CN106992655A - 一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机及其优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机及其优化设计方法，属于永磁电机领域，包含单初级和双次级，初级与双次级之间分别具有气隙，初级由三个单元模块组成，每个单元模块靠近气隙一侧开槽形成四个初级齿和两个初级槽，在初级齿的齿端沿着电机运动方向设有多个虚槽和虚齿，虚齿的个数比虚槽的个数多一个，在虚槽中嵌有由三块永磁体构成的聚磁单元；初级槽内三相绕组分别绕在三个初级单元模块的轭部，每相绕组能够同时切割相应模块中四个初级齿上永磁体产生的磁力线，在保证空载反电势、推力输出、永磁体用量、容错能力等性能指标不受影响的同时，提高绕组利用率，减少绕组用量的一半，降低铜耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机，属于永磁电机领域。
背景技术
在轨道交通长距离驱动系统中，直线电机在爬坡能力、牵引性能、工程造价以及振动噪声等方面具有明显的优势。其中，初级永磁型直线电机采用短初级、长次级结构，其绕组和永磁体都置于初级，次级既无绕组也无永磁体，仅由导磁性材料(如碳钢)组成，在轨道交通领域具有较好的应用前景。初级永磁型直线电机尽管具有高效、低成本的优点，但其推力密度低于传统的永磁直线同步电机。
基于这一思想，有磁场调制作用的游标效应被引入到永磁直线电机中，出现了不同永磁游标直线电机的拓扑结构。永磁游标直线电机结构上与初级永磁型直线电机十分相似，但两者的运行原理和设计方法却完全不同，永磁游标直线电机利用交替变化的气隙磁导与永磁磁通的相对运动，调制出快速运行的谐波磁场，提高电机的空载感应电动势和电磁推力密度。
现有的技术中，永磁游标电机一般采用双层集中绕组和分布绕组。采用集中绕组时，绕组端部短，绕线方便，但是电机的绕组系数较低，磁场利用率较低，电机反电势与推力输出能力有待提升；采用分布绕组时，绕组节距大，端部长，绕组系数高，电机反电势和推力输出较大。在这两种电机结构中，永磁体和绕组紧密的设置在同一侧，在电机持久运行的过程中，铜耗、铁耗和涡流损耗都会转化为热量，一旦散热不及时，过高温升会导致永磁体永久性失磁，从而使电机运行故障。虽然可以通过电机外壳腔体水冷有效的降低绕组和永磁体的温升，但是冷却系统的添加增加了电机的体积和重量，降低了电机整体的推力密度。同时，现有的两种电机中相间耦合度较高，电机容错性能差，在性能指标要求较高的轨道交通领域中，必须要从根本上解决永磁游标直线电机的可靠性，也就是提高电机的效率和容错性能。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机结构。本发明通过将初级槽内三相绕组分别绕在三个初级单元模块的轭部，每相绕组能够同时切割相应模块中四个初级齿上永磁体产生的磁力线，在保证空载反电势、推力输出、永磁体用量、容错能力等性能指标不受影响的同时，提高绕组利用率，减少绕组用铜量，降低铜耗。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机，包括单初级(1)，第一次级(21)、第二次级(22)，初级(1)与第一次级(21)、第二次级(22)之间分别具有第一气隙(41)、第二气隙(42)；
所述第一次级(21)、第二次级(22)分别在靠近第一气隙(41)、第二气隙(42)一侧由铁芯开槽形成梯形槽结构，初级(1)由三个单元模块结构组成，每个单元模块结构均一致，模块结构(11)呈H型，包含第一初级齿(112)、第二初级齿(113)以及第一初级槽(1141)、第二初级槽(1142)；第一初级齿(112)靠近第一气隙(41)一侧沿着电机运动方向开槽形成虚齿(101)和虚槽(102)结构，虚齿(101)的个数N1与虚槽(102)的个数N2关系为N1＝N2+1，N2为大于1的奇数；虚槽(102)内设置有由三块永磁体依次紧密贴合构成的聚磁单元(300)，其中中间的第二永磁体(32)充磁方向和电机运动方向相垂直且朝向第一气隙(41)，两侧的第一永磁体(31)、第三永磁体(33)相对充磁且充磁方向和电机运动方向相同；第二初级齿(113)靠近第二气隙(42)一侧沿着电机运动方向开槽形成虚齿(101)和虚槽(102)结构；虚槽内的聚磁单元(300)中中间的第四永磁体(34)充磁方向和电机运动方向相垂直且朝向第二气隙(42)，两侧永磁体充磁方向与第一初级齿(112)上的一致；第一初级槽(1141)、第二初级槽(1142)的槽口分别开在靠近第一气隙(41)、第二气隙(42)一侧；三相绕组(116)分别绕在三个单元模块结构的轭部(115)，每相绕组能够同时切割相应模块中四个初级齿上永磁体产生的磁场。
