CN106374718B - 聚磁型交替极游标永磁电机及其应用 - Google Patents

聚磁型交替极游标永磁电机及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚磁型交替极游标永磁电机，包括：开有多个开口槽的初级铁心，电枢绕组设置于初级铁心的各开口槽中；次级铁心，其与初级铁心间隔设置，且两者可相对移动，各初级铁心的开口槽槽口处设置有海尔贝克永磁体，进而形成海尔贝克(Halbach)永磁体阵列，次级铁心相对于初级铁心的表面开设有间隔布置的多个开口槽，其中设置有永磁体，进而形成励磁永磁体阵列；且海尔贝克永磁体阵列的充磁方向与励磁永磁体阵列的充磁方向相匹配。本发明通过综合应用交替极结构和海尔贝克阵列，使电机的气隙磁密得到显著加强，提升电机气隙传递电磁功率的能力，提高电机的反电动势、推力密度和功率因数等电磁性能，有利于减少电机体积、改善电机的加速性能及减小变频器容量。

Description

聚磁型交替极游标永磁电机及其应用
技术领域
本发明属于永磁电机技术领域，具体涉及一种游标永磁电机及其应用。
技术背景
游标永磁电机例如游标永磁直线电机是近年逐步发展起来的一种基于磁场调制理论的新型电机，其特点是具有较大的转矩密度和较小的转矩波动，在如轨道交通、船舶推进、食品加工和电动汽车等领域具有较好的应用。常规的游标永磁电机在使用中由于永磁磁极较多，容易形成大量漏磁，从而电机整体功率因数较低，进一步会导致变频器容量增大，增加器件成本。
专利文献CN201210027944.9中公开了一种永磁游标直线电机，其包括电机初级、与电机初级通过气隙相隔的电机次级；电机初级包括扁平状的初级铁芯、电枢绕组、磁通调制极，初级铁芯上设有凸出于其外周的初级齿，电枢绕组绕于初级齿上，初级齿上凸出的小齿部分即为磁通调制极，电机初级安置于列车上；电机次级包括永磁体、次级铁芯，永磁体沿水平方向间隔地且等距离地嵌放在次级铁芯上，电机次级安置于列车轨道上。该方案的主要特点是在初级铁心原有齿上开辅助齿，同时在次级铁心开槽并在槽中放置海尔贝克(Halbach)永磁体阵列，这种结构利用电机初级齿上磁通调制极的调制作用，省去了传统磁齿轮中的高速侧以及独立的调磁环结构，使得电机结构更为简单；同时次级永磁体采用特殊的海尔贝克(Halbach)阵列，可以提供更大的有效磁场谐波成份和输出推力密度，减少次级铁芯磁轭的磁通密度，降低铁芯损耗。但是，上述技术方案中，由于初级部分和次级部分之间间距大，存在气隙较大磁场受限的问题，另外，其中的辅助槽结构使得电机初级部分放置电枢绕组的空间变小，浪费部分电机性能，整个电机性能仍有提高改善的空间。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出一种聚磁型交替极游标永磁电机，其通过磁场调制、交替极与海尔贝克阵列原理的结合运用，有效提升电机对气隙中漏磁的利用，可以解决目前直线电机结构复杂、气隙较大磁场受限的问题，而且其电机结构紧凑，具有良好的电机推力密度和功率因数。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种聚磁型交替极游标永磁电机，包括：
开有多个开口槽的初级铁心，电枢绕组设置于所述初级铁心的各开口槽中；
次级铁心，其与所述初级铁心以一定气隙间隔设置，且两者可相对移动；
其特征在于，各所述初级铁心的开口槽槽口处设置有海尔贝克永磁体，进而形成海尔贝克永磁体阵列，所述次级铁心相对于所述初级铁心的表面开设有间隔布置的多个开口槽，其中设置有永磁体，进而形成励磁永磁体阵列；且所述海尔贝克永磁体阵列的充磁方向与励磁永磁体阵列的充磁方向相匹配。
