CN106877624A - 新型双ω型定子横向磁通永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机是一种具有高功率密度的高性能直接驱动的横向磁通电机，该电机包括定子（S）和动子（M），具有垂直于磁回路平面的动子运动方向，在同一个电枢上整合两组定子铁心使其结构更加紧凑，空间利用率显著提高。此设计可以有效地提高电机的转矩密度，降低定、动子的制造难度。该电机电磁结构解耦的特征易于构建多相电机并可以缺相运行，只需将多个相同的定动子结构沿横向并排即可，因此该电机适用于轨道车辆电力牵引领域。

Description

新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机

技术领域

本发明属于横向磁通电机领域，具体涉及一种双Ω型定子铁心错列结构的新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机。

背景技术

随着社会的迅速发展，城市规模急剧膨胀，环境压力愈来愈严重，轨道车辆日渐成为公共交通的主流。作为轨道车辆核心装备的牵引电机，其电气和机械性能直接关系着系统效率及系统可靠性。同时，采用低速永磁直驱电机是未来轨道系统发展的大趋势，其高效率、高可靠性、长寿命、低噪音、低运行维护成本等诸多优点逐渐凸现。因此，业界关注的重点是新结构、大型化、高效率和高可靠性的新型直线电机研发，以此提高能量利用水平和车辆牵引技术升级。

横向磁通永磁电机（Transverse Flux Permanent Magnet Motor，TFPMM）的多极数的特点在低速永磁直驱式电机的选择上具有明显的优势，对该电机的研究结果均表明随着极数的增加，转矩密度将显著增大，完全满足低速直驱的要求。因此，新型横向磁通永磁电机的研发对我国城市轨道交通产业发展具有重要的战略意义和经济价值，有望成长为轨道交通电气牵引设备领域新的亮点。

传统径向磁场电机的气隙磁通方向是径向的，其旋转方向平行于磁通所在平面；轴向磁场电机的气隙磁通方向是轴向的，其旋转方向亦平行于磁通所在平面。由电机学理论可知：当电机结构一定时，电机输出转矩正比于铁心截面面积和绕组截面积。传统径向电机定子槽与定子齿在同一平面内，增加槽面积与增加齿宽相互矛盾、相互制约，轴向磁场电机亦如此。

然而，对于横向磁通永磁电机来说，电机的旋转方向则垂直于磁通所在平面，因此称作“横向磁通”。该电机定子铁心由硅钢片叠制且相邻定子铁心间隔一个极距，动子铁心上相邻永磁体极性相反，电枢绕组则嵌入定子铁心槽内。横向磁通永磁电机的最突出特点是其电枢绕组与主磁路在结构上完全解耦，巧妙避开了传统径向和轴向电机内铁心和电枢截面相互制约这一重大缺陷，可以根据需要独立调整线圈截面积和磁路尺寸来确定电机的电、磁负荷，获得更高的转矩密度和功率密度。因此，横向磁通永磁电机的功率密度较高，通常约为传统径向永磁电机的2~3倍，完全契合轨道交通电气牵引系统对低速大转矩的要求。

不同于传统直线电机的电流方向同运动方向垂直，主磁路中的闭合磁力线所在平面与电机运动平面平行，横向磁通永磁电机的电流方向与运动方向平行，横向磁通永磁电机主磁路的磁力线所在的平面垂直于电机运动平面。横向磁通永磁电机的结构复杂，内部磁场呈复杂的三维分布，是一个典型的三维场。

横向磁通永磁电机获得的转矩密度都是传统结构电机的几倍，而且直径较大的横向磁通永磁电机可以获得较大的转矩密度。国内外现有研究成果表明横向磁通永磁电机是一种合理应用新型永磁材料，合理巧妙设计电机定动子结构，实现磁通横向运行的一种新型结构电机，是对传统永磁电机在思维方式和设计理念两方面的突破。根据电机原理，一定功率前提下要减小电机直径、体积和重量，就必须增大电磁力。电磁力正比于磁通量和电流，传统径向磁通和轴向磁通电机中，导向磁通的铁心和传导电流的导线处于同一平面内，在电机直径一定的情况下，增加铁心面积和增大导体截面积相互矛盾。横向磁通电机（Transverse Flux Motor-TFM）解决了这个问题，其电枢绕组与主磁路在结构上完全解耦，因此可以根据需要独立调整线圈截面积和磁路尺寸来确定电机的电、磁负荷，获得更高的转矩密度。

近年来，虽然国内外众多研究机构对横向磁通电机开展了大量的研究工作，但是还存在一些问题亟待改进和解决。现有的横向磁通永磁电机只限于定子铁心沿径向或者轴向单侧开口，构成单相电机。定子铁心间隔一个极距排列，转子极数是定子极数的两倍，空间利用率较低且漏磁严重，转矩密度还有很大的提升空间。在同一个电枢上整合两组错列型式的Ω型定子铁心使电机结构更加紧凑，因此设计此款新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机。

