CN107070165A - 一种磁通反向型永磁直线电机及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁通反向型永磁直线电机，包括：设置有大开口槽的动子铁心，电枢绕组绕于动子铁心齿部；常规开槽的定子铁心，与动子铁心皆为导磁材料，其间以气隙间隔；贴合于动子铁心齿部的永磁体，既可以在一个动子齿放置两块充充磁方向相反的永磁体，也可以仅放置一块。本发明与传统磁通反向型永磁直线电机本比，具有动子槽开口大，可以在动子槽内绕制更多电枢绕组，且在相同动子长度内永磁体用量少，反电势大，能够实现兼顾高推力密度高和少的永磁体用量，因而特别适用于长定子、短动子的运动场合，如轨道交通用直线牵引电机等。

Description

一种磁通反向型永磁直线电机及其应用

技术领域

本发明属于永磁电机技术领域，具体涉及一种磁通反向型永磁直线电机及其应用。

技术背景

直线电机作为一种直接将电能转化为直线运动的机械能的机构，免去了传统直线运动系统中从旋转电机到直线运动所需的传动机构，因而能显著提升系统能效水平和鲁棒性。直线电机也因此受到了很多工业应用的青睐，如数控机床、轨道交通、新能源发电等装置。我国作为稀土资源大国，采用永磁直线电机产品则可进一步提升系统效率，减少零部件从而简化系统复杂度，提升系统稳定性。传统的永磁直线电机面临的主要问题之一是成本较高，而这主要是由于永磁体的成本较高。近年来为降低永磁体用量，磁通反向型永磁直线电机被提出并得到了一些发展，但由于永磁体放置在动子齿，限制了动子齿的宽度，因而这类电机的电枢绕组放置受限，电负荷并不高，最终导致电机出力有限。同时这类电机对永磁体的消耗依然较多。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出一种磁通反向型永磁直线电机，旨在解决现有技术不能兼顾高的出力与低永磁体用量的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种磁通反向型永磁直线电机，包括：一个动子和一个定子铁芯；

动子，包括开有多个动子槽的动子铁心、电枢绕组以及永磁体；

动子槽开口率在0.5以上，电枢绕组设置于动子铁心的各个动子槽中，永磁体置于动子铁芯的齿顶部；

定子铁心与动子铁心之间存在气隙，且两者可相对移动。

由于动子槽开口率为0.5以上，相较于现有的电机，直线电机动子槽内可放置更多的电枢绕组，且由于动子开口率的增加，在相同动子长度内动子齿数降低，使得永磁体数量减少，因此本发明所提供的技术方案能够提供更多的出力且降低永磁体用量。

作为本发明的进一步优选，动子齿顶开有槽，用于放置永磁体，且永磁体的充磁方向一致。

当直线电机工作时，一个充磁方向的永磁体会将相邻的铁磁材料磁化为另一极，进一步减少了永磁体用量的情况下并不会降低电机用于工作的永磁体磁场，因此本发明能够兼顾高出力和低的永磁体用量。

作为本发明的进一步优选，动子槽开口率为0.625，电机空载反电势最大且永磁体用量较少。

作为本发明的进一步优选，动子齿数n_m、电枢绕组磁场极对数P_a以及定子铁心齿数n_s之间满足交替极磁通反向电机原理，即：

其中，i表示任意奇数，k表示任意非零自然数，GCD(n_m,P_a)表示动子齿数与电枢绕组磁场极对数的最大公约数。

作为本发明的进一步优选，还包括：还包括两个动子，各动子排布于同一直线上，两个相邻的动子由非导磁材料连接，每个动子的每相电枢绕组对称布置，并将动子依次记为第I个动子，第II个动子，第III个动子。

作为本发明的进一步优选，当第II个动子中A相电枢绕组的位置是第I个动子中C相电枢绕组所在的位置，第III个动子中的A相电枢绕组的位置是第I个动子中的B相电枢绕组所在的位置时，非导磁材料的宽度x由下式给出：

且x>0

其中，L为三个动子总长度，n_s为一个动子长度内所对应的定子齿数，n_m为一个动子长度内所对应的动子齿数，m为两个相邻动子上绕置相同相绕组的距离，k为非零自然数。

依照这一宽度设置非导磁材料，可以保证三个动子上的绕组在换位的前提下仍保持相位一致，不造成反电势的损失。

作为本发明的进一步优选，电枢绕组可以为分布式绕组，也可以为集中式绕组。

作为本发明的进一步优选，动子铁芯采用斜槽式结构，可以实现推力波形移相相叠加的效果，从而消除由齿槽结构引进的谐波，进一步使推力波动控制在2％以内，实现电机低成本、大推力、小推力波动的高性能运行。

作为本发明的进一步优选，定子铁芯由导磁材料叠片而制成的整体结构，易于维护和更换，成本较低。

按照本发明的另一方面，提供一种上述磁通反向型永磁直线电机的应用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)传统的动子开槽率在0.25左右，而本发明中动子开槽率在0.5以上，且永磁体的充磁方向一致，使得本发明提供的直线电机所需永磁体仅为传统磁通反向型永磁直线电机的四分之一，大大降低了制造成本；

