子模块10的增加或减少都是已相数为单位，即动子模块10数量的调整在本发明中是以2个为基准数进行调整的，每次调整的时候都是以2个或者2个的倍数进行调整的。
图2为本实施例的推力波形，通过有限元电磁分析仿真得到。由图2可以看出其推力波动率(推力峰峰值/推力均值*100％)为1.4％。低推力波动率反映出本发明具有高正弦度的反电动势，定位力小的优点。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所做的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (7)

1.一种模块化双定子永磁直线电机，包括动子(1)和定子(2)，所述动子(1)和所述定子(2)之间具有气隙；所述定子(2)为凸极结构，其既无永磁体也无电枢绕组，仅为导磁材料构成；其特征在于，所述定子(2)为双定子，分别分布在所述动子(1)的上下两侧，两个所述定子(2)相互错开半个定子极距的位移；所述动子(1)采用模块化设计，包含2m个动子模块(10)，m为电机相数；所述动子模块(10)包括动子模块化铁芯(3)、永磁体(4)和电枢绕组(5)；所述动子模块化铁芯(3)由两个端部铁芯和居于两个端部铁芯之间的一个内部铁芯构成，在所述端部铁芯外端面的中间设置有凸出于端面的轭部，将所述端部铁芯隔成上下两个绕组槽；在所述内部铁芯上下两个面的中间对称开设有通过轭部隔开的绕组槽，在所述端部铁芯与内部铁芯之间分别设置所述永磁体(4)，所述永磁体(4)充磁方向平行于动子运动平面；所述电枢绕组(5)设置在所述内部铁芯和所述端部铁芯的绕组槽内，并且套住所述永磁体(4)；根据实际应用中的出力需要，确定所述动子(1)的动子模块(10)的数量并进行调整；两个同相的所述动子模块(10)之间的相对位移为λ1＝(n±1/2)τs，两个异相的所述动子模块(10)之间的相对位移为λ2＝(j±1/m)τs，其中，τs为定子极距；n、j均为正整数。
2.根据权利要求1所述的模块化双定子永磁直线电机，其特征在于，套住同一个永磁体(4)的上、下层绕组属于同一相电枢绕组(5)且正负极性相同。
3.根据权利要求1所述的模块化双定子永磁直线电机，其特征在于，同一动子模块(10)中两个永磁体(4)充磁方向相反。
4.根据权利要求1所述的模块化双定子永磁直线电机，其特征在于，所述永磁体(4)高度小于或等于铁芯(3)的高度。
5.根据权利要求1所述的模块化双定子永磁直线电机，其特征在于，所述模块化双定子永磁直线电机是电动机或发电机。
6.一种由权利要求1-5其中任一项所述的永磁直线电机构成的电机模组，其特征在于，包括k个所述模块化双定子永磁直线电机，k为正整数。
7.根据权利要求6所述的电机模组，其特征在于，k个所述模块化双定子永磁直线电机串联构成一个整体或分开单独控制。
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