CN106953497A - 一种高功率密度的容错永磁游标直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率密度的容错永磁游标直线电机，属于低速大推力初级永磁同步电机的一种。电机包含初级和次级。初级与次级间存在气隙。次级为简单的梯形凸齿和铁芯轭部。初级为E形模块，各模块间相距(k+1/s)τ_s，其中τ_s为次级极距，k,s均为正整数。每个模块由三个初级凸齿组成，集中绕组缠绕在中间的初级齿上，各初级齿的齿端均有永磁体阵列嵌入。各独立模块单元的配合提高了电机容错能力；永磁体阵列的聚磁效应有效提高了气隙的磁密；初级模块的对称结构提高了磁通利用率，从而增加绕组中的反电势，提升电机推力输出特性。

Description

一种高功率密度的容错永磁游标直线电机

技术领域

本发明涉及一种高推力密度的模块化永磁游标直线电机，在轨道交通等需要具有低速、大推力、高效率要求的直线驱动领域具有广泛应用前景。

背景技术

直线电机是一种将电能直接转化成直线运动，而不需要经过各种中间转换机械机构的传动装置。相较于旋转电机，具有传动机构简单、传动误差小、传动效率高等优势，在工业加工、轨道交通等诸多领域获得越来越广泛的重视与应用。

目前，直线电机正逐步被应用于轨道交通领域。已经投入使用的直线电机多为直线感应电机，直线感应电机结构比较简单，造价相对低廉，但是工作效率低，且对气隙的变化较为敏感。永磁直线电机相比于直线感应电机有着明显的效率优势。然而常规的直线电机，如中国授权发明专利CN201210027944.9提出的城市轨道交通用永磁游标直线电机，即将永磁体大规模沿轨道铺设。上述两种情况，无论是沿长轨道铺设绕组还是铺设永磁体，无疑都会极大地增加制造成本，在经济上不具备可行性。

鉴于上述缺点，国内外学者提出一种结构简单、可靠性高的双凸极定子永磁型旋转电机，即绕组和永磁体均安置于电机定子一侧，转子由纯铁芯构成。普通的双凸极电机，永磁体置于定子轭部，但是这种电机的功率密度较低，将其应用于轨道交通时其经济效益不能满足要求。中国授权发明专利CN200720037931.4提出一种将永磁体置于定子齿间的磁通切换双凸极永磁旋转电机，该种电机同样具有转子结构简单、电机便于冷却的优点，其衍生出的直线电机可以被应用于轨道交通领域。但磁通切换电机存在的问题是，当电机发生短路故障时，短路电流带来的温度升高将有可能导致永磁体不可逆退磁。

在诸如轨道交通等领域，往往要求载具具有高可靠性。因此，作为驱动的直线电机必须具有较好的容错性能、较高的功率密度和较好的经济性。现有技术中永磁容错直线电机虽然满足了可靠性和容错性，但是由于采用了降额设计等技术手段，往往伴随着电机功率密度的下降，在要求低速大推力的轨道交通领域的应用因此受到制约。基于磁齿轮效应的永磁游标电机具有输出转矩大的特点，在低速大转矩场合具有良好的应用前景。目前的永磁游标电机多采用3相电枢绕组，每极每相槽数q＝1/2的分数槽双层式集中绕组结构，这种结构容易使电机电枢磁密达到饱和，降低永磁体使用率，进而降低电机的反电势。另一方面，双层绕组的相间耦合程度较高，当电机的一相发生故障，另外两相正常的磁场将受到严重干扰，不利于电机的容错运行。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术局限而提出一种高功率密度的容错永磁游标直线电机结构。本发明通过电机初级模块化的设计以削减端部效应给电机出力带来的不利影响，从而获得更为正弦分布的反电势。同时模块间的定位力相互抵消，有助于降低电机的推力波动。此外，各模块的对称结构提高了永磁体的利用率及每根导体的平均空载反电势。另一方面，本发明避免使用传统的增加容错齿或者隔离齿的方法，能够在不牺牲电机功率密度的情况下，保证电机的容错性能。本发明提出的电机除可工作在三相条件下，还可作为六相电机运行。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种高功率密度的容错永磁游标直线电机包括初级、次级和电枢绕组，初级的长度远小于次级，并且初级与次级间存在气隙；

初级上开槽形成齿槽结构，每相邻三个电枢齿组成一个E形模块，各模块间隔为(k+1/s)τ_s，其中τ_s为次级极距，s为单元模块数，且k,s均为正整数。电枢绕组集中缠绕于E形模块的中间电枢齿，模块的三个电枢齿的齿端均开虚槽，虚槽中嵌入永磁体阵列。次级开槽成梯形结构。

