CN106253529B - 带励磁调节高效大推力双边直线电机 - Google Patents

带励磁调节高效大推力双边直线电机 Download PDF

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本发明属于直线电机及其驱动领域，具体涉及带励磁调节高效大推力双边直线电机，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，相邻磁体的充磁方向相对或者背离，每个导磁铁上设置励磁线圈，导磁铁为双边次级永磁、直流励磁和双边初级组成串并联磁路提供了通道，磁阻小，漏磁大幅降低甚至完全消除，励磁调节能力显著增强，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，特别适用于大推力、大功率、长行程和需要磁悬浮导向控制等直线电机工程应用场合。

Description

带励磁调节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，具体涉及一种带励磁调节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各行各业。在直线电机直驱电梯、直线电机地铁、磁悬浮列车、直线电机加工中心、自动化流水线等多个应用领域和场合，不但要求直线电机推力大，还经常需要对直线电机进行增磁与弱磁调节、推力调节、法向力调节、无接触导向控制等，需要对励磁场进行调节。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。次级轭部为非磁性材料的特点也决定了其不适合加装直流励磁线圈（因为不能构成直流励磁通路）。现在一般利用隐极式永磁直线电机的磁性次级轭部加装直流励磁线圈的方式。图3中，次级轭部为铁磁材料以便作为磁通路径一部分，N、S交替排列的永磁体20（磁化方向沿法向气隙方向）粘贴在次级磁性铁轭22上，永磁体20作为主磁场，直流励磁线圈21设置在永磁体20后面的次级磁性铁轭22上用来产生直流励磁场作为辅助励磁调节，磁通路径也为两个，第一个为永磁场主磁通路径（经过气隙）：永磁A（沿法向）—气隙—初级铁芯—气隙—永磁体B——磁性次级轭铁—永磁体A；第二个为直流励磁磁通路径（经过气隙）：励磁线圈（沿法向）—永磁体A—气隙—初级铁芯—气隙—永磁体B——磁性次级轭铁—（回到）励磁线圈。由于永磁体可等效为通电的空芯线圈，故永磁体20的厚度对于励磁磁路来说，可以看做空气隙，会产生很大的磁阻和磁压降，使得励磁磁势（即励磁电流与绕组匝数的乘积）大部分消耗到永磁体等效空气隙中了，故其出力不大，励磁场调节能力小、调节效果不佳，而且需要提供的励磁电流和供电功率大，线圈容易发热，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，对于多数应用场合，难以实现大推力和有效的励磁调节。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混合励磁直线电机出力小、调节能力低、励磁功率与体积大、成本高等问题，提供了一种结构简单、出力大、调节能力强、励磁功率小、性价比高的带励磁调节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：
带励磁调节高效大推力双边直线电机，包括由两个面对面设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，相邻磁体的充磁方向相对或者背离，每个导磁铁上设置励磁线圈。
励磁线圈套设在导磁铁上，励磁线圈位于导磁铁侧方的凹槽Ⅰ内，或者励磁线圈伸出导磁铁位于相邻磁体的凹槽Ⅱ内。
磁体的法向高度小于或者等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，磁体可以为多列并行设置，多列磁体的法向总高度小于导磁铁的法向高度。
相邻导磁铁之间并行设置有至少一列线圈和至少一列磁体，磁体和线圈的法向总高度分别小于或等于导磁铁的法向高度。
导磁铁的两侧设置有交替贴装的导磁凸铁极和纵向磁体，导磁凸铁极设置在导磁铁的两端与导磁铁连成一体，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、导磁凸铁极、纵向磁体和磁体截面为矩形、等腰梯形、三角形、“凸”字形、“中”字形、“工”字形或圆弧形。
凸铁极或导磁铁的表面开设至少一个开口槽，开口槽内设置有法向磁体，法向磁体的表面极性与凸铁极或导磁铁的表面极性一致。
在凸铁极或导磁铁的表面设置一层连接薄片，将个凸铁极或导磁体连成一个整体；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。
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。
所述的双边次级每边的凸铁极和/或导磁铁的横向端部通过相应的端部连接板彼此连接成一体构成统一的双边次级。
本发明所述的双边次级由双边次级由至少一组交替贴装的导磁铁和磁体组成，相邻磁体的极性相反，导磁铁和磁体之间设置有线圈，漏磁大幅降低甚至完全消除，励磁功率小，励磁调节能力显著增强，解决了长期制约直线电机工程应用的瓶颈问题。相同体积和制造使用成本下，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，特别适用于大气隙、大推力、大功率、长行程和需要磁悬浮导向控制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为现有混合励磁直线电机示意图；
图4为本发明的带励磁调节高效大推力双边直线电机结构示意图一；
图5为本发明的带励磁调节高效大推力双边直线电机结构示意图二；
图6为本发明的带励磁调节高效大推力双边直线电机结构示意图三；
图7为本发明的带励磁调节高效大推力双边直线电机结构示意图四；
图8为本发明的带励磁调节高效大推力双边直线电机结构示意图五；
图9为本发明凸铁极和纵向磁铁截面示意图一；
图10为本发明凸铁极和纵向磁铁截面示意图二；
图11为本发明凸铁极和纵向磁铁截面示意图三；
图12为本发明凸铁极和纵向磁铁截面示意图四；
图13为本发明凸铁极和纵向磁铁截面示意图五；
图14为本发明凸铁极和纵向磁铁截面示意图六；
