CN106961203B - 一种横向磁通磁场调制式直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种横向磁通磁场调制式直线电机，包括初级和次级；两个次级呈“C”型形状、镜像设置，初级与次级之间存在三面气隙；次级的内侧三面等距分布着多个次级槽和多个次级齿，在次级槽中设有次级永磁体；初级包括两个相同的初级铁心以及连接两个初级铁心的连接梁，初级铁心的上面、下面以及和连接梁反向的面均设有等距分布的、相同的凸极齿；凸极齿上绕有凸极电枢绕组，且开有虚齿，相邻虚齿间的槽为虚槽，虚槽内设有虚槽永磁体；虚槽内还设有虚槽电枢绕组；三相初级上分别绕有三相电枢绕组；同一个初级上的电枢绕组构成一相，三个初级上的电枢绕组构成三相，三相通互差120°的电流。本发明采用模块化设计，结构简单，容错性能提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁场调制式直线电机，尤其涉及一种横向磁通磁场调制式直线电机。
背景技术
直线直驱运动系统省去了复杂的机械转换装置，系统结构简单、运行可靠，响应速度快和控制精度高，在航空、航天等军事工业及民用工业领域有着广泛的需求和应用。而作为直线直驱运动系统中的核心部件，直线电机一直以来都是直线直驱运动系统的首选电驱动方案，也是解决上述问题的有效手段。基于磁场调制式的直线电机以其结构紧凑、高功率密度和高效率等优点得到了迅速发展，但是其相与相之间磁场存在耦合，容错性能降低，为此提出一种横向磁通磁场调制式直线电机，一方面其电枢绕组与定子齿槽在空间上互相垂直，实现了电负荷与磁负荷的解耦，可以在一定范围内通过提高磁能变化率来提高出力；另一方面各相之间相互解耦，便于独立控制，且易于设计成多相结构，在多相运行时即使缺少一相也能正常工作，容错性能好，提高了电机的可靠性。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明针对磁场调制式电机研究现状结合横向磁场电机提出一种横向磁通磁场调制式直线电机，其包括：初级和次级；其中，两个所述次级由硅钢片叠制而成，呈“C”型形状、镜像设置，所述初级与所述次级之间存在三面气隙；所述次级的内侧三面等距分布着多个次级槽和多个次级齿，在所述次级槽中设有次级永磁体；所述初级包括两个相同的初级铁心以及连接两个初级铁心的连接梁，所述初级铁心的上面、下面以及和连接梁反向的面均设有等距分布的、相同的凸极齿，且三个面上的所述凸极齿的排列方式相同；在所述凸极齿上，靠近铁心端绕有凸极电枢绕组，电枢绕组嵌放在相邻凸极齿间的线槽内，每个线槽内置放两个电枢绕组，每个初级上的凸极电枢绕组通方向、大小相同的电枢电流，构成三相电机中的一相；在所述凸极齿上，靠近气隙端等距开有三个相同的虚齿，相邻虚齿之间的槽为虚槽，在虚槽内靠近气隙端设有虚槽永磁体，所述虚槽永磁体靠近气隙侧与虚齿靠近气隙侧在同一水平线上；在虚槽内还设有虚槽电枢绕组，虚槽电枢绕组完全嵌入在虚槽内部；同一个凸极齿上的三个虚齿中，位于两端的虚齿分别与相邻凸极齿上的虚齿被同一个虚槽电枢绕组绕着；虚槽电枢绕组与凸极电枢绕组互相串联构成电机一相绕组；三相初级上分别绕有三相电枢绕组；其中，相邻的电枢绕组首尾相连，且上面的凸极齿的电枢绕组绕制方向与下面的凸极齿的电枢绕组绕制方向相反，和连接梁反向的面上的凸极齿的电枢绕组绕制方向与下面的凸极齿的电枢绕组绕制方向相同，同一面上的虚槽电枢绕组与凸极电枢绕组相串联，三个面上的凸极齿的电枢绕组相互串联形成一相绕组；同一个初级上的电枢绕组构成一相，三个初级上的电枢绕组构成三相，三相通互差120°的电流。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
优选地，所述次级永磁体和所述虚槽永磁体的充磁方式保持一致且均为法向充磁。
进一步地，电机内的磁场磁力线从初级凸极虚槽内的永磁体N极出发经过凸极齿汇合，上下凸极铁心内的磁力线聚合后经过中间凸极铁心，进入中间凸极上的虚槽内的永磁体S极并从N极发出，穿过中间气隙进入中间次级槽内的永磁体S极，经过次级铁心分别进入次级铁心上下槽内的永磁体S极，最终经过次级铁心的上、下气隙回到起始虚槽内的永磁体S极，形成两个主磁通回路A和B，其磁力线所在平面与电机运动方向相垂直，电机主磁场为横向磁场。
优选地，多个次级齿的齿宽都相等，齿高也都相等。
