CN106981968A - 独立绕组连续极双边平板型永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了独立绕组连续极双边平板型永磁直线电机，依次包括第一初级单元、次级单元和第二初级单元，第一、第二初级单元分别与次级单元之间形成气隙；第一、第二初级单元均包括一个初级导磁铁芯，该初级导磁铁芯内部开有矩形槽，初级导磁铁芯面向次级单元的一侧上开有m个小槽，初级导磁铁芯与小槽相对的一侧为铁芯横梁，铁芯横梁上绕设有电枢绕组，初级导磁铁芯的各小槽内均安装永磁体，同一个初级导磁铁芯上的永磁体的充磁方向相同，且不同初级导磁铁芯上的永磁体的充磁方向相反；初级单元包括多个具有凸极结构的次级导磁铁芯，且相邻次级导磁铁芯之间形成气隙。本发明解决了现有永磁同步直线电机推力密度低、加速度低及永磁体用量大的问题。

Description

独立绕组连续极双边平板型永磁直线电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，特别涉及了一种永磁直线电机。

背景技术

基于直线电机的直接传动技术，省去了中间复杂传动机构，已在机床、电梯等直线运动场合应用，而且其应用领域正逐渐扩大到生产及生活的各领域。但是与旋转电机系统不同，大部分直接驱动的直线电机系统(电磁弹射应用中高速高加速直线电机除外)不能采用高速度设计提高功率密度并减小体积质量，因此，要减小直线电机的体积质量，只能寄希望于提高电机的推力密度。提高电机的推力密度，可以从提高电负荷、磁负荷和磁场变化频率几个方面考虑，已有的永磁同步直线电机，存在以下确点：绕组绕制工艺复杂，绕组散热困难，限制了电负荷的提高；不管将初级或次级用作动子，动子质量均较大，使得电机一定输出推力情况下，电机的加速度和动态性能受到限制；永磁体用量大，使得永磁直线电机的成本增大。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供独立绕组连续极双边平板型永磁直线电机，解决现有永磁同步直线电机推力密度低，加速度低及永磁体用量大的问题。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

独立绕组连续极双边平板型永磁直线电机，该电机为单相电机或n相电机，n相电机为单相电机的模块化组合，n≥3，所述单相电机由上至下依次包括第一初级单元、次级单元和第二初级单元，第一初级单元和第二初级单元分别与次级单元之间形成气隙，第一初级单元与第二初级单元的结构相同，且第一初级单元与第二初级单元关于次级单元对称设置；所述第一、第二初级单元均包括一个初级导磁铁芯，该初级导磁铁芯内部开有矩形槽，初级导磁铁芯面向次级单元的一侧上开有m个小槽，m≥3，初级导磁铁芯与小槽相对的一侧为铁芯横梁，铁芯横梁上绕设有电枢绕组，第一初级单元中的电枢绕组与第二初级单元中的电枢绕组为同相电阻，二者之间的电角度相差180°，初级导磁铁芯的各小槽内均安装永磁体，同一个初级导磁铁芯上的永磁体的充磁方向相同，且不同初级导磁铁芯上的永磁体的充磁方向相反；所述初级单元包括多个具有凸极结构的次级导磁铁芯，且相邻次级导磁铁芯之间形成气隙。

基于上述技术方案的优选方案，同一个初级导磁铁芯上的的小槽的宽度均为τ，相邻两个小槽之间的间距也为τ，相邻次级导磁铁芯之间的间距为2τ。

基于上述技术方案的优选方案，电机为n相电机，各相电机依次沿水平方向排列，相邻两相电机中距离最近的小槽之间的间距为(k±2/n)τ，k为自然数。

基于上述技术方案的优选方案，同一个初级导磁铁芯上的的小槽的宽度均为τ+a，且相邻两个小槽之间的间距为τ-a，-0.5τ≤a≤0.5τ。

基于上述技术方案的优选方案，永磁体与所在小槽的尺寸相同。

基于上述技术方案的优选方案，永磁体与所在小槽的尺寸不同，永磁体与小槽之间形成气隙或填充非导磁物质。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明中的绕组和永磁体均位于初级上，独立绕组结构使绕组绕制工艺简单，易于实现冷却，有利于提高电磁负荷，从而提搞推力密度；

