CN107134909B - 一种永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构，包括永磁体、导磁铁芯齿、直流励磁绕组和导磁铁芯背轭。对于单边平板型结构，导磁铁芯背轭表面上设置交替排列的单极性永磁体和铁芯齿。永磁体与铁芯齿之间存在空槽，直流励磁绕组绕制在铁芯齿上置于槽中，形成混合励磁磁极结构。将两组单边平板型结构设置在导磁铁芯背轭上下表面构成双边平板型结构，同组的永磁体极性相同。上下表面两组永磁体‑铁芯齿阵列，永磁体充磁方向不同，相对位置不同，构成的磁路结构不同。本发明新型混合励磁磁极结构，永磁体用量比传统永磁同步直线电机磁极结构减少一半，但是推力可以达到其90%以上，有效地解决了永磁同步电机永磁体用量大带来成本高的问题。

Description

一种永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构

技术领域

本发明涉及一种永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构，属于混合励磁永磁电机技术领域。

背景技术

直线电机传动技术的特点是省去中间复杂传动结构，永磁电机的特点是功率密度高、体积小和质量轻，永磁同步直线电机兼具二者的优点，其应用领域逐渐扩大。但是在长次级永磁直线电机中，永磁体用量大使得电机的成本增加，因此需要改进其磁极结构，提高永磁体的利用率和增大电机的推力密度。并且永磁电机存在气隙磁场难以调节的缺点，在一定程度上限制了永磁电机的广泛应用，研究和解决永磁电机磁场调节问题，对于永磁电机性能的提高和广泛推广具有重要意义。

混合励磁永磁电机结合了电励磁电机调磁方便以及永磁电机高功率密度和高效率等优点，成为电机领域中的一个研究热点，大量研究围绕其开展，并取得许多研究成果，提出了许多混合励磁永磁电机方案。混合励磁永磁电机根据永磁磁势和电励磁磁势构成的磁路分为三类：串联磁路、并联磁路和混联磁路。串联磁路混合励磁永磁电机，其永磁磁势和电励磁磁势在磁路上呈串联关系。并联磁路混合励磁永磁电机，其永磁磁势和电励磁磁势在磁路上呈并联关系。并联磁路结构便于实现电机的增磁和弱磁运行。混联磁路混合励磁永磁电机的永磁磁势和电励磁磁势在磁路上既有串联关系又有并联关系。常见的混合励磁直线电机的结构有互补型磁通切换混合励磁直线电机、混合励磁型双凸极结构直线电机、使用Halbach永磁体的混合励磁式直线同步电机、轭部双绕组混合励磁永磁直线发电机和切向充磁的磁通反向混合励磁直线电机等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构，解决了现有永磁同步直线电机推力密度低、永磁体用量大成本高和气隙磁场难以调节的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构，所述混合励磁磁极结构为单边平板型结构，包括单极性永磁体、导磁铁芯齿、直流励磁绕组以及导磁铁芯背轭；所述导磁铁芯背轭的其中一个表面上设置有单极性永磁体和导磁铁芯齿，并且单极性永磁体和导磁铁芯齿交替排列，相邻单极性永磁体和导磁铁芯齿之间有空槽，直流励磁绕组绕制在导磁铁芯齿上并置于空槽内，形成混合励磁磁极结构；相邻单极性永磁体和导磁铁芯齿之间的距离为τ，两者按照周期2τ形成阵列，τ为极距，空槽的宽度为t，0≤t≤0.4τ。

一种永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构，所述混合励磁磁极结构为双边平板型结构，包括单极性永磁体、导磁铁芯齿、直流励磁绕组和导磁铁芯背轭；所述导磁铁芯背轭的上下两个表面上均设置有单极性永磁体和导磁铁芯齿，并且每个表面上单极性永磁体和导磁铁芯齿交替排列，相邻单极性永磁体和导磁铁芯齿之间有空槽，直流励磁绕组绕制在导磁铁芯齿上并置于空槽内，形成混合励磁磁极结构；位于同一表面上的单极性永磁体的极性相同，同一表面上相邻单极性永磁体和导磁铁芯齿之间的距离为τ，两者按照周期2τ形成阵列，τ为极距，空槽的宽度为t，0≤t≤0.4τ。