本方案中，通过上述结构布局的设置，实现将传统的游标直线电机与交替极、海尔贝克阵列相结合，可使得所述气隙中的漏磁场被引入初级铁心齿部汇入主磁通路径中，从而使电机的气隙磁密得到显著加强，提升电机气隙传递电磁功率的能力，提高电机的反电动势、推力密度和功率因数等电磁性能。
作为本发明的进一步优选，所述海尔贝克永磁体包括设置于初级铁心开口槽槽口两侧的第一海尔贝克永磁体和设置在两所述第一海尔贝克永磁体之间的第二海尔贝克永磁体。
作为本发明的进一步优选，所述海尔贝克永磁体阵列的充磁方向与励磁永磁体阵列的充磁方向相匹配包括所述第二海尔贝克永磁体的充磁方向与所述励磁永磁体阵列的充磁方向一致，两所述第一海尔贝克永磁体的充磁方向垂直于第二海尔贝克永磁体的充磁方向且与第二海尔贝克永磁体共同起到聚磁的作用。
作为本发明的进一步优选，所述励磁永磁体阵列的极对数Pm、电枢绕组磁场极对数Pa以及初级铁心齿数ns之间满足游标电机原理，即Pa＝Pm±ns。
作为本发明的进一步优选，所述初级铁心为动子铁心，相应地所述次级铁心为定子铁心；或所述初级铁心为定子铁心，所述次级铁心为动子铁心。
作为本发明的进一步优选，所述初级铁心和次级铁心均为条状，所述初级铁心相对于所述次级铁心的运动为直线运动，相应地，所述聚磁型交替极游标永磁电机为直线电机。
作为本发明的进一步优选，所述初级铁心和次级铁心均为环状，所述初级铁心相对于所述次级铁心的运动为旋转运动，相应地，所述聚磁型交替极游标永磁电机为径向或轴向旋转电机。
按照本发明的另一方面，提供一种上述聚磁型交替极游标永磁电机在机床、传送系统、伺服系统或波浪能发电系统中的应用。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明的电机将传统的游标直线电机与交替极、海尔贝克阵列相结合，将电机气隙中的一部分漏磁加以利用以产生更高的推力和更高的功率因数，从而使电机的气隙磁密得到显著加强，提升电机气隙传递电磁功率的能力，提高电机的反电动势、推力密度和功率因数等电磁性能；
(2)本发明的电机中，所增加的海尔贝克永磁体阵列放置于初级铁心槽口，不影响电机等效气隙，便电机结构得到更充分的利用，显著改善了传统游标永磁直线电机的性能，在同等体积下，本发明的聚磁型交替极游标永磁直线电机能够将推力提升18％，功率因数提高15％。
(3)本发明的电机通过将海尔贝克阵列和游标永磁直线电机集成使用，在增大了直线电机的推力密度的同时提升电机的功率因数，进一步提升了游标永磁直线电机的性能和工业应用价值，可适用于高档机床、传送系统、伺服系统、波浪能发电系统等低速大推力或需要快速响应的场合。
附图说明
图1为现有技术中的一种游标永磁直线电机的结构示意图；
图2为现有技术中的另一种游标永磁直线电机的结构示意图，其中各部分图示含义与图1相同，唯一不同在于次级铁心只采用单一充磁的永磁体阵列作为励磁之用，即为交替极；
图3为本发明一个实施例的聚磁型交替极游标永磁直线电机的结构示意图；
图4为本发明另一个实施例的聚磁型交替极游标永磁直线电机的结构示意图；
图5所示为传统游标永磁直线电机在空载下的磁力线分布。
图6所示为本发明一个实施例的聚磁型交替极游标永磁直线电机在空载下的磁力线分布示意图；
图7为本发明一个实施例的聚磁型交替极游标永磁电机的初级铁心槽口放置海尔贝克阵列的三种布置示意图；