进一步，所述E形模块中间齿的齿端开四个虚槽，左右电枢齿齿端各开两个虚槽，各虚槽内嵌入的永磁体阵列尺寸和分布均相同。左右两个电枢齿的形状与中间电枢齿近似，但是宽度为中间电枢齿宽的1/2。左右电枢齿端部由于开槽而形成三个虚齿。端部宽度满足W_L＝W_R＝1/2(W_M+W_VT)，W_L、W_R分别为左、右电枢齿端部宽度，W_M为中间电枢齿端部宽度，W_VT为虚齿宽。嵌入的永磁体阵列分布如下所述：阵列由三块充磁角度不同的永磁体组成，位于阵列左侧的第一永磁体充磁角度与水平线成-30°夹角，右侧第三永磁体充磁角与水平线成-150°角，即与第一永磁体成镜像对称。位于阵列中间的第二永磁体竖直向下充磁。

进一步地，当电机处在三相或六相运行状态下，初级极距τ_m＝l_m+l_d，其中l_m为模块有效长度，l_d为模块之间的间隔，满足τ_m＝32/3τ_s，且有τ_s＝τ_p，其中τ_p为永磁体极距。

进一步地，电机各模块永磁体的极对数P_PM，电枢绕组产生的极对数P_w，次级有效齿数N，满足P_w＝|P_PM-N|的关系。

进一步地，本发明所采用的永磁体均是钕铁硼磁材料，或第一、第三永磁体采用铁氧体，第二永磁体采用钕铁硼磁材料。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明的电机初级采用了E形单元模块结构，各单元模块间互相解耦，使得电机各绕组工作互不影响，提高了电机的容错性能，增强了电机工作可靠性。同时初级单元模块和每相绕组一一对应，各相绕组作为一个独立的模块削减了端部效应，使得电机可以获得更接近标准正弦波的反电势，缓解了传统电机由于端部效应而导致的各相反电势不平衡的问题。

2、电机初级齿端嵌入永磁体阵列，该阵列的聚磁效应提高了电机的气隙磁密，有助于减少齿端漏磁，提高磁路有效磁密。另外，模块具有的高度对称性提高了电机磁路的完整性和永磁体利用率，因此提高了每相每导体的感应电动势，进而提升了电机的推力输出表现，使电机具有低速、大推力、高功率密度的显著优势。

3、相邻两模块在三相条件运行时，各自相差120°电角度，各模块的定位力可以在一定程度上互相抵消，整体来看有助于降低电机的推力波动。

4、本发明电机的电枢绕组采取集中绕组，制作嵌线方便，绕组端部较短，降低了电机铜耗。

5、本发明电机的永磁体均嵌在初级齿端部表面，便于永磁体的散热，降低了永磁体因为过热而导致的不可逆退磁风险。

6、电机次级为简单的凸极结构，制造工艺比较简单，维护方便，适合于长期的可靠工作运行。

附图说明

下列附图为本发明的实施例，其中：

图1为本发明所述模块化高功率密度容错永磁游标直线电机单个模块的径向结构示意图；

图2为图1中的永磁体阵列结构放大示意图；

图3为本发明所述直线电机的定位力波形图；

图4为本发明所述直线电机B相单个模块电枢反应磁场分布图；

图5为本发明所述直线电机的B相电感波形图；

图6为本发明所述直线电机的三相反电动势波形图；

图7为本发明所述直线电机的推力波形图。

图中：1.初级；2.次级；3.槽；4.初级齿端；5.永磁体阵列；6.第一永磁体；7.第二永磁体；8.第三永磁体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图1为本发明所述模块化高功率密度容错永磁游标直线电机单个模块的结构拓扑图。初级1与次级2之间存在间隙，气隙大小可根据电机实际应用场合的需要进行选取。初级、次级的材料均选用D23硅钢片，初级1上开槽形成齿槽结构，次级2开梯形槽。槽3中安放集中绕组。当电机在六相条件下运行，各模块与各绕组一一对应。初级齿端4上开槽，槽内嵌入永磁体阵列5。在三相和六相运行模式下，其模块间距为32/3τ_s，其中τ_s为次级极距。这样设置间距使得各模块在六相运行时，各相感应电动势互差60°；在三相运行时各相互差120°，所以各模块定位力的波形也为具有一定相位差的一系列波形，能够在一定程度上互相抵消，达到降低电机推力波动的效果。

