CN104811011A - 圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机，属于电机领域，本发明为解决现有的横向磁场永磁电机存在空间利用率偏低，或制造工艺复杂，或永磁体用量大、成本高的问题。本发明包括动子和定子；动子设置在定子的内部，动子沿轴向在定子内部做直线运动；且动子和定子之间存在径向气隙；定子包括m个短定子模块，m个短定子模块沿轴向均匀分布，构成m相电机；每个短定子模块包括p个定子单元和多个定子隔磁环，动子包括轴、w个第一动子铁芯、w个第二动子铁芯和多个动子隔磁环，第一动子铁芯和第二动子铁芯的结构沿x轴或y轴镜像对称。

Description

圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机

技术领域

本发明涉及模块化永磁电机，属于电机领域。

背景技术

传统永磁同步直线电机均是采用轴向磁路结构，因其齿槽在同一个平面内，力密度相对较低，而横向磁场结构具有电负荷与磁负荷解耦的优点，力密度和功率密度都比传统磁路结构的永磁直线电机大，特别是低速时也能保持高效率和大力矩。

传统的横向磁场永磁直线电机虽然效率和转矩密度较高，但是存在着结构复杂，加工装配困难，可靠性不高等问题；同时，采用短定子，长动子，永磁体安装在动子上，存在着空间利用率低、电机电枢绕组有效长度比例不高、永磁体用量大、成本高的缺点；例如，韩国电工技术研究中心所研究的电机，采用C型磁路的结构，C型铁心两端需要与不同极性的磁极相对应，两端需要扭斜一个极距。这种形状的铁心不能采用硅钢片叠成，只能通过软铁机械加工或直接压制粉末软磁复合材料SMC。虽然简化了制造工艺、降低了电机成本，但是材料的磁性能差。纽卡斯特大学(Newcastle University)设计的横向磁场电机采用爪形结构，爪形结构的定子铁心方便电机多相的同轴排列，适合制成大功率电机，但是该电机的定子和转子部分均由SMC材料制成，磁性能不高。瑞典皇家工学院的研究人员在Z氏定子铁心的基础计出了一种聚磁式横向磁场永磁直线发电机模型。导磁材料中的永磁体径向充磁，非导磁材料中的永磁体切向充磁，形成三面墙式的聚磁结构，此模型在仿真中表现良好，电机性能优良，但在制作样机时由于结构比较复杂，使制作出现问题，最后得到的样机并没有展现出其优良的特性。

总之，现有的横向磁场永磁电机，空间利用率偏低，或制造工艺复杂，或永磁体用量大、成本高，这些缺点，限制了横向磁场永磁直线电机的应用，其功率密度和加工制造性能还有很大的提高空间。

发明内容

本发明目的是为了解决现有的横向磁场永磁电机存在空间利用率偏低，或制造工艺复杂，或永磁体用量大、成本高的问题，提供了一种圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机。

本发明所述圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机，它包括动子和定子；动子设置在定子的内部，动子沿轴向在定子内部做直线运动；且动子和定子之间存在径向气隙；

定子包括m个短定子模块，m个短定子模块沿轴向均匀分布，构成m相电机；每个短定子模块包括p个定子单元和多个定子隔磁环，相邻两个定子单元之间的轴向空间设置有定子隔磁环；每个定子单元由2n个E型结构铁芯沿圆周方向拼接而成，E型结构铁芯的内圆弧表面设置有等宽的三个定子齿，每相邻两个E型结构铁芯之间嵌入一块永磁体，永磁体沿切向充磁，且同一定子单元上相邻两块永磁体的充磁方向相反，p个定子单元相同位置上的p块永磁体的充磁方向相同；

相邻两个E型结构铁芯的两个边缘位置的定子齿与中间夹持的永磁体共同构成一个电枢齿，该电枢齿上绕制有电枢绕组，且同一定子单元上、沿圆周方向的2n个电枢绕组依次反向串联；

动子包括轴、w个第一动子铁芯、w个第二动子铁芯和多个动子隔磁环，第一动子铁芯和第二动子铁芯在轴上沿轴向交错排布，且第一动子铁芯和第二动子铁芯之间的轴向空间设置有动子隔磁环；第一动子铁芯的外圆表面设置有4n个动子齿，2个动子齿为一组动子齿组，2n组动子齿组沿圆周方向均布，每组动子齿组中的2个动子齿均与一个E型结构铁芯中的相邻两个定子齿分别对齐；第一动子铁芯和第二动子铁芯的结构相同，第一动子铁芯和第二动子铁芯的结构沿x轴或y轴镜像对称；其中，m、n、w和p均为正整数。