作为本发明的一种优选方案，所述导磁铁芯背轭上下两个表面的单极性永磁体充磁方向相同，相对位置相同，构成串联磁路。

作为本发明的一种优选方案，所述导磁铁芯背轭上下两个表面的单极性永磁体充磁方向相反，相对位置相差180°电角度，构成串联磁路。

作为本发明的一种优选方案，所述导磁铁芯背轭上下两个表面的单极性永磁体充磁方向相反，相对位置相同，构成串联磁路。

作为本发明的一种优选方案，所述导磁铁芯背轭上下两个表面的单极性永磁体充磁方向相同，相对位置相差180°电角度，构成串联磁路。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构，一对极下采用单极性的永磁体和中间导磁铁芯齿形成N-S交替的磁场，较之于传统采用充磁方向相反的两块永磁体结构，永磁体用量减少50％，推力性能仅下降大约20％，推力与永磁体体积之比增大，永磁体利用率提高，电机成本大幅度下降。

2、本发明永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构，采用直流励磁绕组与永磁体-铁芯齿阵列构成混合励磁结构，可以灵活调节电机的气隙磁场，充分利用电机次级的空间结构，当励磁绕组处于增磁状态时，该电机使用50％用量的永磁体，推力可达传统电机的90％以上。

附图说明

图1是本发明实施例一永磁同步直线电机的新型单边平板型混合励磁磁极结构。

图2是本发明实施例一的其中一种空槽拓展结构。

图3是本发明实施例一的另外一种空槽拓展结构。

图4是本发明实施例一的磁力线示意图。

图5是本发明实施例二永磁同步直线电机的新型双边平板型混合励磁磁极结构。

图6是本发明实施例二的串联磁路磁力线示意图。

图7是本发明实施例三永磁同步直线电机的新型双边平板型混合励磁磁极结构。

图8是本发明实施例三的串联磁路磁力线示意图。

图9是本发明实施例四永磁同步直线电机的新型双边平板型混合励磁磁极结构。

图10是本发明实施例四的串联磁路磁力线示意图。

图11是本发明实施例五永磁同步直线电机的新型双边平板型混合励磁磁极结构。

图12是本发明实施例五的串联磁路磁力线示意图。

其中，1-单极性永磁体；2-导磁铁芯齿；3-直流励磁绕组；4-导磁铁芯背轭。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

实施例一：

如图1所示，本实施例为一种永磁同步直线电机的新型单边平板型混合励磁磁极结构，包括单极性永磁体1、导磁铁芯齿2、直流励磁绕组3和导磁铁芯背轭4。对于单边平板型结构，导磁铁芯背轭4表面上设置单极性永磁体1和导磁铁芯齿2，二者交替排列。永磁体1和导磁铁芯齿2之间有空槽，直流励磁绕组3绕制在铁芯齿上置于空槽内，形成混合励磁磁极结构。永磁体1和铁芯齿2之间的距离为τ，二者按照周期2τ形成阵列。空槽的宽度为t，0≤t≤0.4τ。永磁体和铁芯之间空槽的形状和大小可以根据励磁绕组线圈的数量进行调节，如图2、图3所示。该结构采用永磁体、导磁铁芯齿和直流励磁绕组共同构成新型混合励磁磁极结构，较之于传统NS极交替装配的结构，永磁体用量可以减少一半，有效的降低电机的制造成本。

本发明永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构的工作过程和原理如下：

如图4所示，单一充磁方向的永磁体和铁芯齿构成类似传统N-S极闭合磁路，电励磁绕组中通入方向不变的直流电，在永磁同步直线电机中形成通过永磁体、铁芯齿、气隙和背轭的闭合磁路，两个磁路叠加增大气隙磁通，并与电枢绕组匝链，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。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别是：该磁极结构采用双边平板型，将两组单边平板型混合励磁磁极结构设置在导磁铁芯背轭上下表面，同组的永磁体极性相同。两组永磁体-铁芯齿阵列中，永磁体充磁方向不同，相对位置不同，构成的磁路结构不同。