本发明的方法的技术方案为：一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机的优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1，电机初级(1)绕组极对数Pw，永磁体极对数PPM以及第一次级(21)、第二次级(22)总极对数Ps满足以下关系式：
Pw＝│PPM-Ps│
电机的调制比为：
在电机磁路不饱和的情况下，选取较大的调制比，确定电机的绕组极对数；根据绕组极对数，确定电机的绕组连接方式；
步骤2，对单元电机限定尺寸设计，为提高电机容错性能，单元电机中初级(1)由三个独立的单元模块结构组成，电机三相绕组(116)分别绕在对应单元模块轭部(115)，为保证三相反电势的对称性，相邻两个模块之间的相位相差120°电角度，每个模块中在同一气隙侧的相邻初级齿之间的相位相差180°电角度，三个模块之间的距离满足以下关系：
λ＝(j+1/3)τs或者λ＝(j+1/6)τs
同一气隙侧相邻初级齿之间的距离满足以下关系：
τm＝(k+1/2)τs
其中，λ为两个模块之间的距离，τs为次级极距，τm为初级齿极距，k与j分别为正整数；
步骤3，在确定每个模块之间的距离λ、次级极距τs和初级齿极距τm后，根据聚磁单元(300)与虚齿(101)的总宽度等于初级齿极距τm，聚磁单元(300)、虚齿(101)和虚槽(102)的总宽度等于距离λ这两个约束条件，确定三者的最佳比例关系；由于聚磁单元是嵌入在虚槽中，聚磁单元(300)与虚齿(101)的高度相等，通过永磁体体积，进一步确定聚磁单元的高度；
步骤4，每个聚磁单元由中间的第二永磁体(32)或第四永磁体(34)和两块两侧的第一永磁体(31)、第三永磁体(33)构成，根据每个聚磁单元的宽度，确定中间的第二永磁体(32)或第四永磁体(34)和两侧的两块永磁体的尺寸结构，确定三者的最优配合，其中，中间的第二永磁体(32)或第四永磁体(34)的宽度大于两侧的两块永磁体的宽度，两侧的两块永磁体结构尺寸相同，三块永磁体的高度相同；
步骤5，根据电机次级极距τs和电机极槽数，确定第一次级(21)、第二次级(22)靠近气隙一侧的槽宽s1与次级的齿距τs之比，靠近次级轭部的槽宽s2与次级齿距τs之比，得出最佳的次级齿槽结构；确定电机次级槽深与槽的高度之比。
进一步，初级(1)由三个独立的单元模块结构组成，电机三相绕组(116)分别绕在对应单元模块轭部(115)，为保证三相反电势的对称性，相邻两个模块之间的相位相差120°电角度，每个模块中在同一气隙侧的相邻初级齿之间的相位相差180°电角度，通过单元模块间的相互配合使各相绕组之间互相解耦。
进一步，第一初级齿(112)、第二初级齿(113)中永磁体产生的两个磁场以轭部(115)为轴呈对称分布，单元模块结构的轭部(115)成为两个磁场的共有磁路，三相绕组分别绕在三个独立模块的轭部(115)，每相绕组采用一组线圈能够同时切割两个磁场的磁力线。
进一步，第一初级齿(112)、第二初级齿(113)相对开槽且结构尺寸相同。
进一步，聚磁单元(300)的三块永磁体高度均相等。
进一步，第一次级(21)、第二次级(22)相对开槽且结构尺寸相同。
进一步，第一次级(21)、第二次级(22)靠近气隙一侧的槽宽s1与次级的齿距τs之比为0.2～0.5，靠近次级轭部的槽宽s2与次级齿距τs之比为0.1～0.9。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用H形单元模块初级齿结构，通过单元模块间的相互解耦使得各相绕组之间不相互影响，从而使得电机的容错性能提高，增强电机在运行过程中的稳定性；此外，初级单元模块和每相绕组一一对应，每相绕组作为一个独立的单元模块不存在边端效应，因此该直线电机的反电动势更加正弦对称。
2、电机的初级齿端部嵌入永磁体单元，其聚磁效应可减小齿端漏磁，提高磁路的有效磁密，从而提高电机的推力输出特性。
3、相邻单元模块间空间相位互差120°电角度，使得各单元模块产生的定位力相互抵消，降低了电机的定位力，减小了推力波动。