本发明的优点：本发明中电枢绕组和永磁体均位于短定子部分，其主磁通所在平面与动子运动方向垂直，每相绕组磁路与电路都独立，容错性能好。

本发明的圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机，永磁体平行充磁，放置在定子上，且周向相邻永磁体的充磁方向相反；动子运动方向与主磁通所在平面垂直，动子铁芯仅是由硅钢片叠加组成，结构坚固可靠，其永磁体用量少、成本低。

每个带永磁体的定子齿上缠绕一个线圈，线圈为矩形或跑道型；2n个线圈组成电枢绕组。

与现有的开关磁链永磁直线电机相比，本电机不是传统轴向磁路结构，而是横向磁路结构，功率密度高，每相磁路独立，可方便实现多相运行。

与现有的横向磁场直线电机相比，其结构简单，定子铁芯和动子铁芯均可由硅钢片叠装，加工装配容易，永磁体用量更少，特别是在长行程场合，其优点越突出。

本发明的圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机，永磁体放置在定子上，其永磁体用量少，电负荷高、模块化的结构，容错性能好；同时，定子铁芯和动子铁芯均可由硅钢片叠装，具有结构简单可靠、成本低、功率密度高等优点，适用于工业，民用等需要大行程低速大推力的应用场合。

附图说明

图1是本发明所述圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机的结构示意图，为了展示清楚结构特征，该图只画了一组短定子单元，且p＝2；

图2是图1的侧视图，该图展现的m＝3、p＝2的电机结构；

图3的(a)和(b)分别是第一动子铁芯和第二动子铁芯的结构示意图；

图4是第一动子铁芯与定子单元的定子齿完全对齐时电机的主磁通，电枢绕组不通电；

图5是第二动子铁芯与定子单元的定子齿完全对齐时电机的主磁通，电枢绕组不通电。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机，它包括动子和定子；动子设置在定子的内部，动子沿轴向在定子内部做直线运动；且动子和定子之间存在径向气隙；

定子包括m个短定子模块，m个短定子模块沿轴向均匀分布，构成m相电机；每个短定子模块包括p个定子单元和多个定子隔磁环7，相邻两个定子单元之间的轴向空间设置有定子隔磁环7；每个定子单元由2n个E型结构铁芯6沿圆周方向拼接而成，E型结构铁芯6的内圆弧表面设置有等宽的三个定子齿，每相邻两个E型结构铁芯6之间嵌入一块永磁体5，永磁体5沿切向充磁，且同一定子单元上相邻两块永磁体5的充磁方向相反，p个定子单元相同位置上的p块永磁体5的充磁方向相同；

相邻两个E型结构铁芯6的两个边缘位置的定子齿与中间夹持的永磁体5共同构成一个电枢齿，该电枢齿上绕制有电枢绕组4，且同一定子单元上、沿圆周方向的2n个电枢绕组4依次反向串联；

动子包括轴1、w个第一动子铁芯2、w个第二动子铁芯3和多个动子隔磁环8，第一动子铁芯2和第二动子铁芯3在轴1上沿轴向交错排布，且第一动子铁芯2和第二动子铁芯3之间的轴向空间设置有动子隔磁环8；第一动子铁芯2的外圆表面设置有4n个动子齿，2个动子齿为一组动子齿组，2n组动子齿组沿圆周方向均布，每组动子齿组中的2个动子齿均与一个E型结构铁芯6中的相邻两个定子齿分别对齐；第一动子铁芯2和第二动子铁芯3的结构相同，第一动子铁芯2和第二动子铁芯3的结构沿x轴或y轴镜像对称；其中，m、n、w和p均为正整数。

本实施方式电机为m相、p极电机，每个定子单元有2n个E型结构铁芯6和2n块永磁体5，E型结构铁芯6的三个定子齿沿圆弧方向的宽度相等，两个相邻的E型结构铁芯6夹持一块永磁体5，即两个定子齿夹持一块永磁体5，三者共同构成一个电枢齿，两个定子单元之间设置一个定子隔离环7，相邻两个定子单元间隔一个定子极距τ_s。

