CN107086755A - 独立绕组模块化永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种独立绕组模块化永磁直线电机，属电机技术领域。它包括初级组件、次级组件和气隙。初级组件包括电枢绕组、初级铁心和永磁体结构。初级铁心内部开大槽，槽内设置电枢绕组。初级铁心面向气隙内轭上开小槽，小槽的宽度为τ(τ为极距)，小槽内安装永磁体或导磁铁心。每相单个有效线圈的正负绕组设置在相邻的两个大槽内，并绕制在第一齿上。不同相绕组之间的齿为第二齿。次级组件由导磁的次级铁心及间隙组成。初级组件和次级组件之间形成气隙。该电机采用独立绕组模块化大齿槽结构设计，减小偶数次谐波以减小推力波动，同时缩短绕组端部长度，提高绕组利用率。

Description

独立绕组模块化永磁直线电机

技术领域

本发明属电机领域，特别涉及到一种独立绕组模块化永磁直线电机。

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，大部分工业应用中直线电机系统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，存在几个特点：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。此外，直线电机常用于高精度直线运动控制场合，直线电机端部效应、齿槽效应及反电势谐波含量大，导致电机的推力波动普遍比较大，从而影响电机的控制性能。

发明内容

本发明为解决现有永磁同步直线电机推力密度低、永磁体用量大及推力波动大问题，提出独立绕组模块化永磁直线电机。

本发明的具体技术方案如下：

独立绕组模块化永磁直线电机，包括初级组件、次级组件和气隙，可以采用板型或者筒型结构。初级组件包括电枢绕组1、初级铁心2和永磁体3。初级铁心2内部开大槽7，槽内设置电枢绕组1，初级铁心2面向气隙的轭部开奇数个小槽8，小槽8的个数为W(W为整数，且≥1)，小槽8的宽度为τ(τ为极距)。小槽8内安装永磁体3或者导磁铁心2-5，永磁体3的充磁方向为垂直于气隙方向。对于三相电机，每相单个有效线圈的正绕组1-1和负绕组1-2设置在相邻的两个大槽内，并绕制在第一齿2-1上，第一齿齿顶2-3的宽度为Kτ(K为整数，且≥1)。W与K需满足条件：两者之和为奇数。不同相绕组之间的齿为第二齿2-2，且第二齿齿顶2-4的宽度为(M±2/3)τ(M为整数)。次级组件为导磁的次级铁心5及间隙组成6。相邻次级铁心之间的距离为2τ，即按照周期为2τ形成阵列。初级组件和次级组件之间形成气隙4。

本发明的进一步设计在于：

独立绕组模块化永磁直线电机的初级铁心上，小槽8内可以均设置永磁体3，永磁体3的充磁方向为垂直于气隙方向，相邻永磁体充磁方向相反，分别为N极永磁体3-1和S极永磁体3-2。

独立绕组模块化永磁直线电机的初级铁心上，小槽8内间隔设置N极永磁体3-1和导磁铁心2-5，间隔安装，每个初级铁心2上设置的所有永磁体充磁方向相同，均为N极永磁体3-1或S极永磁体3-2。

独立绕组模块化永磁直线电机可以设计为每相绕组具有多个(N个)线圈的结构，按照单个线圈结构相同的绕制方法，线圈1正绕组1-1和负绕组1-2绕制在两个相邻的1号大槽7-1和2号大槽7-2内，形成一个有效线圈，同相线圈2的正绕组1-3和负绕组1-4绕制在临近的3号大槽7-3和4号大槽7-4中，依次N个同相线圈绕制在位置相邻的2N个大槽内，同相绕组之间形成相绕组模块化结构，以减小绕组端部长度。同相绕组所在的槽之间均为第一齿2-1结构，第一齿齿顶2-3的宽度均为Kτ(K为整数，且≥1)，不同相绕组之间的齿为第二齿2-2，第二齿齿顶2-4的宽度为(M±2/3)τ(M为整数)。

独立绕组模块化永磁直线电机，可以采用双初级结构，电机采用双初级结构，初级铁心2内设置的N极永磁体3-1与初级铁心9内设置的S极永磁体3-2的充磁方向相反。

本发明的优点是：

1、本发明的独立绕组模块化永磁直线电机，绕组和永磁体均位于初级上，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、本发明的独立绕组模块化永磁直线电机，每相绕组的多个线圈可以设置在一起，有利于减小绕组端部长度，绕组外部接线容易，从而提高绕组利用率；

3、本发明的独立绕组模块化永磁直线电机，次级结构简单，易于加工，采用双初级结构时，理想情况下次级上无单边磁拉力，采用单边结构时，单边磁拉力远小于传统永磁同步直线电机。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、本发明的独立绕组模块化永磁直线电机，初级铁心小槽内可以灵活设置永磁体和导磁铁心，以满足不同应用场合对电机调磁、过载等性能及成本要求；