图15为本发明凸铁极和纵向磁铁截面示意图七；
图16为本发明凸铁极和纵向磁铁截面示意图八；
图17为本发明凸铁极和纵向磁铁截面示意图九；
图18为本发明凸铁极和纵向磁铁截面示意图十；
图19为本发明凸铁极和纵向磁铁截面示意图十一；
图20为本发明凸铁极和纵向磁铁截面示意图十二；
图21为本发明的带励磁调节高效大推力双边直线电机结构示意图六；
图22为本发明的带励磁调节高效大推力双边直线电机结构示意图七；
图23为本发明次级局部三维结构示意图一；
图24为本发明连接板三维结构示意图一；
图25为本发明三维结构示意图一；
图26为本发明次级局部三维结构示意图二；
图27为本发明连接板三维结构示意图二
图28为本发明三维结构示意图二；
图29为本发明励磁调节线圈不通电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；7.励磁调节线圈；8.法向磁体；20.永磁体；21.直流励磁线圈；22. 磁性铁轭；23 非磁性轭部；24.凸铁块；25.连接板。
具体实施方式
图3所示为本发明的带励磁调节高效大推力双边直线电机结构示意图一，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，双边次级位于双边初级之间，与各单边初级保持一定的气隙，所述的双边次级由带导磁铁4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，m、n为大于1的整数，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，相邻纵向磁体5充磁方向相对或者背离，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之间通过导磁导磁铁4连接成一体，凸铁极3的宽度大于等于导磁铁4的宽度，各导磁铁4互不相交，导磁铁4上设置或缠绕至少一组次级励磁调节线圈7，导磁铁4为双边次级激励区、直流励磁调节线圈与双边初级组成串并联磁路提供了通道，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。
所述的励磁调节线圈7作为法向力或推力调节单元。当作为法向力调节单元时，根据双边法向力或双边磁场或双边气隙的检测偏移量通入相应的直流励磁电流，励磁电流的方向和线圈的绕向使得双边电机两侧的励磁磁场及法向力一侧被增强的同时，另一侧被减弱；当作为推力调节单元时，根据负载或功角或位置或速度或负载电流的检测变化量通入相应的励磁电流，励磁电流的方向和线圈的绕向使得双边电机两侧的励磁磁场及法向力同时被增强或同时被减弱；双边次级与双边初级配合构成了带励磁调节高效大推力双边直线电机。
图5、图6所示为本发明的带励磁调节高效大推力双边直线电机结构示意图，所述的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。
图7、图8所示为本发明的带励磁调节高效大推力双边直线电机结构示意图，所述的任意相邻的两励磁调节线圈7、两导磁铁4及其相连的凸铁极3之间全部设置或填充磁体6和/或纵向磁体5。
图9-图14所示为本发明凸铁极和纵向磁铁截面示意图，所述的凸铁极3、纵向磁体5或磁体6的截面为矩形或等腰梯形或三角形或“凸”形结构。
图15-图20所示为本发明凸铁极和纵向磁铁截面示意图，它们分别为图9-图14的双边对称结构，所述的双边型凸铁极3、纵向磁体5或磁体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”形结构。
图21、图22所示为本发明的带励磁调节高效大推力双边直线电机结构示意图五，所述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的槽中嵌放充磁方向与凸铁极3的磁化方向一致的法向磁体8。
图23为次级局部三维结构示意图，图24为网孔状的连接件25三维结构示意图，图25为本发明三维结构示意图，所述的分散布置的各导磁铁4或凸铁极3或凸铁极3与导磁铁3的横向伸出端与相应侧的端部支撑板25或连接件固结成一个整体，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带励磁调节高效大推力双边直线电机,如图25所示三维结构示意图。双边次级还可以采取将整块连接板25与次级导磁铁、凸铁极的横向端部通过螺栓连接或焊接等多种方式固定，如图26、27、28所示，其中图26为本发明次级局部三维结构示意图二，图27为本发明连接板三维结构示意图二，图28为本发明三维结构示意图二。
上述实施例中，所述的励磁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。
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6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。
本发明所述的带励磁调节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，在次级设置了导磁铁4和纵向磁体5、磁体6为双边次级凸铁极3、直流励磁、双边初级组成串并联磁路提供了通道，磁阻和漏磁得以大幅降低，功率密度和推力大幅增加的同时，励磁调节能力显著增强。图29为加励磁调节线圈（不通电）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漏磁，次级永磁主磁路和直流励磁辅助磁路在理论上可同时达到近乎完美，也就是说永磁体和励磁调节线圈磁势在次级内部区域都没有多少能量损失，几乎都用于了参与初、次级的机电能量转换，这在普通带励磁调节永磁电机中是难以达到的，因此，推力可达到普通双边隐极式或凸极式永磁直线电机的1.5倍以上。进一步对不平衡法向力进行调整（使之为零）的仿真表明，推力保持不变或不影响推力情况下，对气隙不平衡造成的法向力调节相当灵敏，所需直流励磁功率小。从而解决了现有直线电机出力小、调节能力低、成本高、体积大等长期制约工程应用的瓶颈问题，提供了一种结构简单、推力大、调节能力强、性价比极高的带励磁调节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 (7)