优选地，所述次级永磁体的宽度、高度分别与所述次级槽的宽度、高度相等。
优选地，所述虚齿的齿高为凸极齿高的1/5。
优选地，所述虚槽永磁体的宽度为次级永磁体宽度的1/2，高度占虚槽的1/4。
优选地，所述初级铁心三面与“C”型形状的次级三面的气隙是等距离的。
优选地，所述连接梁为不导磁材料。
优选地，所述永磁体采用钕铁硼材质的材料。
本发明的有益效果是：结构简单，次级上不需要绕有电枢绕组，制作工艺简单；初级上均匀独立分布的凸极齿、虚齿与外次级相互结合作用，对称性的结构，可以减小定位力，初级铁心采用模块化设计，三相电枢绕组之间实现了电磁解耦，容错性能提升；模块化的设计使得该电机便于采用多相结构。而且，次级三面都可以得到利用；电机空间利用率提高，三相独立，每相皆可以单独控制，因此运动方向的调节既简单又高效；虚齿的加入对于调节磁场回路起到很大促进作用，使得有用的谐波得到很大程度的提高；虚槽内不仅有虚槽永磁体还有虚槽电枢绕组协助作用，进一步增加磁通密度、加大电磁推力。同时兼具有高可靠性、高力密度、高效率的优点，且结构简单、易于加工。本发明可用于对系统的可靠运行有较高要求的领域，特别是对系统体积及连续运行有严格要求的航空航天、军事装备等应用场合。
附图说明
图1为本发明的横向磁通磁场调制式直线电机的结构示意图；
图2为本发明的初级示意图；
图3为本发明的磁力线走向示意图；
图4a～4c为本发明的永磁体充磁方式示意图；
在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：
1——次级槽；2——次级齿；3——次级永磁体；4——凸极齿；5——凸极电枢绕组；6——虚齿；7——虚槽永磁体；8——虚槽电枢绕组；9——初级铁心；10——连接梁。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
请先参照图1所示，其为本发明的横向磁通磁场调制式直线电机的结构示意图，所述横向磁通磁场调制式直线电机包括：初级和次级；本发明是在横向磁通的基础上结合磁场调制所提出的一种磁场调制式电机，两个所述次级由硅钢片叠制而成，呈“C”型形状、镜像设置，由此，所述初级与所述次级之间存在三面气隙；“C”型形状的内侧三面并无繁琐的电枢绕组，而是等距分布着多个次级槽1和多个次级齿2，多个次级齿2的齿宽都相等，齿高也都相等，每个次级槽1的宽度均与所述次级齿2的齿宽相等；在所述次级槽1中设有次级永磁体3，所述次级永磁体3的宽度、高度分别与所述次级槽1的宽度、高度相等，请再结合参照图2所示，其为本发明的初级示意图；所述初级包括两个相同的初级铁心9以及连接两个初级铁心9的连接梁10，所述初级铁心9的上面、下面以及和连接梁反向的面均设有等距分布的、相同的凸极齿4，且三个面上的所述凸极齿4的排列方式相同；在所述凸极齿4上，靠近铁心端绕有凸极电枢绕组5，电枢绕组嵌放在相邻凸极齿间的线槽内，每个线槽内置放两个电枢绕组，每个初级上的凸极电枢绕组通方向、大小相同的电枢电流，构成三相电机中的一相；在所述凸极齿4上，靠近气隙端等距开有三个相同的虚齿6，虚齿的齿高为凸极齿高的1/5，相邻虚齿之间的槽为虚槽，在虚槽内靠近气隙端设有虚槽永磁体7，所述虚槽永磁体7的宽度为所述次级永磁体3宽度的1/2，高度占虚槽的1/4，其靠近气隙侧与虚齿靠近气隙侧在同一水平线上；此外，在虚槽内还设有虚槽电枢绕组8，以协助虚槽永磁体7增大磁通密度、提高推力，同一个凸极齿上的三个虚齿中，位于两端的虚齿分别与相邻凸极齿上的虚齿被同一个虚槽电枢绕组绕着；如上所述，在虚槽内既设有虚槽永磁体，又设有虚槽电枢绕组，其中，虚槽永磁体在靠近气隙侧，虚槽电枢绕组完全嵌入在虚槽内部。三相初级上分别绕有三相电枢绕组；其中，相邻的电枢绕组首尾相连，且上面的凸极齿的电枢绕组绕制方向与下面的凸极齿的电枢绕组绕制方向相反，和连接梁反向的面上的凸极齿的电枢绕组绕制方向与下面的凸极齿的电枢绕组绕制方向相同，同一面上的虚槽电枢绕组与凸极电枢绕组相串联，三个面上的凸极电枢绕组相互串联形成一相绕组；同一个初级上的电枢绕组构成一相，三个初级上的电枢绕组构成三相，三相通互差120°的电流。
优选地，初级铁心三面与“C”型形状的次级三面的气隙是等距离的；所述连接梁为不导磁材料。
优选地，永磁体采用钕铁硼材质的材料。