发明内容

本发明的针对现有技术中的不足，提供一种直线型式、高功率密度和高转矩密度的新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机，以改善现有横向磁通永磁直线电机普遍存在的材料和空间利用率低且漏磁严重等亟待解决的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机，其特征在于，包括定子和动子；所述定子包括Ω型定子铁心组、电枢绕组和非导磁材料定子基座，所述动子包括动子铁心、永磁体和非导磁材料动子支架；所述Ω型定子铁心组包括开口方向相反的多个下开口定子铁心和多个上开口定子铁心，下开口定子铁心和上开口定子铁心安装在非导磁材料定子基座内部，下开口定子铁心和上开口定子铁心在动子运动的前后方向上均匀地间隔错列放置，多个下开口定子铁心和多个上开口定子铁心共用一个放置在定子铁心槽内的电枢绕组；所述动子铁心和永磁体安装在非导磁材料动子支架内，左右两侧动子铁心分别与下开口定子铁心和上开口定子铁心的齿部对应，同一左/右侧相邻的动子铁心之间嵌入一块永磁体；所述非导磁材料动子支架通过轴承与非导磁材料定子基座相连。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

相邻的下开口定子铁心间隔两倍极距，相邻的上开口定子铁心间隔两倍极距。

同一下开口定子铁心的两侧齿部所对应的两块动子铁心的磁极方向相反，同一上开口定子铁心的两侧齿部所对应的两块动子铁心的磁极方向相反。

所述永磁体包括结构相同且磁极方向相反的第一永磁体和第二永磁体；第一永磁体和第二永磁体成对布置在Ω型定子铁心组的左右两侧，左右位置相对的两块永磁体磁极方向相反；在动子运动方向上，第一永磁体和第二永磁体交替布置在每块动子铁心的前后两侧。

所述下开口定子铁心和上开口定子铁心尺寸相同，均由硅钢片叠制。

所述永磁体采用钕铁硼材料。

所述非导磁材料动子支架采用钢材制造。

本发明的有益效果是：

1、在同一个电枢上整合两组定子铁心，结构更加紧凑，比传统单边定子和双边定子机型空间利用率显著提高，能够提高效率和功率密度；

2、电机的绕组与磁路在结构上完全解耦，能够独立调整线圈截面积和磁路尺寸来获得更高的功率密度和转矩密度；

3、电机的双Ω型定子铁心由硅钢片叠制，同时动子具有聚磁特征，集中绕组避免了传统电机固有的端部效应，该结构同样具有电磁结构解耦的特征，易于构建多相电机，由于各相磁路相互独立，多相电机可以缺相运行；

4、电机相邻动子铁心之间分别嵌有一对永磁体，由于采用集中绕组，且绕组与定子极在空间上独立，此结构显著提高横向磁通的空间利用率，大大提高了电机的转矩密度；

5、电机的各定子铁心尺寸和各动子铁心尺寸分别相同且都可用硅钢片叠制而成，永磁体尺寸也相同，加工制造简单，由于铁心均采用硅钢片叠制，可以有效地减少电机的漏磁通，从而可以提高电机的功率因数。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的剖视图。

图3是本发明一对极磁通原理示意图。

图4是本发明两侧的动子结构示意图。

附图标记如下：下开口定子铁心S11，上开口定子铁心S12，电枢绕组S2，动子铁心M3，第一永磁体M41、M42'，第二永磁体M41'、M42，非导磁材料动子支架M5。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机包括定子（记为S）和动子（记为M），定子包括Ω型定子铁心组（记为S1）、电枢绕组S2和非导磁材料定子基座，动子包括动子铁心M3、永磁体（记为M4）和非导磁材料动子支架M5。

Ω型定子铁心组包括开口方向相反的多个下开口定子铁心S11和多个上开口定子铁心S12，下开口定子铁心S11和上开口定子铁心S12安装在非导磁材料定子基座内部，在动子运动的前后方向上均匀地间隔错列放置。其中，下开口定子铁心S11和上开口定子铁心S12尺寸相同，均由硅钢片叠制，相邻的下开口定子铁心S11间隔两倍极距，相邻的上开口定子铁心S12也间隔两倍极距，依次固定在非导磁材料定子基座上。多个下开口定子铁心S11和多个上开口定子铁心S12共用一个放置在定子铁心槽内的电枢绕组S2，电枢绕组S2安放在Ω型定子铁心组内，与Ω型定子铁心组、非导磁材料定子基座构成定子整体。

动子铁心M3和永磁体M4安装在非导磁材料动子支架M5内，非导磁材料动子支架M5通过轴承与非导磁材料定子基座相连。左右两侧动子铁心M3分别与下开口定子铁心S11和上开口定子铁心S12的齿部对应，即动子两侧正对定子铁心的位置均为动子铁心M3，同一下开口定子铁心S11的两侧齿部所对应的两块动子铁心M3的磁极方向相反，同一上开口定子铁心S12的两侧齿部所对应的两块动子铁心M3的磁极方向也相反。动子在Ω型定子铁心组的左右两侧形成双边动子结构，同一左右侧相邻的两块动子铁心M3之间嵌入一块永磁体M4，永磁体M4采用钕铁硼材料。动子铁心M3、永磁体M4和非导磁材料动子支架M5构成动子整体，非导磁材料动子支架M5采用钢材制造，结构简单。

