CN105305770B - 高效大推力双边直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于直线电机及其驱动领域，具体涉及一种高效大推力双边直线电机，包括由两个面对面布置的单边初级构成的双边初级，单边初级由带铁芯或不带铁芯的初级绕组组成，双边初级与设置在双边初级之间的双边次级配合构成双边直线电机，双边次级由至少一组交替贴装的导磁铁和磁体组成，相邻磁体充磁方向相对或背离，采用该结构可大幅降低甚至完全消除次级内部的漏磁，解决了长期制约直线电机工程应用的瓶颈问题。相同体积和制造成本下，可大幅增加电机功率和出力，或相同功率下，大幅降低电机体积、制造和使用成本，特别适用于长行程、大推力、大功率等直线电机工程应用场合。

Description

高效大推力双边直线电机

技术领域

本发明属于直线电机及其驱动领域，具体涉及高效大推力双边直线电机。

背景技术

直线电机已经广泛应用于直线电机地铁、磁悬浮列车、直线电机加工中心、自动化流水线、直驱电梯等多个应用领域和场合。现有的永磁直线电机结构主要有隐极式和凸极式两种，凸极式永磁直线电机结构如图1（凸极单边结构）和图2（凸极双边结构）所示，N、S交替排列的永磁体20（磁化方向沿纵向）和凸铁块24粘贴在次级非磁性轭部23上，该结构要求次级非磁性轭部23为非磁性材料且要求足够的厚度以便与外界铁磁区域隔绝，永磁场磁通路径为两个，第一个为主磁路：（沿纵向）永磁体A（沿纵向）—凸铁块A—（沿法向）气隙—初级铁芯—气隙—永磁体A；第二个为漏磁路（不经过气隙）：永磁体A（沿纵向）—凸铁块A—次级非磁性轭部或外层空间—永磁体A；因此，凸极式永磁直线电机次级漏磁大，永磁体相当一部分磁场能量漏到次级轭部及轭部之外空间中了，因此永磁体利用率不高，出力小。隐极式永磁直线电机的次级轭部为铁磁材料以便作为磁通路径一部分，如图3所示。图3中，N 、S交替排列的永磁体20粘贴在次级磁性铁轭22上，永磁场磁通路径为：永磁A（沿法向）—气隙—初级铁芯—气隙—永磁B——磁性次级轭铁—永磁A。由于永磁体可等效为通电的空芯线圈，故永磁体20的厚度对于初级电枢磁场和永磁励磁场的磁通路径来说，可以看做空气隙，隐极电机的总等效气隙较大，出力小，导致电机体积大，成本高，一般只适用于工作气隙小、永磁体厚度比较薄的场合。已成为制约直线电机工程应用的瓶颈问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有直线电机出力小、体积大、成本高等问题，提供了一种结构简单、出力大、性价比高的高效大推力双边直线电机。

本发明的目的是以下述方式实现的：

高效大推力双边直线电机，包括由两个面对面布置的单边初级构成的双边初级，单边初级由带铁芯或不带铁芯的初级绕组组成，双边初级与设置在双边初级之间的双边次级配合构成双边直线电机，双边次级由至少一组交替贴装的导磁铁和磁体组成，相邻磁体充磁方向相对或背离。

磁体的法向高度等于或者小于导磁铁的法向高度，当磁体的法向高度小于导磁铁的法向高度时，磁体为至少一列，当磁体为至少两列时，磁体为并行布置，并行布置的磁体法向总高度小于或者等于导磁铁的法向高度。

磁体为永磁体、超导磁体或者电励磁体，导磁铁的横向端部通过连接板连接成统一的双边次级。

导磁铁靠近初级的表面开有槽，槽内设置有法向磁体，法向磁体表面极性与导磁铁表面极性一致。

在导磁铁的两侧设置有交替贴装的导磁凸铁极和纵向磁体，相邻纵向磁体的充磁方向相对或者背离，导磁凸铁极设置在导磁铁的两端部与导磁铁连接成一体，导磁凸铁极的法向高度大于等于导磁铁的法向高度，导磁凸铁极的宽度大于等于导磁铁的宽度，纵向磁体的宽度小于等于磁体的宽度。

导磁铁、凸铁极、磁体或纵向磁体的截面为矩形、等腰梯形、三角形、“凸”字形、“中”字形、“工”字形或圆弧形。

凸铁极靠近初级的表面设置有至少一个开口槽，开口槽内设置有法向磁体，法向磁体表面极性与凸铁极或导磁铁表面极性一致。

凸铁极或导磁铁表面设置一层连接薄片，将凸铁极或者导磁铁连成一个整体，连接薄片为导电薄片、导磁导电复合薄片或带若干槽的导磁齿槽薄片，槽内嵌导电体，各导电体横向端部通过导电短路环连成一体。