如图5所示，该永磁同步直线电机的新型双边平板型混合励磁磁极结构，两组永磁体-铁芯齿阵列的永磁体，充磁方向相同，相对位置相同，构成如图6所示的串联磁路。励磁绕组绕制在铁芯齿上置于空槽内。

实施例三：

本实施例与实施例二的区别是：如图7所示，该永磁同步直线电机的新型双边平板型混合励磁磁极结构，两组永磁体-铁芯齿阵列的永磁体，充磁方向相反，相对位置相差180°电角度，构成如图8所示的串联磁路。励磁绕组绕制在铁芯齿上置于空槽内。

实施例四：

本实施例与实施例二的区别是：如图9所示，该永磁同步直线电机的新型双边平板型混合励磁磁极结构，两组永磁体-铁芯齿阵列的永磁体，充磁方向相反，相对位置相同，构成如图10所示的串联磁路。励磁绕组采用两种绕制方式，一种是通过纵向的空槽绕制在次级铁芯齿上，一种是通过法向的空槽绕制在次级背轭上。

对于次级铁芯齿宽度较大的电机，当次级背轭厚度较小时，励磁绕组绕制在次级背轭上可以减少绕组线圈用量。

实施例五：

本实施例与实施例二的区别是：如图11所示，该永磁同步直线电机的新型双边平板型混合励磁磁极结构，两组永磁体-铁芯齿阵列的永磁体，充磁方向相同，相对位置相差180°电角度，构成如图12所示的串联磁路。励磁绕组采用两种绕制方式，一种是通过纵向的空槽绕制在次级铁芯齿上，一种是通过法向的空槽绕制在次级背轭上。

对于次级铁芯齿宽度较大的电机，当次级背轭厚度较小时，励磁绕组绕制在次级背轭上可以减少绕组线圈用量。

以上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)

1.一种永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构，所述混合励磁磁极结构为单边平板型结构，其特征在于，包括单极性永磁体、导磁铁芯齿、直流励磁绕组以及导磁铁芯背轭；所述导磁铁芯背轭的其中一个表面上设置有单极性永磁体和导磁铁芯齿，并且单极性永磁体和导磁铁芯齿交替排列，相邻单极性永磁体和导磁铁芯齿之间有空槽，直流励磁绕组绕制在导磁铁芯齿上并置于空槽内，形成混合励磁磁极结构；相邻单极性永磁体右端部和导磁铁芯齿右端部之间的距离为τ，两者按照周期2τ形成阵列，τ为极距，空槽的宽度为t，0≤t≤0.4τ。

2.一种永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构，所述混合励磁磁极结构为双边平板型结构，其特征在于，包括单极性永磁体、导磁铁芯齿、直流励磁绕组和导磁铁芯背轭；所述导磁铁芯背轭的上下两个表面上均设置有单极性永磁体和导磁铁芯齿，并且每个表面上单极性永磁体和导磁铁芯齿交替排列，相邻单极性永磁体和导磁铁芯齿之间有空槽，直流励磁绕组绕制在导磁铁芯齿上并置于空槽内，形成混合励磁磁极结构；位于同一表面上的单极性永磁体的极性相同，同一表面上相邻单极性永磁体右端部和导磁铁芯齿右端部之间的距离为τ，两者按照周期2τ形成阵列，τ为极距，空槽的宽度为t，0≤t≤0.4τ。

3.根据权利要求2所述永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构，其特征在于，所述导磁铁芯背轭上下两个表面的单极性永磁体充磁方向相同，相对位置相同，构成串联磁路。

4.根据权利要求2所述永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构，其特征在于，所述导磁铁芯背轭上下两个表面的单极性永磁体充磁方向相反，相对位置相差180°电角度，构成串联磁路。

5.根据权利要求2所述永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构，其特征在于，所述导磁铁芯背轭上下两个表面的单极性永磁体充磁方向相反，相对位置相同，构成串联磁路。

6.根据权利要求2所述永磁同步直线电机的新型混合励磁磁极结构，其特征在于，所述导磁铁芯背轭上下两个表面的单极性永磁体充磁方向相同，相对位置相差180°电角度，构成串联磁路。