参见图3和图4，永磁体M4包括结构相同且磁极方向相反的第一永磁体M41、M42'和第二永磁体M41'、M42，第一永磁体M41、M42'和第二永磁体M41'、M42成对布置在Ω型定子铁心组的左右两侧，左右位置相对的两块永磁体磁极方向相反。在动子运动方向上，第一永磁体M41、M42'和第二永磁体M41'、M42交替布置在每块动子铁心M3的前后两侧，即每块动子铁心M3相邻的两块永磁体的磁极方向相反。图3表示新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机一对极磁通原理示意图，电机采用Ω型定子铁心，单相电机一对极磁路依次经过：永磁体M41→动子铁心M3→定子铁心S11→动子铁心M3→永磁体M42→动子铁心M3→定子铁心S12→动子铁心M3→永磁体M41，进而形成一个闭合回路。Ω型定子铁心匝链的永磁磁通与通电电枢绕组磁通耦合，进而产生电磁推力推动动子向前运动。

新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机为单相电机，故只有单一绕组，n相运行时须使得n个单相电机结构沿动子运行方向并排放置并使得每相动子之间相差360/n度电角度。

电机横向磁通原理如下：与传统径向和轴向电机的铁心和电枢截面相互制约不同，其电枢绕组与主磁路在结构上完全解耦，因此可以根据需要独立调整线圈截面积和磁路尺寸，横向磁通结构允许采用较多的磁极，可获得更高的功率和转矩密度。

双Ω型定子横向磁通永磁电机基本适用传统永磁电机的机电能量转换原理及计算方法，但双Ω型定子结构又有其明显特殊性，双Ω型定子结构配合永磁聚磁式动子实现磁通的横向运行，部件整体空间布局和磁路走向均有独特之处，任意时刻两组定子铁心在绕组感应的电动势相位完全一致，匝链的磁通则达到数值上的叠加效果，从而达到提高功率密度的目的。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机，其特征在于，包括定子和动子；所述定子包括Ω型定子铁心组、电枢绕组（S2）和非导磁材料定子基座，所述动子包括动子铁心（M3）、永磁体（M41、M41'、M42、M42'）和非导磁材料动子支架（M5）；所述Ω型定子铁心组包括开口方向相反的多个下开口定子铁心（S11）和多个上开口定子铁心（S12），下开口定子铁心（S11）和上开口定子铁心（S12）安装在非导磁材料定子基座内部，下开口定子铁心（S11）和上开口定子铁心（S12）在动子运动的前后方向上均匀地间隔错列放置，多个下开口定子铁心（S11）和多个上开口定子铁心（S12）共用一个放置在定子铁心槽内的电枢绕组（S2）；所述动子铁心（M3）和永磁体（M41、M41'、M42、M42'）安装在非导磁材料动子支架（M5）内，左右两侧动子铁心（M3）分别与下开口定子铁心（S11）和上开口定子铁心（S12）的齿部对应，同一左/右侧相邻的动子铁心（M3）之间嵌入一块永磁体（M41、M41'、M42、M42'）；所述非导磁材料动子支架（M5）通过轴承与非导磁材料定子基座相连。

2.如权利要求1所述的一种新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机，其特征在于：相邻的下开口定子铁心（S11）间隔两倍极距，相邻的上开口定子铁心（S12）间隔两倍极距。

3.如权利要求1所述的一种新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机，其特征在于：同一下开口定子铁心（S11）的两侧齿部所对应的两块动子铁心（M3）的磁极方向相反，同一上开口定子铁心（S12）的两侧齿部所对应的两块动子铁心（M3）的磁极方向相反。

4.如权利要求1所述的一种新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机，其特征在于：所述永磁体（M41、M41'、M42、M42'）包括结构相同且磁极方向相反的第一永磁体（M41、M42'）和第二永磁体（M41'、M42）；第一永磁体（M41、M42'）和第二永磁体（M41'、M42）成对布置在Ω型定子铁心组的左右两侧，左右位置相对的两块永磁体（M41、M41'、M42、M42'）磁极方向相反；在动子运动方向上，第一永磁体（M41、M42'）和第二永磁体（M41'、M42）交替布置在每块动子铁心（M3）的前后两侧。

5.如权利要求1所述的一种新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机，其特征在于：所述下开口定子铁心（S11）和上开口定子铁心（S12）尺寸相同，均由硅钢片叠制。

6.如权利要求1所述的一种新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机，其特征在于：所述永磁体（M41、M41'、M42、M42'）采用钕铁硼材料。

7.如权利要求1所述的一种新型双Ω型定子横向磁通永磁直线电机，其特征在于：所述非导磁材料动子支架（M5）采用钢材制造。