4、永磁体产生磁场分布的极对数PPM与绕组产生的电枢磁场分布的极对数Pw和双次级有效极对数Ps满足：Pw＝│PPM-Ps│，对于电机整体结构和独立的单元模块结构以及单边结构也满足此关系式。因此电机保留了磁场调制的特性，具有低转速大推力的特点。
5、同一位置下，每个模块中只有两个电枢齿上的永磁体分别产生两个有效的磁力线回路，这两个磁力线在初级的轭部结构中有相同的路径和走向，三相绕组分别对应绕在三个独立模块的轭部，每相绕组采用一组线圈能够同时切割两个磁场的磁力线，在保证电机反电势、推力输出及容错性能不变的前提下，提高绕组的利用率，减少绕组一半的用量，降低铜耗。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图1是本发明所述提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机的结构示意图；
附图2是本发明所述电机的单元模块间相位关系图及初级齿间相位关系图；
附图3是本发明所述电机的初级齿的结构示意图；(a)虚齿和虚槽示意图，(b)永磁体单元示意图；
附图4是本发明所述电机的工作原理图；
附图5是本发明所述电机的三相反电势波形图；
附图6是本发明所述电机与已有电机的A相反电势的对比图；
附图7是本发明所述电机与已有电机的推力和铜耗的对比图；
附图8是本发明所述电机与已有电机的A相自感的对比图；
附图9是本发明所述电机的互感波形图。
图中：1.初级；11.单元模块；112.第一初级齿；113.第二初级齿；1141.第一初级槽；1142.第二初级槽；115.轭部；116.三相绕组；21.第一次级；22.第二次级；300.永磁体单元；31.第一永磁体；32.第二永磁体；33.第三永磁体；34.第四永磁体；41.第一气隙；42.第二气隙。
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。
参见图1，本发明所述的提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机结构包含初级1、第一次级21和第二次级22三个部分，初级1与第一次级21、第二次级22之间分别具有第一气隙41、第二气隙42，气隙的厚度根据电机的功率要求及工作环境选取。初级和次级均采用硅钢片材料叠压而成，次级21和次级22分别在靠近气隙41和42一侧由铁芯开槽形成梯形槽结构，初级1上在靠近气隙侧开槽形成初级齿112和113以及初级槽1141和1142结构，两种初级齿在与电机运动方向垂直的方向上轭部叠加形成一个单元模块11，每一个单元模块11呈H形，单元模块11中的槽1141和1142中放置绕组116且单元模块与每相绕组一一对应，每相电枢绕组116采用环形绕组，绕组绕在单元模块的轭部115，每相环形绕组只需一组线圈，同时切割两种初级齿上永磁体单元产生的磁力线，减少绕组的用量，降低铜耗。
参见图1，图2，s个单元模块11构成s相电机，单元模块间相距(k+1/s)τs，k＝0,1,2,…，s为单元模块个数即绕组相数，由于本电机为三相电机，故s取3，τs为次级极距，τs＝S1*s/Ps，S1为一个单元模块的有效长度。此时，初级的相邻单元模块间空间相位互差120°电角度，所以各单元模块间定位力波形互差120°电角度，因此最终合成的定位力相互抵消，大大降低了电机的定位力。
参见图1，图2，图3(a)，上述单元模块11上的虚槽为六个，每个初级齿上各开有三个虚槽101，所述每个虚槽101放置有一个永磁体单元300，初级齿112中的永磁体单元300由位于两侧的两块极性相反的切向充磁的第一永磁体31、第三永磁体33和中间一块径向充磁的第二永磁体32组成，初级齿113中的永磁体单元300中间的第四永磁体34充磁方向和第二永磁体充磁方向相反，具体充磁方向如图3(b)上的箭头所示，所述永磁体采用钕铁硼磁材料。
从图4中可以看出各单元模块中电枢反应产生的磁力线只通过相应相绕组，说明各相之间互相不影响，因此初级模块化结构可以有效的降低相间的耦合程度，同时初级齿112和初级齿113中磁力线分布以轭部为轴对称，为并联关系，互不影响，说明各个单元模块中单边初级齿可独立与次级产生调制磁场。永磁体产生的有效磁场分布的极对数PPM，三相绕组产生的有效磁场分布的极对数Pw和次级有效极对数Ps满足公式Pw＝│PPM-Ps│，且对于电机整体结构和各单元模块结构及单边电机结构都满足此公式。对于电机整体结构，永磁体阵列300个数为36，即PPM＝36，电枢绕组产生磁场分布的极对数Pw为6，对应次级21和22总的有效极对数Ps为42，满足Pw＝│PPM-Ps│；对于单元模块结构，永磁体阵列个数为12，即PPM＝12，电枢绕组产生磁场分布的极对数Pw为2，对应次级有效极对数为14，满足Pw＝│PPM-Ps│；对于单边电机结构，永磁体阵列个数为18，即PPM＝18，电枢绕组产生磁场分布的极对数Pw为3，对应次级有效极对数为21，满足Pw＝│PPM-Ps│。