(2)本发明提供的直线电机拥有更大的动子槽开口，使得动子槽面积相比于传统结构可提升30％，因而可以放置更多的电枢导体，提升电机功率密度；本发明所述直线电机具有更大的推力密度，在相同体积下，推力可比传统结构提升51％；

(3)通过三段动子和动子铁芯采用斜槽式结构的配合使用，可在保持低成本、大推力的基础上实现较小的推力波动，使该种结构同样适用于伺服系统。

附图说明

图1为现有技术中的一种磁通反向型永磁直线电机的结构示意图；

图2为本发明提供的磁通反向型永磁直线电机的实施例的结构示意图；

图3所示为动子处于不同位置时一个动子齿所通过的磁力线的变化情况，其中图3(a)所示为初始时刻情况；图3(b)所示为动子向右移动1/2个极距时的情况；图3(c)所示为动子向右移动1个极距时的情况；图3(d)所示为动子向右移动3/2个极距的情况；

图4为本发明提供的三段式磁通反向型永磁直线电机；

图5为三种电机结构推力波形的有限元计算结果；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-定子铁心；2-动子铁心；3-永磁体；4-电枢绕组；5-铁磁极；6-非导磁材料。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和效果更加清晰明了，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，以下实施例仅是用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图2为本发明提供的一个磁通反向型永磁直线电机的实施例的结构示意图。本实施例的直线电机包括动子和定子，动子包括动子铁心2、电枢绕组4以及放置在动子铁心齿尖的永磁体3，定子包括定子铁心1。动子铁心2与定子铁心1均为开槽结构。且动子铁芯2的开槽率大于0.5，电枢绕组4绕于动子铁芯2的槽内。动子铁心2的齿尖制造成特殊形状，其中一半仍为铁心材料叠片而成的铁磁极5，另一半用于放置永磁体3，且所有永磁体3的充磁方向一致。

在本实施例中，动子铁芯齿尖上的永磁体将相邻的铁磁材料磁化为另一磁极，即铁磁极5，通过对铁磁材料磁化形成另一磁极的方法能够减少永磁体的用量，由永磁体和铁磁极5为电机气隙提供基础磁场，随着动子相对于定子的做直线运动，该基础磁场发生变化，该磁场也是一个行波磁场，并在电枢绕组内感应电动势，进而与电枢绕组内一定频率的电流产生耦合作用，发生机电功率转换。

一般的磁通反向型永磁直线电机动子槽开口率在0.25左右，限制了动子槽面积，使得电机电负荷难以提升。在本实施例中，动子槽开口率大于0.5，极大改善了动子铁芯内放置电枢绕组的空间状况，同时能够减少永磁体的用量，使得更多的导体可以被安放在动子槽内，进而提升电机电负荷，提高电机永磁体的利用效率。经过优化后，动子槽开口率为0.625可以使电机空载反电势最大且永磁体用量较少。同时，较大的槽面积意味着可以放置更多的导体而不必增大电流密度，从而不会增大电机的直流铜损耗，这一特点能够提升电机的功率密度，或在相同功率下减小电机体积。

综上所述，该磁通方向型永磁直线电机能够兼顾高的功率密度和低的永磁体用量。

在实施例中，动子铁心和/或定子铁心由导磁材料冲片叠压而成，如硅钢、非晶合金等，其中动子铁心上的齿数为n_m，定子铁心上的齿数不做特别固定，视动子铁心的运动范围而定，一般优选多于动子铁心上槽数。

在动子铁心2的槽内放置有电枢绕组4，动子铁芯的槽内安放的绕组结构既可以是分布绕组，也可以集中绕组。其环绕于动子铁心齿槽中，其极对数为P_a，用于在通入相应的交流电后产生相应的拥有P_a对极的电枢行波磁场。

上述动子铁心齿数n_m、定子铁心有效长度内齿数n_s和电枢磁场极对数P_a由以下方程式决定：

其中，i表示任意奇数，即i＝1,3,5…，k表示任意非零自然数，即k＝1,2,3…，GCD(n_m,P_a)表示动子齿数与电枢绕组磁场极对数的最大公约数。

在本实施例中，动子齿数为6，定子有效长度内齿数为17，根据上述方程式可得电枢绕组极对数为1。

图3所示为动子处于不同位置时一个动子齿所通过的磁力线的变化情况，其中，图3(a)为初始时刻情况，此时该动子齿处通过的磁力线最多；图3(b)为动子向右移动1/2个极距时的情况，此时该动子齿处通过的磁力线最少；图3(c)为动子向右移动1个极距时的情况，此时该动子齿处通过的磁力线最多，但与图3(a)中磁力线方向相反；图3(d)为动子向右移动3/2个极距的情况，此时该动子齿处通过的磁力线与图3(b)类似，也达到最少。换言之，在动子向右移动一个定子齿的同时，一相绕组所交链的磁通发生了一个电周期的变化，因而较慢的动子移动速度就能在动子侧产生变化较快的磁场，从而实现高效的机电能量转换。

