CN107809159A - 一种新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机，属于新型电机设计领域。该电机由定子铁磁环、定子间隔环、定子绕组、动子齿环、动子轴组成；定子铁磁环与定子间隔环依次相间排列；在圆周方向上两个相邻的定子绕组的绕向相反；所有绕组均串联，电机组成了NSNSNS极的磁场；在圆周方向上有2n个齿，n为极对数，相邻的两个齿之间依次错开角度360°/2n。该电机解决了传统纵向磁通开关磁阻直线电机由于磁通路径与电机轴向平行而导致的涡流损耗问题与现有圆筒型横向开关磁阻电机不同定子极数下的平均电磁力最优问题。该电机磁通为横向磁通，涡流损耗小；同时电机具有平均出力大、结构简单、可靠性高等优点，具有重要的工程价值和广阔的应用前景。

Description

一种新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机
技术领域
本发明涉及一种新型电机设计领域，具体涉及到一种开关磁阻直线电机。
背景技术
直线电机已经被越来越多的应用在磁悬浮系统、直接驱动系统、军工等领域。其中开关磁阻直线电机由于其结构简单、坚固、耐用、无永磁材料、定子集中绕组等内在优势，引起了越来越多的关注。传统的单边型开关磁阻直线电机的固有结构导致的较大的法向力使动子与轨道之间产生很大的摩擦力，缩短电机使用寿命。双边型开关磁阻直线电机凭借其对称的定子结构能够减轻这一问题，但是只要存在制造和装配工艺导致的双边气隙不规范，法向力还是无法消除。圆筒型开关磁阻直线电机使用圆筒式定子外壳套筒，只要规范地装配动子轴就能消除径向电磁力。相对于平面型开关磁阻直线电机，圆筒型开关磁阻直线电机有两个固有优势。一是圆筒型定子外壳套筒和圆筒型动子套筒能产生更大的出力体积比，二是圆筒型开关磁阻直线电机在横向上没有缺口，因此磁场将沿着圆周方向有序分布，这意味着圆筒型开关磁阻直线电机的性能不会受到横向端部效应的影响。传统的纵向磁通圆筒型开关磁阻直线电机，由于部分磁通方向与电机轴平行，增大了电机的涡流损耗，此外由于定子动子槽中漏磁较大，使电机电磁出力饱和较快，降低了电机的出力体积比。而现有的横向磁通圆筒型开关磁阻直线电机，缺乏对不同极数与平均出力之间关系的优化，因此可能导致电机出力体积比不高。
发明内容
针对上述技术中存在的问题，本发明提出一种设计合理，容易加工和维护的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机。
为实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机，由定子铁磁环、定子间隔环、定子绕组、动子齿环、动子轴组成。定子铁磁环与定子间隔环依次相间排列，动子齿环套在动子轴上，相邻定子环之间的间隔与相邻动子环之间的间隔相同；在圆周方向上两个相邻的定子绕组的绕向相反；纵向上的所有绕组绕向相同；在圆周方向上有2n个齿，n为极对数；相邻的两个齿之间依次错开角度为360°/2n。
本发明在于，分隔动子齿的间隔套筒为非铁磁材料，以隔离任何可能形成的纵向磁通。
本发明在于，电机有4种可用结构，分别为2极、4极、6极、8极单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机。
本发明在于，4极结构可使用两种绕组绕线方式，一种全分散式绕线，一种运动方向上集中式绕线。
本发明在于，一种新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机功率变换器可以采用不对称半桥功率变换器。
有益效果：
本发明所述的一种新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机，由定子铁磁环、定子间隔环、定子绕组、动子齿环、动子轴组成。定子铁磁环与定子间隔环依次相间排列，动子齿环套在动子轴上，相邻定子环之间的间隔与相邻动子环之间的间隔相同；在圆周方向上两个相邻的定子绕组的绕向相反；纵向上的所有绕组绕向相同。相对于平面型开关磁阻直线电机，圆筒型开关磁阻直线电机圆筒型定子外壳套筒和圆筒型动子套筒能产生更大的出力体积比，同时圆筒型开关磁阻直线电机在横向上没有缺口，电机的性能不会受到横向端部效应的影响。解决了传统纵向磁通开关磁阻直线电机由于磁通路径与电机轴向平行而导致的涡流损耗问题与现有圆筒型横向开关磁阻电机由于定子极数不同导致的平均电磁出力最优化问题。4极结构中所提出的运动方向上集中绕线的方式能够解决分散式绕组绕线槽满率过大的问题，使得电机转配及绕线过程得到简化。该电机磁通为横向磁通，涡流损耗小；同时电机具有平均出力大、结构简单、容易维修、可靠性高等优点，因此具有重要的工程价值和广阔的应用前景。具有良好的工程应用价值和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的6极结构的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机图。
图2是本发明的2极结构的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机图。
图3是本发明的4极结构的全分散式绕线的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机图。
图4是本发明的4极结构的集中式绕线的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机图。
图5是本发明的8极结构的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机图。
图6是本发明的传统圆筒型开关磁阻直线电机图。
图7是本发明的传统圆筒型开关磁阻直线电机和新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机静态出力特性比较图。
图8是本发明的4种不同结构的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机截面图。
图9是本发明的4种不同结构的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机静态出力特性比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
本实施方式的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机由定子铁磁环、定子间隔环、定子绕组、动子齿环、动子轴组成。定子铁磁环与定子间隔环依次相间排列，动子齿环套在动子轴上，相邻定子环之间与动子环之间的间隔相同；在圆周方向上两个相邻的定子绕组的绕向相反；纵向上的所有绕组绕向相同。在圆周方向上有2n个齿，n为极对数；相邻的两个齿之间依次错开角度360°/2n。
本实施案例选用6极结构的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机如图1所示，即n＝3，由公式360°/2n计算得出，圆周方向上相邻两极错开角度为60°。在圆周方向上，相邻绕组绕向相反；在平行于轴的方向上，处于同一平行线上的5个绕组的绕向相同。所有绕组均串联以保证同时通电，因此电机组成了N极-S极-N极-S极-N极-S极的磁场。
本实施方式的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机，绕组通电时，磁通的流通路径如图1所示：从一绕组铁芯的N极流出，经过气隙进入动子齿环，然后经过动子齿和气隙进入圆周上相邻绕组的铁芯中，经过定子铁磁环回到初始绕组的铁芯中。该磁通的流通路径与电机轴的运动方向垂直，可以增加出力，减小电机的涡流损耗。2极型新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机如图2所示，4极分散绕组式新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机如图3所示，4极集中绕组式新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机如图4所示，8极结构的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机如图5所示，其结构、绕组方向、磁通路径均与6极结构类似。
新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机的功率变换器采用不对称半桥式功率变换器，在通电运行过程中，采用普遍应用的CCC控制方式、APC控制方式和电压PWM控制方式实现对新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机电动系统的调速控制。
为了进一步说明上述新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机的优势，引入了传统的纵向磁通圆筒型开关磁阻直线电机做比较，传统的纵向磁通圆筒型开关磁阻直线电机结构及其标注如图6所示，为了使对比更加客观，保证电机的体积相同。图7为新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机与传统的纵向磁通圆筒型开关磁阻直线电机不同转子位置下的静态出力特性比较。两种结构的电机尺寸与出力特性如表1所示。表1表明新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机的静态电磁出力特性比传统的纵向磁通圆筒型开关磁阻直线电机好。
表1两种结构的电机尺寸与出力特性
为了进一步对上述不同极数的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机进行优化，对2极、4极、6极、8极的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机进行比较，4种结构的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机的圆周上的截面如图8所示。为了使对比更加客观，保证电机的体积相同。图9为4种不同结构的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机不同转子位置下的静态出力特性比较。图9表明6极结构的新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机的静态电磁出力特性比其余三种结构更好。

