CN105305772A - 一种凸极halbach复合永磁直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电机与电器领域，具体涉及一种凸极halbach复合永磁直线电机，包括次级和与之配合的初级，次级为凸极halbach复合阵列，包括单层凸极halbach复合阵列或双层凸极halbach复合阵列；halbach磁体阵列紧贴凸极磁体阵列表面设置构成单层凸极halbach复合阵列，凸极磁体阵列两侧表面分别紧贴设置halbach磁体阵列，构成双层凸极halbach复合阵列。利用halbach磁体阵列特点，将凸极磁体阵列布置于halbach磁体阵列强磁区，与通电绕组配合形成凸极halbach永磁电机，可将凸极磁体阵列漏磁大幅降低甚至完全消除，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、大功率和大推力直线电机工程应用场合。较好解决了直线电机工程应用的瓶颈问题。
Description
技术领域
本发明属于电机与电器领域，具体涉及一种凸极halbach复合永磁直线电机。
背景技术
永磁直线电机已经广泛应用于各行各业。如直线电机磁悬浮列车、直驱电梯、直线电机自动化流水线等很多应用领域和场合。永磁直线电动机有多种类型。按结构可分为平面型、圆筒型（管型）、弧型四种。按动子永磁体的布置方式可分为隐极型、凸极型、混合型等，按初级的布置方式还可分为双边型和单边型以及复合型三种。现有的隐极型和凸极型永磁直线电机结构中，前者等效电磁气隙大，后者漏磁大，都导致电机的功率密度、推力/自重比较低，电机体积大，制造和使用成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有直线电机输出功率低、推力/自重比小、力能指标低、体积过大、成本过高的工程应用瓶颈问题，为解决上述问题，采用一种凸极halbach复合阵列及永磁电机。
为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种凸极halbach复合永磁直线电机，包括次级和与之配合的初级，次级为凸极halbach复合阵列，包括单层凸极halbach复合阵列和或双层凸极halbach复合阵列；带轭部或不带轭部的halbach磁体阵列紧贴不带轭部或带轭部的凸极磁体阵列表面设置构成单层凸极halbach复合阵列，凸极磁体阵列两侧表面分别紧贴设置halbach磁体阵列，构成双层凸极halbach复合阵列，凸极磁体阵列由导磁凸铁和水平磁体交替贴装而成，凸铁两侧的水平磁体在凸铁上形成聚磁的凸铁极，halbach磁体阵列由法向磁体和纵向磁体交替贴装组成；单层凸极halbach复合阵列构成单边次级配合相应的单边初级构成单边型单层凸极halbach复合永磁直线电机，双层凸极halbach复合阵列构成双边次级配合相应的双边初级构成双边型双层凸极halbach复合永磁直线电机。
凸极磁体阵列中的凸铁、水平磁体的截面为矩形、梯形、三角形、“凸”字形或半圆形，halbach磁体阵列中的法向磁体和纵向磁体的截面为矩形、梯形、三角形或半圆形。
在凸极磁体阵列中的凸铁表面开设至少一个开口槽，开口槽中设置有凸槽磁体，凸槽磁体表面极性与相应凸铁表面极性一致。
凸铁上设置有至少一个导电体，导电体的横向端部通过导电环或导电片连成一体。
凸铁上设置有至少一个空腔，空腔内设置有导电体，各凸铁上的导电体横向端部通过导电环或导电片连成一体；或者在凸铁的表面铺设或连接一层连接薄片，将各凸铁彼此连接成一个整体，连接薄片为导磁薄片或导电薄片或导磁导电复合薄片或为带槽的导磁齿槽薄片，槽内嵌导电体，导电体横向端部通过导电环或导电片连成一体。
所述的水平磁体、法向磁体和纵向磁体为永磁体、超导磁体或者电励磁体。
至少有一组凸铁或者凸铁和轭部的两横向端部通过连接件连接，形成统一的凸极halbach复合阵列。
所述的次级凸极halbach复合阵列围绕一纵向轴线将凸极halbach复合阵列的横向两端首尾相连卷成圆筒形，成为圆筒型凸极halbach复合阵列。
所述的两组单边次级或单边初级面对面分开设置，两者中间间隔设置对应的双边初级或双边次级，构成双边型单层凸极halbach复合永磁直线电机。
所述的双边型单层凸极halbach复合永磁直线电机外侧两次级的横向端部连接件连接成一体，中间为初级，形成U型单层凸极halbach复合永磁直线电机。
本发明利用halbach磁体阵列弱磁区漏磁很小的特点，将凸极磁体阵列布置于halbach磁体阵列强磁区，与通电绕组配合形成凸极halbach永磁电机，可将凸极磁体阵列漏磁大幅降低甚至完全消除，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、大功率和大推力直线电机工程应用场合。较好解决了直线电机工程应用的瓶颈问题。
附图说明