图8为本发明一个实施例的聚磁型交替极游标永磁电机作为旋转电机的结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-初级铁心，2-放置于初级铁心槽内的电枢绕组，3、4-海尔贝克永磁体阵列，5-励磁永磁体阵列，6-次级铁心，7-铁磁极，10-旋转电机定子铁心，11-旋转电机转子铁心。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和效果更加清晰明了，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，以下实施例仅是用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图3为本发明一个实施例的聚磁型交替极游标永磁电机的结构示意图，该聚磁型交替极游标永磁电机为直线电机。如图3所示，本实施例的直线电机包括初级部分和次级部分，其中初级部分包括初级铁心1，次级部分包括次级铁心6。初级铁心1与次级铁心6均为开槽结构。
在一个优选实施例中，初级部分为定子，次级部分为转子，但本发明中并不限于此，两者可根据具体需求进行设定。初级铁心和/或次级铁心由软磁材料切片叠压而成，如硅钢、非晶合金等，其中初级铁心上的槽数为ns，次级铁心上的槽数不做特别固定，视初级铁心的运动范围而定，一般优选多于初级铁心上槽数。
在初级铁心1的槽内放置有电枢绕组2，其环绕于初级铁心齿槽中，其极对数为Pa，用于在通入相应的交流电后产生相应的拥有Pa对极的电枢行波磁场。
次级铁心6与所述初级铁心1以一定气隙间隔设置，且两者可相对移动，例如本实施例中作为直线电机，这种相对移动为相对的直线运动。但本发明中的相对移动不限于直线运动，可以是相对的转动，以适用于旋转电机，比如径向或轴向电机。
次级铁心6相对于初级铁心1的表面开设有间隔布置的多个开口槽，其中设置有永磁体5，进而形成励磁永磁体阵列。次级铁心6各开口槽之间的齿部7作为固定磁极。
在初级铁心1的槽口处设置有海尔贝克永磁体，各槽口处的海尔贝克永磁体形成海尔贝克永磁体阵列。本发明中的海尔贝克永磁体阵列的充磁方向与励磁永磁体阵列的充磁方向相匹配，以使得所述气隙中的漏磁场被引入初级铁心齿部汇入主磁通路径中。这样可以使电机的气隙磁密得到显著加强，提升电机气隙传递电磁功率的能力，提高电机的反电动势、推力密度和功率因数等电磁性能。
在一个实施例中，每个开口槽中的海尔贝克永磁体包括设置于初级铁心开口槽槽口两侧的第一海尔贝克永磁体4和设置在两所述第一海尔贝克永磁体4之间的第二海尔贝克永磁体3。优选地，第二海尔贝克永磁体3的充磁方向与所述励磁永磁体阵列的充磁方向一致，例如励磁永磁体阵列的充磁方向朝向初级铁心方向，两所述第一海尔贝克永磁体4的充磁方向垂直于第二海尔贝克永磁体1的充磁方向且指向次级铁心的齿部，以达到聚磁的效果。
如图4所示，另一个实施例中，第二海尔贝克永磁体3的充磁方向朝向次级铁心6的方向，相应的，两所述第一海尔贝克永磁体4的充磁方向垂直于第二海尔贝克永磁体1的充磁方向且指向次级铁心槽中心轴线，以达到聚磁的效果。图4为由图3所示实施例的结构通过将永磁体充磁方向反向得到，但本发明并不限于这些结构，其他类似的结构均属于本发明的保护范围。
当然，本发明的海尔贝克永磁体并不限于上述实施例的设置方式，图7所示为三种初级铁心槽口放置海尔贝克阵列的示意图，这三种海尔贝克永磁体阵列与图3中所示的励磁永磁体充磁方向匹配使用。相应地，对于图4所示的励磁永磁体充磁方向，所采用的海尔贝克阵列方向当与图7所示相反。本发明包括但不限于这三种海尔贝克阵列放置形式，其它在直线电机初级或次级铁心槽口通过放置海尔贝克阵列来提升电机性能的方式均含在本发明的保护范围之内。
铁磁极7作为次级铁心的齿部可与次级铁心6一同冲片制造，由电机的磁路特性，铁磁极7所指示的铁磁材料会在相邻的永磁体作用下被磁化，从而实现电机磁路的闭合。根据磁场调制原理，励磁永磁体所产生磁通在初级齿槽的调制作用下产生快速变化的磁场，并与电枢电流所产生磁场相耦合，实现电磁能量的传递，完成机械能和电能之间的相互转换。