4、本发明的独立绕组模块化永磁直线电机，可以灵活实现各单元电机及各相绕组模块化设计及应用，从而提高电机的容错和冗余性能。

附图说明

图1为实施方式一双边平板型独立绕组模块化永磁直线电机结构示意图。

图2为A相绕组单元电机结构示意图。

图3为单个初级组件结构示意图。

图4为次级组件结构示意图。

图5为实施方式二单个大槽下永磁体块数为奇数时电机结构示意图。

图6为实施方式二单相单元电机结构示意图。

图7为实施方式三单个大槽下永磁体块数为偶数时电机结构示意图。

图8为实施方式四单个大槽下仅设置单个小槽，小槽内安装永磁体电机结构示意图。

图9为实施方式五每相绕组具有多个线圈的独立绕组模块化永磁直线电机结构示意图

图10为实施方式六单边平板型独立绕组模块化永磁直线电机结构示意图。

图11为实施方式七圆筒型独立绕组模块化永磁直线电机结构示意图。

图中，1-电枢绕组；1-1：线圈1正绕组；1-1：线圈1负绕组；1-3：线圈2正绕组；1-4：线圈2负绕组；2：初级铁心；2-1：第一齿；2-2：第二齿；2-3：第一齿齿顶；2-4：第二齿齿顶；2-5：导磁铁心；3：永磁体；3-1：N极永磁体；3-1：S极永磁体；4：气隙；5：次级铁心；6：次级间隙；7：大槽；7-1：1号大槽；7-2：3号大槽；7-3：3号大槽；7-4：4号大槽；8：小槽；9：另一初级铁心；10：环形永磁体；11：环形导磁铁心；12：非导磁轴。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明

实施方式一：

如图1、2、3、4所示，本实施例为双边平板型独立绕组模块化永磁直线电机。它包括两个初级组件、一个次级组件和两个气隙。单个初级组件包括电枢绕组1、初级铁心2和永磁体3。初级铁心2内部开大槽7，槽内设置电枢绕组1，初级铁心2面向气隙的轭部小槽8，小槽8的个数为W(W为整数，且≥1)，小槽8的宽度为τ(τ为极距)。小槽8内安装永磁体3或者导磁铁心2-5，永磁体3的充磁方向为垂直于气隙方向。对于三相电机，每相单个有效线圈的正绕组1-1和负绕组1-2设置在相邻的两个大槽内，并绕制在第一齿2-1上，第一齿齿顶2-3的宽度为Kτ(K为整数，且≥1)。W与K需满足条件：两者之和为奇数。不同相绕组之间的齿为第二齿2-2，且第二齿齿顶2-4的宽度为(M±2/3)τ(M为整数)。次级组件为导磁的次级铁心5及间隙组成6。相邻次级铁心之间的距离为2τ，即按照周期为2τ形成阵列。初级组件和次级组件之间形成气隙4。

该电机每个大槽7所对应的小槽8内均设置为永磁体，永磁体3的充磁方向为垂直于气隙方向，相邻永磁体N极永磁体3-1和S极永磁体3-2的充磁方向相反。两个初级上相对的两块永磁体充磁方向需相反，分别设置为N极永磁体3-1和S极永磁体3-2。采用这种结构，永磁体用量稍多，利于提高电机的输出推力及抗去磁能力。

本发明的独立绕组模块化永磁直线电机的工作过程和原理如下：

通过设置同相绕组之间第一齿齿顶2-3的宽度为Kτ(K为奇数，τ为极距)，确保同相线圈同相位，且削弱气隙磁场及反电势中偶数次谐波影响。通过设置不同相绕组之间第二齿齿顶2-4的宽度为(M±2/3)τ(M为整数)，使三相绕组对应线圈之间电角度互差120°电角度。初级永磁体发出的磁通，经气隙4、次级铁心5、初级铁心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中产生感应电势，通入三相对称电流，即输出电磁推力。

实施方式二：

如图5、6所示，本实施例与实施例一的区别是：该电机每个大槽7所对应的小槽8内设置导磁铁心2-5和永磁体3，永磁体3和导磁铁心2-5间隔安装，单个初级上所有永磁体3-1的充磁方向均相同。单个大槽7下永磁体3的块数为奇数，导磁铁心2-5的块数为偶数。两个初级上相对的两块永磁体充磁方向需相反，即一个初级上所有永磁体均为N极永磁体3-1，另一个初级上所有永磁体均为S极永磁体3-2。

采用这种结构，永磁体的用量减半，但是推力下降很小，因此可以大幅度降低永磁体成本。同时永磁体安装工艺较之于实施方式一更简单。

实施方式三：

如图7所示，本实施例与实施例一、二的区别是：单个大槽7下永磁体3的块数为偶数，导磁铁心2-5的块数为奇数。单个初级上所有永磁体3的充磁方向均相同，两个初级上相对的两块永磁体充磁方向需相反。