图4为本发明另一个改进的实施例，包括第I个动子、第II个动子以及第III个动子，三个动子排列于同一直线上，且两个相邻的动子由非导磁材料连接，每个动子都与图2所示的动子结构相同，不同之处仅为绕组放置位置，各动子的每相电枢绕组对称布置，因而可以实现三相绕组对称化进而抑制电机中由于电枢绕组不对称引起的谐波，减少电机反电势的畸变和推力波动。

为了进一步地减少电机推力波动，动子铁芯可以采用斜槽式结构，可以实现推力波形移相相叠加的效果，从而消除由齿槽结构引进的谐波。

当每个动子的绕组放置位置如图4所示时，即第II段动子中A相绕组的位置是第I段动子中C相所在的位置，第III段动子中的A相绕组的位置是第I段动子中的B相绕组所在的位置，非导磁材料的宽度x由下式给出：

且x>0

其中，L为三个动子总长度，n_s为一个动子长度内所对应的定子齿数，n_m为一个动子长度内所对应的动子齿数，m为两个相邻动子上绕置相同相绕组的距离，k为非零自然数，即k＝1,2,3…。依照这一要求设置非导磁材料的宽度，可以保证三个动子上的电枢绕组在换位的前提下仍保持相位一致，不造成反电势的损失。

对于大推力、长定子应用场合，采用图2所示的本发明所提出的结构可以达到很好的经济效益；对于伺服系统等需要小推力波动的应用场合，采用图4所示的三段式结构，或可动子铁芯采用斜槽式结构和三段式结构，可以在保持低永磁体用量、大推力的同时保持较小的推力波动，同样实现较好的经济效益。

图5为三种电机结构推力波形的有限元计算结果，其中本发明提出的磁通反向型永磁直线电机出力为246.4N，推力波动为13.3％；三段式结构由于采用了三个动子，其出力约为一台动子的三倍，达到766.4N，推力波动下降为6.3％；在采用三段式结构的基础上，进一步动子铁芯采用斜槽式结构，可将推力波动进一步限制在2％以内，但其平均推力也略有损失，下降为724.1N。

本发明的电机的典型应用可以包括但不限于传送系统、伺服系统、轨道交通、抽油机、电磁弹射装置、绘图仪、电梯、波浪能发电系统等，特别适用于需要长定子的场合以减少整机成本。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁通反向型永磁直线电机，其特征在于，包括：

一个动子和一个定子铁芯；

所述动子包括开有多个动子槽的动子铁心(2)、电枢绕组(4)以及永磁体(3)；

所述动子槽开口率在0.5以上，所述电枢绕组(4)设置于所述动子铁心(2)的各个动子槽中，所述永磁体(3)置于所述动子铁芯(2)的齿顶部；

所述定子铁心(1)与所述动子铁心(2)之间存在气隙，且两者可相对移动。

2.根据权利要求1所述的磁通反向型永磁直线电机，其特征在于，所述动子齿顶开有槽，用于放置所述永磁体(3)，且所述永磁体(3)的充磁方向一致。

3.根据权利要求1或2所述的磁通反向型永磁直线电机，其特征在于，所述动子槽开口率为0.625。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁通反向型永磁直线电机，其特征在于，动子齿数n_m、电枢绕组磁场极对数P_a以及定子铁心齿数n_s之间满足交替极磁通反向电机原理，即：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>|</mo> <mi>i</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;PlusMinus;</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mfrac> <msub> <mi>n</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mi>G</mi> <mi>C</mi> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>3</mn> <mi>k</mi> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中，i表示任意奇数，k表示任意非零自然数，GCD(n_m,P_a)表示动子齿数与电枢绕组磁场极对数的最大公约数。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁通反向型永磁直线电机，其特征在于，所述磁通反向型永磁直线电机还包括两个动子，各动子排布于同一直线上，两个相邻的动子由非导磁材料连接，各动子的每相电枢绕组对称布置，并将动子依次记为第I个动子，第II个动子，第III个动子。

6.根据权利要求5所述的磁通反向型永磁直线电机，其特征于，当第II个动子中A相绕组的位置是第I个动子中C相所在的位置，第III个动子中的A相绕组的位置是第I个动子中的B相绕组所在的位置时，非导磁材料的宽度x由下式给出：

且x>0

其中，L为三个动子总长度，n_s为一个动子长度内所对应的定子齿数，n_m为一个动子长度内所对应的动子齿数，m为两个相邻动子上绕置相同相电枢绕组的距离，k为非零自然数。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的磁通反向型永磁直线电机，其特征在于，所述电枢绕组(4)可以为分布式绕组，也可以为集中式绕组。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的磁通反向型永磁直线电机，其特征在于，所述动子铁芯(2)采用斜槽式结构。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的磁通反向型永磁直线电机，其特征在于，所述定子铁芯(1)由导磁材料叠片而制成的整体结构。

10.一种如权利要求1至9中任一项所述的磁通反向型永磁直线电机的应用。