双边次级每边的凸铁极和/或导磁铁的横向端部通过连接板连接成统一的双边次级。

所述的磁体、法向磁体和纵向磁体为永磁体、超导磁体或者电励磁体。

本发明所述的双边次级由至少一组交替贴装的导磁铁和磁体组成，相邻磁体充磁方向相反，可大幅降低甚至完全消除次级内部的漏磁，解决了长期制约直线电机工程应用的瓶颈问题。相同体积和制造成本下，可大幅增加电机功率和出力，或相同功率下，大幅降低电机体积和制造使用成本，特别适用于长行程、大推力、大功率等直线电机工程应用场合。

附图说明

图1为现有单边凸极永磁直线电机示意图；

图2为现有双边凸极永磁直线电机示意图；

图3为现有隐极式永磁直线电机示意图；

图4为本发明的高效大推力双边直线电机结构示意图一；

图5为本发明的高效大推力双边直线电机结构示意图二；

图6为本发明的高效大推力双边直线电机结构示意图三；

图7为本发明的高效大推力双边直线电机结构示意图四；

图8为本发明的导磁铁和磁体的截面图一；

图9为本发明的导磁铁和磁体的截面图二；

图10为本发明的导磁铁和磁体的截面图三；

图11为本发明的导磁铁和磁体的截面图四；

图12为本发明的导磁铁和磁体的截面图五；

图13为本发明的导磁铁和磁体的截面图六；

图14为本发明的导磁铁和磁体的截面图七；

图15为本发明的导磁铁和磁体的截面图八；

图16为本发明的导磁铁和磁体的截面图九；

图17为本发明的导磁铁和磁体的截面图十；

图18为本发明的导磁铁和磁体的截面图十一；

图19为本发明的导磁铁和磁体的截面图十二；

图20为本发明的高效大推力双边直线电机结构示意图五；

图21为本发明的高效大推力双边直线电机结构示意图六；

图22为本发明的高效大推力双边直线电机结构示意图七；

图23为本发明的高效大推力双边直线电机结构示意图八；

图24为本发明次级结构示意图；

图25为本发明连接板结构示意图一；

图26为本发明设有连接板的三维结构示意图一；

图27为连接板结构示意图二；

图28为本发明双边设有连接板的三维结构示意图二；

图29为本发明的高效大推力双边直线电机磁场有限元仿真磁力线分布图。

其中，1.初级铁芯；2.初级绕组；3.凸铁极；4.导磁铁；5.纵向磁体；6.磁体；8.法向磁体；20.永磁体；22.磁性铁轭；23.非磁性轭部；24.凸铁块。

具体实施方式

图4、图5所示为本发明的高效大推力双边直线电机结构示意图一、二，包括两个面对面设置的单边初级组成双边初级，单边初级由初级铁芯1和初级绕组2组成或仅由无铁芯初级绕组组成，所述的双边次级由带导磁铁的一组或两组凸极磁体阵列组成，凸极磁体阵列由m个导磁凸铁极3、n个沿纵向充磁的纵向磁体5交替贴装组成，相邻纵向磁体5的磁方向相对或者背离，m、n为大于1的整数，相邻两凸铁极3中心线之间的距离为次级极距Ts，m为电机的极数，n为纵向磁体的个数，纵向为凸铁极3表面切向方向或次级运动方向，法向为凸铁极3中心线方向或气隙方向，横向为垂直于纵向、法向的方向，在相邻凸铁极3上形成N、S极性交替的磁极，双边次级一侧凸铁极3与另一侧对应凸铁极3之间通过导磁铁4接成一体，各导磁铁4互不相交，任意相邻的两个导磁铁4之间设置至少一组沿纵向充磁的磁体6，双边次级置于双边初级之间与双边初级配合构成双边直线电机。

图6、图7所示为本发明的高效大推力双边直线电机结构示意图三、四，所述的任意相邻的两导磁铁4及其相连的凸铁极3之间全部设置或填充纵向磁体5或磁体6或磁体6和纵向磁体5。图7中，导磁铁4与凸铁极3等宽或为同一整体，磁体6与纵向磁体5等宽或为同一整块磁体。

图8-图13所示为导磁铁4和磁体6的截面图，图中凸铁极3、纵向磁体5的截面为长方形或矩形或梯形或三角形或“凸”形结构，图8中导磁铁4和磁体6都为矩形，图9、图10中导磁铁4和磁体6都为“凸”字形，图11、图12中导磁铁4和磁体6都为梯形，图13中导磁铁4和磁体6都为三角形。

图14-图19所示为本发明导磁铁4和磁体6的截面图，它们分别为图8-图13的双边对称结构，所述的双边型凸铁极3、磁体6的截面为长方形或矩形或等腰梯形或三角形或“中”形或“工”字形结构。

图20-图23所示为本发明的高效大推力双边直线电机结构示意图，所述的双边次级两侧的凸铁极3表面开设“凹”形或“凸”形的齿槽，在凸铁极3的开口槽中嵌放法向磁体8，法向磁体8表面极性与凸铁极3表面极性一致。