Claims (4)

1.一种新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机，其特征在于：由定子铁磁环(1)、定子间隔环(2)、定子绕组(3)、动子齿环(4)、动子轴(5)组成，五个定子铁磁环(1)被4个间隔环(2)所分开，动子的运动将会穿过定子环(1)与间隔环(2)形成的内部管状空间，分隔动子齿(4)的间隔套筒为非铁磁材料，此种电机存在四种结构，分别为2极、4极、6极、8极，其中4极结构可使用两种绕组绕线方式，一种全分散式绕线，一种运动方向上集中式绕线。
2.根据权利要求1所述的一种新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机，其特征在于：五个定子铁磁环(1)被4个间隔环(2)所分开，动子的运动将会穿过定子环(1)与间隔环(2)形成的内部管状空间，在圆周方向上绕组(3)产生的磁通为横向磁通。
3.根据权利要求1所述的一种新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机，其特征在于：分隔动子齿(4)的间隔套筒为非铁磁材料，以隔离任何可能形成的纵向磁通。
4.根据权利要求1所述的一种新型单相圆筒型横向磁通开关磁阻直线电机，其特征在于：此种电机的四种结构，分别为2极、4极、6极、8极，其中4极结构可使用两种绕组绕线方式，一种全分散式绕线，一种运动方向上集中式绕线。其余3种结构均只使用分散式绕组结构。
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