图2为本发明电机采用的永磁体阵列组成结构示意图。永磁体阵列5嵌在电机各初级齿端表面的开槽内。永磁体由左中右三块不同充磁方向的永磁体组成，左侧的第一永磁体6充磁角度为与水平轴成-30°，方向由永磁体外指向位于中间的第二永磁体。第二永磁体7为竖直方向充磁。第三永磁体8充磁方向与第一永磁体6成镜像对称，其充磁方向为与水平线成-150°。所述永磁体阵列可以均采用钕铁硼材料，也可以采用第一、第三永磁体为铁氧体材料，第二永磁体为钕铁硼材料的构成方式。永磁体产生的磁场极对数P_PM，电枢绕组产生的磁场分布极对数P_W与次级有效齿数N满足P_PM+P_W＝N。

图3为电机定位力波形图，可以看出定位力变化具有一定的周期性，其峰峰值较小。

图4为电机B相单一模块电枢反应磁场分布图，从图中可以看出电枢反应产生的磁力线仅穿过该模块的线圈；图5为B相电感波形图，由图可以看出相间互感与自感相比可以忽略不计。因此本发明的直线电机的模块化设计可以有效降低各相耦合程度，提高了电机的容错能力和运行可靠性。

图6为本发明所述电机三相空载反电动势波形图，由图可见，本发明电机的反电势成正弦对称，说明该电机的设计基本消除了端部效应给磁路带来的不利影响，解决了传统直线电机由于端部效应的存在而导致的反电动势不平衡的问题。

图7为本发明所述直线电机的推力波形图，可以看出该电机具有较高的推力输出，而且推力脉动较小，具有较好的输出特性。

本发明所述模块化高功率密度容错永磁游标直线电机采用了模块化的初级设计，使得相间耦合程度大大降低，并且提高了电机的容错性能，改善了电机的可靠性；另一方面，电机基本消除了端部效应给反电动势带来的不利影响，获得了正弦对称的反电势。由于初级模块的对称结构也提高了磁路完整性和永磁体的利用率，从而在整体上提高了电机各相反电势幅值，带来了推力输出的进一步提升。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种高功率密度的容错永磁游标直线电机，其特征在于，包括初级、次级和电枢绕组，初级的长度远小于次级，并且初级与次级间存在气隙；

初级上开槽形成齿槽结构，每相邻三个电枢齿组成一个E形模块，各模块间隔为(k+1/s)τ_s，其中τ_s为次级极距，s为单元模块数，且k,s均为正整数，电枢绕组集中缠绕于E形模块的中间电枢齿内，模块的三个电枢齿的齿端均开虚槽，虚槽中嵌入永磁体阵列，次级开槽成梯形结构。

2.根据权利要求1所述的一种高功率密度的容错永磁游标直线电机，其特征在于，所述E形模块中间齿的齿端开四个虚槽，左右电枢齿齿端各开两个虚槽，各虚槽内嵌入的永磁体阵列尺寸和分布均相同；左右两个电枢齿的形状与中间电枢齿近似，但是宽度为中间电枢齿宽的1/2；左右电枢齿端部由于开槽而形成三个虚齿；端部宽度满足W_L＝W_R＝1/2(W_M+W_VT)，W_L、W_R分别为左、右电枢齿端部宽度，W_M为中间电枢齿端部宽度，W_VT为虚齿宽；嵌入的永磁体阵列分布如下：永磁体阵列由三块充磁角度不同的永磁体组成，位于阵列左侧的第一永磁体充磁角度与水平线成-30°夹角，右侧第三永磁体充磁角与水平线成-150°角，即与第一永磁体成镜像对称；位于阵列中间的第二永磁体竖直向下充磁。

3.根据权利要求1所述的一种高功率密度的容错永磁游标直线电机，其特征在于，当电机处在三相或六相运行状态下，初级极距τ_m＝l_m+l_d，其中l_m为模块有效长度，l_d为模块之间的间隔，满足τ_m＝32/3τ_s，且有τ_s＝τ_p，其中τ_p为永磁体极距。

4.根据权利要求1所述的一种高功率密度的容错永磁游标直线电机，其特征在于，电机各模块永磁体的极对数P_PM，电枢绕组产生的极对数P_w，次级有效齿数N，满足P_w＝|P_PM-N|的关系。

5.根据权利要求1所述的一种高功率密度的容错永磁游标直线电机，其特征在于，永磁体均是钕铁硼磁材料，或第一磁体、第三永磁体采用铁氧体，第二永磁体采用钕铁硼磁材料。