实施方式四：

如图8所示，本实施例与实施例一、二、三的区别是：该电机每个大槽7下设置一个小槽8，大槽8内设置永磁体3，单个初级铁心2上所有永磁体3的充磁方向均相同，为N极永磁体3-1，另一初级铁心9上的永磁体的充磁方向均相同，为S极永磁体3-2。

采用这种结构，永磁体用量很少，绕组电流起到增磁效果明显。该结构适用于恒定负载工况，有利于降低成本。同时永磁体装配工艺更加简单。

实施方式五：

如图9所示，本实施例与实施例一、二、三、四的区别是：独立绕组模块化永磁直线电机设计为每相绕组具有多个(N个)线圈的结构，按照单个线圈结构相同的绕制方法，线圈1正绕组1-1和负绕组1-2绕制在两个相邻的1号大槽7-1和2号大槽7-2内，形成一个有效线圈，同相线圈2的正绕组1-3和负绕组1-4绕制在临近的3号大槽7-3和4号大槽7-4中，依次N个同相线圈绕制在位置相邻的2N个大槽内，同相绕组之间形成相绕组模块化结构，以减小绕组端部长度。同相绕组所在的槽之间均为第一齿2-1结构，第一齿齿顶2-3的宽度均为Kτ(K为奇数)，不同相绕组之间的齿为第二齿2-2，第二齿齿顶2-4的宽度为(M±2/3)τ(M为整数)。该结构使同相多个线圈设置在相邻的槽内，绕组端部长度得以最小化，同时绕组连接简单，各相绕组之间完全模块化，从而利于提高电机的容错和可靠性能。

实施方式六：

如图10所示，本实施例与实施例一、二、三、四、五的区别是：电机采用单边平板型结构，它包括一个初级组件、一个次级组件和一个气隙。位于初级上的所有永磁体3的充磁方向均相同，为垂直于气隙方向。

实施方式七：

如图11所示，本实施例与实施例一、二、三、四、五、六的区别是：电机采用圆筒型结构的电机，位于初级上的环形永磁体10的充磁方向相同，为垂直于气隙，指向半径方向，环形导磁铁心11套装在非导磁轴12上。

Claims (5)

1.独立绕组模块化永磁直线电机，包括初级组件、次级组件和气隙，可以采用板型或者筒型结构。初级组件包括电枢绕组1、初级铁心2和永磁体3。初级铁心2内部开大槽7，槽内设置电枢绕组1，初级铁心2面向气隙的轭部开小槽8，小槽8的个数为W(W为整数，且≥1)，小槽8的宽度为τ(τ为极距)。小槽8内安装永磁体3或导磁铁心2-5，永磁体3的充磁方向为垂直于气隙方向。对于三相电机，每相单个有效线圈的正绕组1-1和负绕组1-2设置在相邻的两个大槽内，并绕制在第一齿2-1上，第一齿齿顶2-3的宽度为Kτ(K为整数，且≥1)。W与K需满足条件：两者之和为奇数。不同相绕组之间的齿为第二齿2-2，且第二齿齿顶2-4的宽度为(M±2/3)τ(M为整数)。次级组件为导磁的次级铁心5及间隙组成6。相邻次级铁心之间的距离为2τ，即按照周期为2τ形成阵列。初级组件和次级组件之间形成气隙4。

2.根据权利要求1所述的独立绕组模块化永磁直线电机，其特征在于，小槽8内均设置永磁体3，永磁体3的充磁方向为垂直于气隙方向，相邻永磁体充磁方向相反，分别为N极永磁体3-1和S极永磁体3-2。

3.根据权利要求1所述的独立绕组模块化永磁直线电机，其特征在于，小槽8内间隔设置N极永磁体3-1和导磁铁心2-5，间隔安装，每个初级铁心2上设置的所有永磁体充磁方向相同，均为N极永磁体3-1或S极永磁体3-2。

4.根据权利要求2或3任一权利要求所述的独立绕组模块化永磁直线电机，其特征在于，每相绕组具有多个(N个，N≥1)线圈的结构，按照单个线圈结构相同的绕制方法，线圈1正绕组1-1和负绕组1-2绕制在两个相邻的大槽7-1和7-2内，形成一个有效线圈，同相线圈2的正绕组1-3和负绕组1-4绕制在临近的大槽7-3和7-4中，依次N个同相线圈绕制在位置相邻的2N个大槽内，同相绕组之间形成相绕组模块化结构，以减小绕组端部长度。同相绕组所在的槽之间均为第一齿2-1结构，第一齿齿顶2-3的宽度均为Kτ，不同相绕组之间的齿为第二齿2-2，第二齿齿顶2-4的宽度为(M±2/3)τ(M为整数)。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的独立绕组模块化永磁直线电机，其特征在于，电机采用双初级结构，初级铁心2内设置的N极永磁体3-1与初级铁心9内设置的S极永磁体3-2的充磁方向相反。