请参照图3所示，其为本发明的磁力线走向示意图；电机内的磁场磁力线从初级凸极虚槽内的永磁体N极出发经过凸极齿汇合，上下凸极铁心内的磁力线聚合后经过中间凸极铁心，进入中间凸极上的虚槽内的永磁体S极并从N极发出，穿过中间气隙进入中间次级槽内的永磁体S极，经过次级铁心分别进入次级铁心上下槽内的永磁体S极，最终经过次级铁心的上、下气隙回到起始虚槽内的永磁体S极，形成两个主磁通回路A和B，其磁力线所在平面与电机运动方向相垂直，即电机主磁场为横向磁场。
具体地，图4a～4c为本发明的永磁体充磁方式示意图；其中，图4a为电机上部分永磁体充磁方式示意图，图4b为电机中间部分逆时针向上旋转永磁体充磁方式示意图，图4c为电机下部分永磁体充磁方式示意图。充磁方式保持一致且均为法向充磁，但是相邻永磁体充磁方向是相同的，同上或同下。
在本发明的横向磁通磁场调制式直线电机中，虚槽电枢绕组8、凸极电枢绕组5以及虚槽永磁体7产生的磁力线通过虚齿6以及其虚槽的调制进入气隙，再从气隙进入次级齿2与次级永磁体3，构成一个完整的磁回路；经虚齿6调制之后，基波磁场以及有用的谐波磁场得到提升，继而增大电磁推力；在同一个初级通相同的电枢电流构成三相电机的一相，各相之间结构清晰独立，通过改变各相电枢电流的方向来改变初级的运动方向，使电机按照预期的方向运动。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种横向磁通磁场调制式直线电机，其特征在于，包括：初级和次级；其中，
两个所述次级由硅钢片叠制而成，呈“C”型形状、镜像设置，所述初级与所述次级之间存在三面气隙；所述次级的内侧三面等距分布着多个次级槽和多个次级齿，在所述次级槽中设有次级永磁体；
所述初级包括两个相同的初级铁心以及连接两个初级铁心的连接梁，所述初级铁心的上面、下面以及和连接梁反向的面均设有等距分布的、相同的凸极齿，且三个面上的所述凸极齿的排列方式相同；在所述凸极齿上，靠近铁心端绕有凸极电枢绕组，电枢绕组嵌放在相邻凸极齿间的线槽内，每个线槽内置放两个电枢绕组，每个初级上的凸极电枢绕组通方向、大小相同的电枢电流，构成三相电机中的一相；
在所述凸极齿上，靠近气隙端等距开有三个相同的虚齿，相邻虚齿之间的槽为虚槽，在虚槽内靠近气隙端设有虚槽永磁体，所述虚槽永磁体靠近气隙侧与虚齿靠近气隙侧在同一水平线上；在虚槽内还设有虚槽电枢绕组，虚槽电枢绕组完全嵌入在虚槽内部；同一个凸极齿上的三个虚齿中，位于两端的虚齿分别与相邻凸极齿上的虚齿被同一个虚槽电枢绕组绕着；虚槽电枢绕组与凸极电枢绕组互相串联构成电机一相绕组；
三相初级上分别绕有三相电枢绕组；其中，相邻的电枢绕组首尾相连，且上面的凸极齿的电枢绕组绕制方向与下面的凸极齿的电枢绕组绕制方向相反，和连接梁反向的面上的凸极齿的电枢绕组绕制方向与下面的凸极齿的电枢绕组绕制方向相同，同一面上的虚槽电枢绕组与凸极电枢绕组相串联，三个面上的凸极齿的电枢绕组相互串联形成一相绕组；同一个初级上的电枢绕组构成一相，三个初级上的电枢绕组构成三相，三相通互差120°的电流；
电机内的磁场磁力线从初级凸极虚槽内的永磁体N极出发经过凸极齿汇合，上下凸极铁心内的磁力线聚合后经过中间凸极铁心，进入中间凸极上的虚槽内的永磁体S极并从N极发出，穿过中间气隙进入中间次级槽内的永磁体S极，经过次级铁心分别进入次级铁心上下槽内的永磁体S极，最终经过次级铁心的上、下气隙回到起始虚槽内的永磁体S极，形成两个主磁通回路A和B，其磁力线所在平面与电机运动方向相垂直，电机主磁场为横向磁场。
2.根据权利要求1所述的直线电机，其特征在于，所述次级永磁体和所述虚槽永磁体的充磁方式保持一致且均为法向充磁。
3.根据权利要求1或2所述的直线电机，其特征在于，多个次级齿的齿宽都相等，齿高也都相等。
4.根据权利要求1或2所述的直线电机，其特征在于，所述次级永磁体的宽度、高度分别与所述次级槽的宽度、高度相等。
5.根据权利要求1或2所述的直线电机，其特征在于，所述虚齿的齿高为凸极齿高的1/5。
6.根据权利要求1或2所述的直线电机，其特征在于，所述虚槽永磁体的宽度为次级永磁体宽度的1/2，高度占虚槽的1/4。
7.根据权利要求1或2所述的直线电机，其特征在于，所述初级铁心三面与“C”型形状的次级三面的气隙是等距离的。
8.根据权利要求1或2所述的直线电机，其特征在于，所述连接梁为不导磁材料。
9.根据权利要求1或2所述的直线电机，其特征在于，所述永磁体采用钕铁硼材质的材料。
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