图5为本发明所述的提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机三相空载反电动势波形图,可以看出电机反电动势正弦对称，说明该电机结构消除了端部效应对磁路的不良影响，进而使各相反电动势的波形更加正弦，解决了传统直线电机由于端部效应的影响致使反电动势不平衡的问题。
图6为本发明所述的提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机与已有电机的A相空载反电动势波形对比图,从图中可以看出，将电机绕组绕在电机轭部之后，一组线圈与已有电机中的采用两组线圈所得的反电势幅值相等，因此本发明的磁场调制永磁直线电机绕组利用率较高，绕组用量减少一半。
图7为本发明所述提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机与已有电机的推力与铜耗对比图，从图中可以看出，减少绕组用量后的电机的推力并没有明显降低，但是铜耗降低了49％，因此本发明的磁场调制永磁直线电机绕组利用率较高，铜耗低。
图8为本发明所述提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机与已有电机的三相自感波形对比图，从图中可以看出电机的自感并没有较大的差异，验证了提出的直线电机保证了输出推力大小和脉动。
参见图8，图9，本发明所述提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机的三相互感波形图中的自感互感比值较小为0.9％，因此电机具有较高的容错能力。
本发明所述提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机，通过初级模块化和绕组结构的设计一方面使得相间耦合程度大大较低，提高了电机的容错性能，另一方面提高绕组利用率，减少绕组用量，降低铜耗；同时单元模块间的定位力相互抵消，有效的抑制了定位力的幅值，降低了电机的推力波动。
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 (8)
1.一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机，其特征在于，包括单初级(1)，第一次级(21)、第二次级(22)，初级(1)与第一次级(21)、第二次级(22)之间分别具有第一气隙(41)、第二气隙(42)；
所述第一次级(21)、第二次级(22)分别在靠近第一气隙(41)、第二气隙(42)一侧由铁芯开槽形成梯形槽结构，初级(1)由三个单元模块结构组成，每个单元模块结构均一致，模块结构(11)呈H型，包含第一初级齿(112)、第二初级齿(113)以及第一初级槽(1141)、第二初级槽(1142)；第一初级齿(112)靠近第一气隙(41)一侧沿着电机运动方向开槽形成虚齿(101)和虚槽(102)结构，虚齿(101)的个数N1与虚槽(102)的个数N2关系为N1＝N2+1，N2为大于1的奇数；虚槽(102)内设置有由三块永磁体依次紧密贴合构成的聚磁单元(300)，其中中间的第二永磁体(32)充磁方向和电机运动方向相垂直且朝向第一气隙(41)，两侧的第一永磁体(31)、第三永磁体(33)相对充磁且充磁方向和电机运动方向相同；第二初级齿(113)靠近第二气隙(42)一侧沿着电机运动方向开槽形成虚齿(101)和虚槽(102)结构；虚槽内的聚磁单元(300)中中间的第四永磁体(34)充磁方向和电机运动方向相垂直且朝向第二气隙(42)，两侧永磁体充磁方向与第一初级齿(112)上的一致；第一初级槽(1141)、第二初级槽(1142)的槽口分别开在靠近第一气隙(41)、第二气隙(42)一侧；三相绕组(116)分别绕在三个单元模块结构的轭部(115)，每相绕组能够同时切割相应模块中四个初级齿上永磁体产生的磁场。