图1为本发明凸极halbach复合阵列结构示意图一；
图2为本发明凸极halbach复合阵列结构示意图二；
图3为凸极磁体阵列结构结构示意图一；
图4为凸极磁体阵列结构结构示意图二；
图5为凸极磁体阵列结构结构示意图三；
图6为凸极磁体阵列结构结构示意图四；
图7为凸极磁体阵列结构结构示意图五；
图8为凸极磁体阵列结构结构示意图六；
图9为halbach磁体阵列结构示意图一；
图10为halbach磁体阵列结构示意图二；
图11为halbach磁体阵列结构示意图三；
图12为halbach磁体阵列结构示意图四；
图13为本发明凸极halbach复合阵列结构示意图三；
图14为双边凸极halbach复合阵列结构示意图；
图15为双边凸极halbach复合阵列组成的旋转电机结构示意图；
图16为图15A-A剖视图；
图17为凸极halbach复合阵列组成的单边直线电机结构示意图一；
图18为凸极halbach复合阵列组成的单边直线电机结构示意图二；
图19为凸极halbach复合阵列组成的双边直线电机结构示意图三；
图20为凸极halbach复合阵列组成的旋转电机机构示意图一；
图21为凸极halbach复合阵列组成的旋转电机机构示意图二；
图22为圆筒型凸极halbach永磁直线电机三维结构示意图；
图23为本发明的凸极halbach永磁直线电机磁场有限元仿真磁力线分布图；
图24为凸极halbach复合阵列组成的双边直线电机结构示意图四。
图中，1.初级铁芯；2.初级绕组；3.凸铁；4.法向磁体；5.水平磁体；6.纵向磁体；8.凸槽磁体；9.轭部；11.连接薄片；12.导电体。
具体实施方式
如图1-图24所示，一种凸极halbach复合永磁直线电机，包括次级和与之配合的初级，次级为凸极halbach复合阵列，包括单层凸极halbach复合阵列和或双层凸极halbach复合阵列；带轭部或不带轭部的halbach磁体阵列紧贴不带轭部或带轭部的凸极磁体阵列表面设置构成单层凸极halbach复合阵列，凸极磁体阵列两侧表面分别紧贴设置halbach磁体阵列，构成双层凸极halbach复合阵列，凸极磁体阵列由导磁凸铁3和水平磁体5交替贴装而成，凸铁3两侧的水平磁体5在凸铁3上形成聚磁的凸铁极，halbach磁体阵列由法向磁体4和纵向磁体6交替贴装组成；单层凸极halbach复合阵列构成单边次级配合相应的单边初级构成单边型单层凸极halbach复合永磁直线电机，双层凸极halbach复合阵列构成双边次级配合相应的双边初级构成双边型双层凸极halbach复合永磁直线电机。
其中，纵向为凸铁3表面切线方向或运动方向，法向为凸铁3中心线方向或气隙方向，横向为垂直于纵向和法向的方向。
图2所示为本发明凸极halbach复合阵列结构示意图二，图中，凸极永磁halbach复合阵列中的halbach磁体阵列带有磁性或非磁性轭部9，halbach磁体阵列弱磁区表面紧贴磁性或非磁性轭部9设置。
图3-图8所示为本发明的凸极磁体阵列结构示意图，凸极磁体阵列中的凸铁3、水平磁体5的截面为矩形或等腰梯形或三角形或“凸”形或闭口弧形或它们的组合结构，图9-图12中，halbach磁体阵列中的法向磁体4、纵向磁体6的截面为矩形或等腰梯形或三角形结构或它们的组合结构。
图13所示本发明凸极halbach复合阵列结构示意图三，所述的凸铁3表面开设至少一个开口槽，开口槽中配合设置或嵌放凸槽磁体8，凸槽磁体8表面极性与凸铁3表面极性一致。
图14为双边凸极halbach复合阵列结构示意图，所述的凸极永磁halbach复合阵列沿halbach磁体阵列弱磁区一纵向轴线镜像为双边平板型凸极永磁halbach复合阵列。
图15、图16双边凸极halbach复合阵列组成的双边直线电机结构示意图及剖面图，凸极永磁halbach复合阵列围绕纵向轴线将凸极永磁halbach复合阵列的横向首尾两端相接卷成圆柱形，成为圆筒型凸极永磁halbach复合阵列。
将此圆筒型凸极永磁halbach复合阵列作为次级，与通电初级绕组配合形成圆筒型凸极halbach永磁直线电机，如图15、图16、图20、图21、图22、图24所示，其中图22为圆筒型凸极halbach永磁直线电机三维结构示意图，图24为凸极磁体阵列两侧表面分别紧贴设置一组halbach磁体阵列，构成双层凸极halbach复合阵列，与次级配合形成双边直线电机。
图17-图19所示为本发明的一种凸极halbach复合阵列及永磁电机结构及应用示意图，将单边或双边平面型凸极永磁halbach复合阵列作为次级，与通电初级绕组配合形成单边或双边平面型凸极halbach永磁直线电机。其中，图17、图18为单边型，图19为双边型。