(2)本发明中的次级结构简单，易于加工，且理想情况下无单边磁拉力；次级质量轻，用作动子时，相同的输出推力下，可以获得更大的加速度和速度；

(3)本发明中每对极下采用单个充磁方向的永磁体和中间铁心齿形成N-S交替的磁场，较之于传统采用两块充磁方向相反的永磁体结构，永磁体用量减少50％，推力性能仅下降大约15％，显然，永磁体用量的大幅度减少意味着电机成本的大幅度下降；

(4)本发明易于实现各相模块化设计及应用，各相之间无电耦合，磁耦合很小，当某相绕组故障时，不影响其它相，易于实现容错控制，有利于提高电机的可靠性。

附图说明

图1为实施例1单相电机的二维结构图；

图2为初级导磁铁心的结构示意图；

图3为连续极磁极结构所形成的磁力线示意图；

图4为实施例1磁通最大时磁力线示意图；

图5为实施例1磁通最小时磁力线示意图；

图6为实施例2的永磁体和初级铁心小齿结构示意图；

图7为实施例3的永磁体和初级铁心小齿结构示意图；

图8为实施例4的永磁体和初级铁心小齿结构示意图；

图9、图10为实施例5的永磁体和初级铁心小齿结构示意图；

图11为实施例6的三相电机的二维结构图。

标号说明：1-电枢绕组；2-初级铁心；2-1-初级铁心横梁；2-2-初级铁心大齿；2-3-初级铁心小齿；2-4-初级铁心内轭；3-永磁体；3-1-永磁体；3-2-永磁体；4-气隙，5-次级导磁铁芯；6-矩形槽；7-小槽；8-次级间隙。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1：

如图1、2、3所示，本实施例为单相电机，每个初级包括电枢绕组1、导磁铁心2和永磁体3结构。初级导磁铁心内部开矩形槽6，矩形槽6上方为初级铁心横梁2-1，两边为初级铁心大齿2-2，初级导磁铁心面向气隙面上开小槽7，小槽的个数为m，m为奇数，且m≥3，小槽背部为轭2-4结构，相邻的两个小槽7之间为初级小齿2-3结构；位于矩形槽6内的电枢绕组1(A-X)缠绕在初级铁心横梁2-1上，位于次级两边的两个初级大矩形槽内的电枢绕组A-X和A1-X1为同一相绕组，但电角度相差180°；小槽7内安装永磁体3，相邻永磁体之间为导磁的初级铁心小齿2-3结构，永磁体3沿水平方向的宽度为τ，初级铁心小齿2-3的宽度也为τ；位于次级两边的两个初级结构完全对称，即两个初级上相对的永磁体3-1和永磁体3-2的充磁方向正好相反；次级为具有凸极结构的导磁铁心5及次级间隙8组成，相邻次级导磁铁心之间的距离为2τ，即按照周期为2τ形成阵列。两个初级和次级之间形成两个气隙4。

该电机的每个初级上，永磁体3充磁方向为同一方向，但与铁心齿2-3共同实现N-S连续极励磁结构，该结构较之于传统采用不同充磁方向永磁体交替装配的结构，永磁体用量可以减少一半。

本发明的独立绕组连续极双边平板型永磁直线电机的工作过程和原理如下：

如图4、5所示，初级永磁体发出的磁通，经气隙4、次级导磁铁心5、初级导磁铁心2形成串联磁通闭合回路，并与电枢绕组1匝链，随着动子运动，次级和初级相对位置变化，与电枢绕组匝链的磁通大小和方向发生变化，从而在电枢绕组1中产生感应反电势。随着动子运动，在电枢绕组中通入相应的电流，电机即产生水平方向的推力。

本发明的单个初级上的永磁体3-1充磁方向相同，但是通过与相邻的初级铁心小齿2-3作用，在气隙中形成N-S交替的磁场。该结构和传统永磁电机相比，永磁体用量可以减少一半。