2.根据权利要求1所述的一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，电机初级(1)绕组极对数Pw，永磁体极对数PPM以及第一次级(21)、第二次级(22)总极对数Ps满足以下关系式：
Pw＝│PPM-Ps│
电机的调制比为：
在电机磁路不饱和的情况下，选取较大的调制比，确定电机的绕组极对数；根据绕组极对数，确定电机的绕组连接方式；
步骤2，对单元电机限定尺寸设计，为提高电机容错性能，单元电机中初级(1)由三个独立的单元模块结构组成，电机三相绕组(116)分别绕在对应单元模块轭部(115)，为保证三相反电势的对称性，相邻两个模块之间的相位相差120°电角度，每个模块中在同一气隙侧的相邻初级齿之间的相位相差180°电角度，三个模块之间的距离满足以下关系：
λ＝(j+1/3)τs或者λ＝(j+1/6)τs
同一气隙侧相邻初级齿之间的距离满足以下关系：
τm＝(k+1/2)τs
其中，λ为两个模块之间的距离，τs为次级极距，τm为初级齿极距，k与j分别为正整数；
步骤3，在确定每个模块之间的距离λ、次级极距τs和初级齿极距τm后，根据聚磁单元(300)与虚齿(101)的总宽度等于初级齿极距τm，聚磁单元(300)、虚齿(101)和虚槽(102)的总宽度等于距离λ这两个约束条件，确定三者的最佳比例关系；由于聚磁单元是嵌入在虚槽中，聚磁单元(300)与虚齿(101)的高度相等，通过永磁体体积，进一步确定聚磁单元的高度；
步骤4，每个聚磁单元由中间的第二永磁体(32)或第四永磁体(34)和两块两侧的第一永磁体(31)、第三永磁体(33)构成，根据每个聚磁单元的宽度，确定中间的第二永磁体(32)或第四永磁体(34)和两侧的两块永磁体的尺寸结构，确定三者的最优配合，其中，中间的第二永磁体(32)或第四永磁体(34)的宽度大于两侧的两块永磁体的宽度，两侧的两块永磁体结构尺寸相同，三块永磁体的高度相同；
步骤5，根据电机次级极距τs和电机极槽数，确定第一次级(21)、第二次级(22)靠近气隙一侧的槽宽s1与次级的齿距τs之比，靠近次级轭部的槽宽s2与次级齿距τs之比，得出最佳的次级齿槽结构；确定电机次级槽深与槽的高度之比。
3.根据权利要求2所述的一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机的优化设计方法，其特征在于，初级(1)由三个独立的单元模块结构组成，电机三相绕组(116)分别绕在对应单元模块轭部(115)，为保证三相反电势的对称性，相邻两个模块之间的相位相差120°电角度，每个模块中在同一气隙侧的相邻初级齿之间的相位相差180°电角度，通过单元模块间的相互配合使各相绕组之间互相解耦。
4.根据权利要求2所述的一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机的优化设计方法，其特征在于，第一初级齿(112)、第二初级齿(113)中永磁体产生的两个磁场以轭部(115)为轴呈对称分布，单元模块结构的轭部(115)成为两个磁场的共有磁路，三相绕组分别绕在三个独立模块的轭部(115)，每相绕组采用一组线圈能够同时切割两个磁场的磁力线。
5.根据权利要求2所述的一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机的优化设计方法，其特征在于，第一初级齿(112)、第二初级齿(113)相对开槽且结构尺寸相同。
6.根据权利要求2所述的一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机的优化设计方法，其特征在于，聚磁单元(300)的三块永磁体高度均相等。
7.根据权利要求2所述的一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机的优化设计方法，其特征在于，第一次级(21)、第二次级(22)相对开槽且结构尺寸相同。
8.根据权利要求2所述的一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机的优化设计方法，其特征在于，第一次级(21)、第二次级(22)靠近气隙一侧的槽宽s1与次级的齿距τs之比为0.2～0.5，靠近次级轭部的槽宽s2与次级齿距τs之比为0.1～0.9。
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