图24为本发明次级结构示意图，图25为本发明连接板结构示意图一，图26为本发明设有连接板的三维结构示意图一。所述的分散布置的各导磁铁或凸铁或凸铁与导磁铁的横向伸出端与相应侧的端部连接板连接成一个整体，形成坚固统一的双边次级，双边次级与对应的双边初级配合构成了高效大推力双边直线电机。双边次级还可以采取将整块端部连接板与次级导磁铁4、凸铁极3的横向端部（横向端无需伸出）通过螺栓连接或焊接等多种方式固定，如图27为连接板结构示意图二，图28为本发明双边设有连接板的三维结构示意图二所示。

上述实施例中，所述的纵向磁铁4、法向磁体8和磁体6可以采用永磁体，或者超导磁体，或者电励磁体，根据具体的需要而定。一般来说，优先采用钕铁硼材料制成的强磁性永磁体。

上述实施例中，在导磁铁4或凸铁极3靠近气隙的表面设置一层连续布置的连接薄片（这些薄片同时也将磁体包裹在内），将导磁铁4或凸铁极3连成一个整体；连接薄片为导磁薄片、导电薄片或导磁导电复合薄片，或为带若干槽的导磁齿槽薄片，槽内嵌导电体，各导电体横向端部通过导电短路环连成一体。这些内嵌导电体的齿槽薄片的结构和工作原理类似于常见的旋转鼠笼感应电机鼠笼端部短路环，在起动过程中，这些导电体将感应电势，将这些导电体短路，这些感应电势将在导电体内产生短路电流（起动电流），产生很大的起动力矩（力）起到自起动电机作用，当稳态同步运行时这些导电体将不起作用，因为同步速下的感应电势为零，异步运行才起作用。而本发明那些导磁薄片、导电薄片或导磁导电复合薄片也起到类似作用，在直线电机中也经常用到，只不过其起动力、起动力矩较小，主要起到动态稳定（防止失步）和一定的防护作用。

本发明所述的高效大推力双边直线电机，巧妙应用了双边直线电机的结构特点，磁阻和漏磁得以大幅降低，功率密度和推力得以大幅增加。图29为本发明所述的高效大推力双边直线电机磁场有限元仿真磁力线分布图，从中可以看出，除了常规难以避免的气隙（凸铁极3）表面及初级槽口区域出现少量漏磁外，本发明的双边次级内部区域几乎没有任何漏磁，因为本发明在次级内部拓扑结构上没有为漏磁提供任何空间或通道，使得次级永磁主磁路在理论上可达到近乎完美，也就是说永磁体在次级内部区域几乎没有能量损失，几乎都用于参与初、次级的机电能量转换，因此，本发明的电机推力可比普通隐极式或凸极式永磁直线电机大50%以上。从而解决了现有直线电机出力小、成本高、体积大等长期制约工程应用的瓶颈问题，提供一种结构简单、推力大、性价比极高的高效大推力双边直线电机。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.高效大推力双边直线电机，包括由两个面对面布置的单边初级构成的双边初级，单边初级由带铁芯或不带铁芯的初级绕组组成，其特征在于：双边初级与设置在双边初级之间的双边次级配合构成双边直线电机，双边次级由至少一组交替贴装的导磁铁和磁体组成，相邻磁体充磁方向相对或背离，磁体的法向高度等于或者小于导磁铁的法向高度，当磁体的法向高度小于导磁铁的法向高度时，磁体为至少一列，当磁体为至少两列时，磁体为并行布置，并行布置的磁体法向总高度小于或者等于导磁铁的法向高度，在导磁铁的两侧设置有交替贴装的导磁凸铁极和纵向磁体，相邻纵向磁体的充磁方向相对或者背离，导磁凸铁极设置在导磁铁的两端部与导磁铁连接成一体，导磁凸铁极的法向高度大于等于导磁铁的法向高度，导磁凸铁极的宽度大于等于导磁铁的宽度，纵向磁体的宽度小于等于磁体的宽度，凸铁极靠近初级的表面设置有至少一个开口槽，开口槽内设置有法向磁体，法向磁体表面极性与凸铁极或导磁铁表面极性一致。

2.根据权利要求1所述的高效大推力双边直线电机，其特征在于：导磁铁、凸铁极、磁体或纵向磁体的截面为矩形、等腰梯形、三角形、“凸”字形、“中”字形、“工”字形或圆弧形。

3.根据权利要求1所述的高效大推力双边直线电机，其特征在于：凸铁极或导磁铁表面设置一层连接薄片，将凸铁极或者导磁铁连成一个整体，连接薄片为导电薄片、导磁导电复合薄片或带若干槽的导磁齿槽薄片，槽内嵌导电体，各导电体横向端部通过导电短路环连成一体。

4.根据权利要求3所述的高效大推力双边直线电机，其特征在于：双边次级每边的凸铁极和/或导磁铁的横向端部通过连接板连接成统一的双边次级。

5.根据权利要求4所述的高效大推力双边直线电机，其特征在于：所述的磁体、法向磁体和纵向磁体为永磁体、超导磁体或者电励磁体。