1.带励磁调节高效大推力双边直线电机，包括由两个面对面设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，相邻磁体的充磁方向相对或者背离，每个导磁铁上设置励磁线圈；励磁线圈套设在导磁铁上，励磁线圈位于导磁铁外侧的凹槽I内，或者励磁线圈伸出导磁铁位于相邻磁体的凹槽II内；导磁铁的两侧设置有交替贴装的导磁凸铁极和纵向磁体，导磁凸铁极设置在导磁铁的两端与导磁铁连成一体，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；相邻导磁铁之间并行设置有至少一列线圈和至少一列磁体，磁体和线圈的法向总高度分别小于或等于导磁铁的法向高度。
2.根据权利要求1所述的带励磁调节高效大推力双边直线电机，其特征在于：磁体的法向高度小于或者等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，磁体为多列并行设置，多列磁体的法向总高度小于导磁铁的法向高度。
3.根据权利要求1所述的带励磁调节高效大推力双边直线电机，其特征在于：导磁铁、导磁凸铁极、纵向磁体和磁体截面为矩形、等腰梯形、三角形、“凸”字形、“中”字形、“工”字形或圆弧形。
4.根据权利要求3所述的带励磁调节高效大推力双边直线电机，其特征在于：凸铁极或导磁铁的表面开设至少一个开口槽，开口槽内设置有法向磁体，法向磁体的表面极性与凸铁极或导磁铁的表面极性一致。
5.根据权利要求4所述的带励磁调节高效大推力双边直线电机，其特征在于：在凸铁极或导磁铁的表面设置一层连接薄片，将多个凸铁极或导磁体连成一个整体；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。
6.根据权利要求5所述的带励磁调节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。
7.根据权利要求6所述的带励磁调节高效大推力双边直线电机，其特征在于：所述的双边次级每边的凸铁极和/或导磁铁的横向端部通过相应的端部连接板彼此连接成一体构成统一的双边次级。
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