本发明的电枢绕组和永磁体均位于初级上，绕组绕制工艺简单，且易于实现散热设计，有利于实现大的电磁负荷设计，从而提高推力密度。次级结构简单，用作动子，动子质量轻，利于提高加速度。

实施例2：

如图6所示，本实施例与实施例1的区别在于：为改善磁场分布，永磁体3的宽度可以设计为τ+a，a取值为-0.5τ≤a≤0.5τ，初级铁心小齿2-3的宽度则为τ-a。

实施例3：

如图7所示，本实施例与实施例1的区别在于：为减小漏磁，永磁体3的尺寸可以与小槽7的尺寸不完全相同，可以在永磁体3和初级铁心齿2-3之间设置气隙或者填充非导磁物质。

实施例4：

如图8所示，本实施例与实施例1的区别在于：为减小反电势畸变，初级导磁铁心2上取消小槽背部的轭2-4结构。永磁体3和初级铁心小齿2-3交替排列。

实施例5：

如图9和10所示，本实施例与实施例1的区别在于：小槽7的个数和永磁体3的块数为偶数，小齿2-3的个数则为奇数。靠近大齿2-2的小齿2-3可以与大齿设计成一体，形成新的铁心结构。

实施例6：

如图11所示，本实施例与实施例1的区别在于：实施例1为单相电机，本实施例为三相电机。B相电机和C相电机的结构与A相电机的结构完全相同，各相电机模块沿水平方向排列，相邻两相电机之间的导磁铁心的水平方向宽度为(k±2/3)τ，k为自然数。绕组采用三相供电，可以是正弦波或者方波供电。该电机采用模块化设计，各相之间无电耦合，磁耦合很小，当某相绕组故障时，不影响其它相，易于实现容错控制，有利于提高电机的可靠性。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.独立绕组连续极双边平板型永磁直线电机，该电机为单相电机或n相电机，n相电机为单相电机的模块化组合，n≥3，其特征在于：所述单相电机由上至下依次包括第一初级单元、次级单元和第二初级单元，第一初级单元和第二初级单元分别与次级单元之间形成气隙，第一初级单元与第二初级单元的结构相同，且第一初级单元与第二初级单元关于次级单元对称设置；所述第一、第二初级单元均包括一个初级导磁铁芯，该初级导磁铁芯内部开有矩形槽，初级导磁铁芯面向次级单元的一侧上开有m个小槽，m≥3，初级导磁铁芯与小槽相对的一侧为铁芯横梁，铁芯横梁上绕设有电枢绕组，第一初级单元中的电枢绕组与第二初级单元中的电枢绕组为同相电阻，二者之间的电角度相差180°，初级导磁铁芯的各小槽内均安装永磁体，同一个初级导磁铁芯上的永磁体的充磁方向相同，且不同初级导磁铁芯上的永磁体的充磁方向相反；所述初级单元包括多个具有凸极结构的次级导磁铁芯，且相邻次级导磁铁芯之间形成气隙。

2.根据权利要求1所述独立绕组连续极双边平板型永磁直线电机，其特征在于：同一个初级导磁铁芯上的的小槽的宽度均为τ，相邻两个小槽之间的间距也为τ，相邻次级导磁铁芯之间的间距为2τ。

3.根据权利要求2所述独立绕组连续极双边平板型永磁直线电机，其特征在于：电机为n相电机，各相电机依次沿水平方向排列，相邻两相电机中距离最近的小槽之间的间距为(k±2/n)τ，k为自然数。

4.根据权利要求1所述独立绕组连续极双边平板型永磁直线电机，其特征在于：同一个初级导磁铁芯上的的小槽的宽度均为τ+a，且相邻两个小槽之间的间距为τ-a，-0.5τ≤a≤0.5τ。

5.根据权利要求1所述独立绕组连续极双边平板型永磁直线电机，其特征在于：永磁体与所在小槽的尺寸相同。

6.根据权利要求1所述独立绕组连续极双边平板型永磁直线电机，其特征在于：永磁体与所在小槽的尺寸不同，永磁体与小槽之间形成气隙或填充非导磁物质。