如图3所示，初级铁心齿槽数为6，次级铁心对于初级铁心1的开口槽的励磁永磁体个数为5，即对应的5对级，初级铁心槽口用于聚磁的永磁体阵列并不固定块数和方向，只要最终形成聚磁效果即可。电枢绕组2优选采用三相分布单层绕组，绕制成1对极的形式，在动子运动时依照游标电机的工作原理工作。由图5和图6对比可知，在电机工作时，位于动子槽口的海尔贝克永磁体阵列将气隙中的漏磁部分(不与电枢绕组交链或不完全交链的磁通)引入动子齿部，即提升了气隙磁场的利用效率，达到增强主磁通(与电枢绕组交链的磁通)、抑制漏磁的作用，从而在同样的尺寸结构下提升电机推力并提升电机功率因数。
本发明的聚磁型交替极游标永磁电机，通过磁场调制、交替极与海尔贝克阵列原理的结合运用，同时实现在原有的游标永磁电机的基础上进一步提升电机推力密度和功率因数。
本发明中的励磁永磁体阵列平铺于次级槽口中，充磁方向相同的交替极永磁体阵列，极对数为Pm，并产生相应的拥有Pm对极的励磁行波磁场。海尔贝克永磁体平铺于动子槽口，与定子永磁体阵列充磁方向相配合的海尔贝克永磁体阵列；环绕于动子齿槽中的电枢绕组，其极对数为Pa，在通入相应的交流电后产生相应的拥有Pa对极的电枢行波磁场；励磁磁场的极对数、电枢磁场极对数与动子齿数之间满足游标电机原理，即有Pa＝Pm±ns；
本发明的电机的典型应用可以包括但不限于传送系统、伺服系统、抽油机、电磁弹射装置、绘图仪、电梯、波浪能发电系统等需要大推力或高动态响应的直线运动的场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种聚磁型交替极游标永磁电机，包括：
开有多个开口槽的初级铁心，电枢绕组设置于所述初级铁心的各开口槽中；
次级铁心，其与所述初级铁心以一定气隙间隔设置，且两者可相对移动；
其特征在于，各所述初级铁心的开口槽槽口处设置有海尔贝克(Halbach)永磁体，进而形成海尔贝克永磁体阵列，所述次级铁心相对于所述初级铁心的表面开设有间隔布置的多个开口槽，各开口槽中设置有永磁体，进而形成励磁永磁体阵列；
且所述海尔贝克永磁体阵列的充磁方向与所述励磁永磁体阵列的充磁方向相匹配；
所述海尔贝克永磁体包括设置于初级铁心开口槽槽口两侧的第一海尔贝克永磁体和设置在两所述第一海尔贝克永磁体之间的第二海尔贝克永磁体；
所述海尔贝克永磁体阵列的充磁方向与励磁永磁体阵列的充磁方向相匹配包括所述海尔贝克永磁体阵列中的各第二海尔贝克永磁体的充磁方向与所述励磁永磁体阵列中各励磁永磁体的充磁方向一致，两所述第一海尔贝克永磁体的充磁方向垂直于对应的第二海尔贝克永磁体的充磁方向，以与对应的第二海尔贝克永磁体共同起到聚磁的作用。
2.根据权利要求1所述的一种聚磁型交替极游标永磁电机，其中，所述励磁永磁体阵列的极对数Pm、电枢绕组磁场极对数Pa以及初级铁心齿数ns之间满足游标电机原理，即Pa＝Pm±ns。
3.根据权利要求1或2所述的一种聚磁型交替极游标永磁电机，其中，所述初级铁心为动子铁心，相应地所述次级铁心为定子铁心；或所述初级铁心为定子铁心，所述次级铁心为动子铁心。
4.根据权利要求1或2所述的一种聚磁型交替极游标永磁电机，其中，所述初级铁心和次级铁心均为条状，所述初级铁心相对于所述次级铁心的运动为直线运动，相应地，所述聚磁型交替极游标永磁电机为直线电机。
5.根据权利要求1或2所述的一种聚磁型交替极游标永磁电机，其中，所述初级铁心和次级铁心均为环状，所述初级铁心相对于所述次级铁心的运动为旋转运动，相应地，所述聚磁型交替极游标永磁电机为径向或轴向旋转电机。
6.权利要求1至5中任一项所述的一种聚磁型交替极游标永磁电机在数控机床、伺服系统、波浪能发电系统、轨道交通、电梯、抽油机或钻孔机中的应用。
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