图20、图21所示为本发明的一种凸极halbach复合阵列及永磁电机结构及应用示意图，所述的凸极永磁halbach复合阵列沿halbach磁体阵列弱磁区一横向轴线将凸极永磁halbach复合阵列的纵向首尾两端相接卷成圆环形，成为旋转型凸极永磁halbach复合阵列，该旋转型凸极永磁halbach复合阵列中的凸铁3的表面铺设或连接一层连接薄片11，将水平磁体5和凸铁3包围在内，并将各凸铁3彼此连接成一个整体，连接薄片11为导磁薄片或导电薄片，或为槽内嵌导电体12的带开口槽或半闭口槽或闭口槽的导磁齿槽薄片，槽内各内嵌导电体12通过端部短路环连成一体。其中，图20连接薄片为槽内嵌导电体的导磁齿槽薄片示意图，图21连接薄片为导磁薄片或导电薄片示意图。
将此旋转型凸极永磁halbach复合阵列作为次级，与通电初级绕组配合形成旋转型凸极halbach永磁旋转电机，如图20、图21所示。
上述凸极永磁halbach复合阵列，可将凸铁3的两个横向端部通过相应侧的连接件与磁性或非磁性轭部相连接，形成坚固统一的凸极永磁halbach复合阵列。
上述实施例中，所述的磁体可以采用永磁体，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。
图23为本发明所述的凸极halbach永磁直线电机磁场有限元仿真磁力线分布图，从中可以看出，除了难以避免的气隙（凸铁3）表面和初级槽口区域及halbach轭部出现少量漏磁外，本发明的次级轭部区域漏磁很小，因此，本发明的电机推力可大幅提高。较好解决了现有直线电机出力小、成本高、体积大等制约工程应用的瓶颈问题。
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之内。
Claims (10)
1.一种凸极halbach复合永磁直线电机，包括次级和与之配合的初级，其特征在于：次级为凸极halbach复合阵列，包括单层凸极halbach复合阵列和或双层凸极halbach复合阵列；带轭部或不带轭部的halbach磁体阵列紧贴不带轭部或带轭部的凸极磁体阵列表面设置构成单层凸极halbach复合阵列，凸极磁体阵列两侧表面分别紧贴设置halbach磁体阵列，构成双层凸极halbach复合阵列，凸极磁体阵列由导磁凸铁和水平磁体交替贴装而成，凸铁两侧的水平磁体在凸铁上形成聚磁的凸铁极，halbach磁体阵列由法向磁体和纵向磁体交替贴装组成；单层凸极halbach复合阵列构成单边次级配合相应的单边初级构成单边型单层凸极halbach复合永磁直线电机，双层凸极halbach复合阵列构成双边次级配合相应的双边初级构成双边型双层凸极halbach复合永磁直线电机。
2.根据权利要1所述的一种凸极halbach复合永磁直线电机，其特征在于：凸极磁体阵列中的凸铁、水平磁体的截面为矩形、梯形、三角形、“凸”字形或半圆形，halbach磁体阵列中的法向磁体和纵向磁体的截面为矩形、梯形、三角形或半圆形。
3.根据权利要求2所述的一种凸极halbach复合永磁直线电机，其特征在于：在凸极磁体阵列中的凸铁表面开设至少一个开口槽，开口槽中设置有凸槽磁体，凸槽磁体表面极性与相应凸铁表面极性一致。
4.根据权利要求3所述的一种凸极halbach复合永磁直线电机，其特征在于：凸铁上设置有至少一个导电体，导电体的横向端部通过导电环或导电片连成一体。
5.根据权利要求4所述的一种凸极halbach复合永磁直线电机，其特征在于：凸铁上设置有至少一个空腔，空腔内设置有导电体，各凸铁上的导电体横向端部通过导电环或导电片连成一体；或者在凸铁的表面铺设或连接一层连接薄片，将各凸铁彼此连接成一个整体，连接薄片为导磁薄片或导电薄片或导磁导电复合薄片或为带槽的导磁齿槽薄片，槽内嵌导电体，导电体横向端部通过导电环或导电片连成一体。
6.根据权利要求5中所述的一种凸极halbach复合永磁直线电机，其特征在于：所述的水平磁体、法向磁体和纵向磁体为永磁体、超导磁体或者电励磁体。
7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的一种凸极halbach复合永磁直线电机，其特征在于：至少有一组凸铁或者凸铁和轭部的两横向端部通过连接件连接，形成统一的凸极halbach复合阵列。
8.根据权利要求7所述的一种凸极halbach复合永磁直线电机，其特征在于：所述的次级凸极halbach复合阵列围绕一纵向轴线将凸极halbach复合阵列的横向两端首尾相连卷成圆筒形，成为圆筒型凸极halbach复合阵列。
9.据权利要求8所述的一种凸极halbach复合永磁直线电机，其特征在于：所述的两组单边次级或单边初级面对面分开设置，两者中间间隔设置对应的双边初级或双边次级，构成双边型单层凸极halbach复合永磁直线电机。
10.根据权利要求9所述的一种凸极halbach复合永磁直线电机，其特征在于：所述的双边型单层凸极halbach复合永磁直线电机外侧两次级的横向端部连接件连接成一体，中间为初级，形成U型单层凸极halbach复合永磁直线电机。
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