电枢绕组4和永磁体5均位于短定子模块部分，其主磁通所在平面与动子运动方向垂直，每相绕组磁路与电路都独立，容错性能好。

工作原理：

该圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机通过定子与动子之间的相对直线运动，在电枢绕组4中产生变化的磁场，从而感应出变化的电势，以实现交流运行。在图4所示的时刻，第一动子铁芯2与E型定子铁芯6对齐，相邻电枢绕组4的磁通方向相反，相邻电枢绕组4反向串联，所以此时电枢绕组4磁通达到最大，假定此时为磁通方向为正。当在图5所示的时刻，第二动子铁芯3与E型定子铁芯6对齐，磁通幅值也达到最大，与各个线圈交链的磁通方向均与图4时刻相反，所以此时磁通方向为负。随着动子的运动，电枢绕组4交链的磁通的幅值和方向会随之改变。因此任何时刻均可以获得所有永磁体5产生的感应电势。只要在线圈中通入合适的电流，即可驱动动子运动。

该圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机可以有效利用永磁体5，磁通路径所在平面与运动方向垂直，提高电机的功率密度；定子E型铁芯和动子铁芯均可由硅钢片叠制而成，可以有效的降低加工制造成本，提高电机的可靠性。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，每相短定子模块独立，且相邻两个短定子模块之间的距离d为：

d＝(2k+2/m)τ_p；

其中，τ_p为动子极距，k为预留端部绕组空间系数。

设定轴向为z向，第一动子铁芯2所在平面为xoy平面。沿轴向平行排列m组短定子模块，相互间隔(2k+2/m)τ_p，使得相邻两组短定子模块之间相差360/m度电角度，组成m相电机。图2给出电机p＝2，m＝3，每组短定子模块中设置有两个定子单元，三相电机。各相模块化，磁路独立，方便实现多相电机，可实现容错运行。

具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，第一动子铁芯2和第二动子铁芯3的轴向厚度L_r与定子单元的轴向厚度L_s相等。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，E型结构铁芯6采用硅钢片叠加而成。

第一动子铁芯2和第二动子铁芯3采用硅钢片叠加而成。

永磁体5为矩形永磁体。永磁体5置于短定子模块上，加工装配简单，且散热性能好。

Claims (6)

1.圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机，其特征在于，它包括动子和定子；动子设置在定子的内部，动子沿轴向在定子内部做直线运动；且动子和定子之间存在径向气隙；

定子包括m个短定子模块，m个短定子模块沿轴向均匀分布，构成m相电机；每个短定子模块包括p个定子单元和多个定子隔磁环(7)，相邻两个定子单元之间的轴向空间设置有定子隔磁环(7)；每个定子单元由2n个E型结构铁芯(6)沿圆周方向拼接而成，E型结构铁芯(6)的内圆弧表面设置有等宽的三个定子齿，每相邻两个E型结构铁芯(6)之间嵌入一块永磁体(5)，永磁体(5)沿切向充磁，且同一定子单元上相邻两块永磁体(5)的充磁方向相反，p个定子单元相同位置上的p块永磁体(5)的充磁方向相同；

相邻两个E型结构铁芯(6)的两个边缘位置的定子齿与中间夹持的永磁体(5)共同构成一个电枢齿，该电枢齿上绕制有电枢绕组(4)，且同一定子单元上、沿圆周方向的2n个电枢绕组(4)依次反向串联；

动子包括轴(1)、w个第一动子铁芯(2)、w个第二动子铁芯(3)和多个动子隔磁环(8)，第一动子铁芯(2)和第二动子铁芯(3)在轴(1)上沿轴向交错排布，且第一动子铁芯(2)和第二动子铁芯(3)之间的轴向空间设置有动子隔磁环(8)；第一动子铁芯(2)的外圆表面设置有4n个动子齿，2个动子齿为一组动子齿组，2n组动子齿组沿圆周方向均布，每组动子齿组中的2个动子齿均与一个E型结构铁芯(6)中的相邻两个定子齿分别对齐；第一动子铁芯(2)和第二动子铁芯(3)的结构相同，第一动子铁芯(2)和第二动子铁芯(3)的结构沿x轴或y轴镜像对称；其中，m、n、w和p均为正整数。

2.根据权利要求1所述圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机，其特征在于，每相短定子模块独立，且相邻两个短定子模块之间的距离d为：

d＝(2k+2/m)τ_p；

其中，τ_p为动子极距，k为预留端部绕组空间系数。

3.根据权利要求1所述圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机，其特征在于，第一动子铁芯(2)和第二动子铁芯(3)的轴向厚度L_r与定子单元的轴向厚度L_s相等。

4.根据权利要求1所述圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机，其特征在于，E型结构铁芯(6)采用硅钢片叠加而成。

5.根据权利要求1所述圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机，其特征在于，第一动子铁芯(2)和第二动子铁芯(3)采用硅钢片叠加而成。

6.根据权利要求1所述圆筒型横向磁场开关磁链永磁直线电机，其特征在于，永磁体(5)为矩形永磁体。