CN108270338A - 齿槽型双边初级永磁体同步直线电机 - Google Patents

齿槽型双边初级永磁体同步直线电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，包含初级与两个单边次级，初级与两个单边次级之间具有气隙。初级包含m*k*n个基本单元，m为相数，k为一正整数，n为电机单元数。每个基本单元包含两个半H形导磁材料和设置于半H形导磁材料之间的永磁体，相邻基本单元的永磁体充磁方向相反，绕组环绕于基本单元轭部。次级包含齿槽结构的导磁材料，位于初级两边。本发明与现有技术相比，绕组不经过永磁体并且端部更短，具有功率密度高，利于永磁体散热，效率高等优点，适用于轨道驱动等场合。

Description

齿槽型双边初级永磁体同步直线电机
技术领域
本发明涉及的是双边磁通切换永磁电机，属于电机制造技术领域。
背景技术
随着工业的发展，双边直线电机得到广泛的应用。当下，各个领域对驱动电机以及系统的要求越来越高，传统的旋转电机与机械转换装置在一些场合下性能不理想或难以实现，而采用直线电机驱动系统可以降低驱动复杂度、减小系统成本、加快动态响应等。然而单边直线电机的初级与次级之间存在法向力，这对驱动系统带来了一系列问题，采用双边结构可以达到平衡法向力、进一步提高输出功率等效果。在如电磁弹射、垂直升降系统、运输、医用仪器领域等领域，双边直线电机运用广泛。
随着电力电子技术和磁性材料的发展，永磁无刷电机得到广泛的应用。永磁电机具有高效率、高功率密度等优点，其相应的双边直线结构也被广泛研究。传统永磁直线同步电机兼具直线电机与永磁电机的优点。对比感应电机，永磁直线同步电机功率密度高、功率因数高并且具有发电制动功能。但是传统永磁直线同步电机的电枢绕组与永磁体分别置于电机的初级与次级，在例如垂直升降系统、运输等需要长初级或长次级的场合，沿途铺设的永磁体或电枢绕组会造成成本过高、不利于维护、永磁体退磁的问题。
初级永磁体直线电机的电枢绕组与永磁体同时置于初级，次级结构简单。在需要长次级的场合，例如垂直升降系统、运输等领域，初级永磁体直线电机具有易于维护、便于永磁体散热、结构简单的特点。但是初级永磁体直线电机大多采用集中式绕组，存在相绕组节距因数偏低的情况，这使初级永磁体直线电机的功率因数带来了限制，同时绕组跨过永磁体，给永磁体的散热带来了一定影响；采用分布式绕组的初级永磁体直线电机则存在着绕组端部过长带来的一系列问题，如电机效率受影响、绕组设置复杂、给初级的维护带来了一定困难等。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的在于提供一种简化绕组结构、提高电机功率密度和效率的一种双边磁通切换永磁电机。
本发明提供的齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，包括设置于初级11两侧的两单边次级10、初级11和电枢绕组113，所述单边次级10和初级11均为凸极结构，所述次级10与所述初级11之间具有气隙，
根据电机相数、电机单元数及电枢绕组串联个数，所述初级11包括若干个首尾相连的基本单元110，所述基本单元110包括2个半H形导磁材料111以及设置在所述2个半H形材料111之间的永磁体112；每个所述基本单元110包括2个所述电枢绕组113，所述电枢绕组113缠绕在相邻两个基本单元110的导磁材料111形成的初级轭部上；
所述次级10为齿槽结构，包括次级轭部100与次级齿101。
进一步的，所述初级11包括k*m*n个基本单元110，m为电机的相数，k为每个电机单元中同相电枢绕组113串联对数，n为电机单元数；
所述基本单元110中心线间的距离为τp，所述次级10的导磁齿100中心线的距离为τs，所述电枢绕组113的缠绕方式根据以下τp/τs的不同分为三类：
t为非负整数
其中，。
进一步的，当τp/τs属于a类情况时，同一所述初级轭部上的属于相邻两个基本单元110的电枢绕组113绕制方向相反；
同一所述基本单元110内的电枢绕组113绕组绕制方向相反；k个连续基本单元110内的电枢绕组113组成一相绕组，m*k个连续基本单元110构成一个电机单元，n个电机单元构成完整的初级。
进一步的，当τp/τs属于b类情况时，同一所述初级轭部上的属于相邻两个基本单元110的电枢绕组113绕制方向相同；
奇数相时，k/2个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组，偶数相时为k个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组；
其中，某一初级轭部上的电枢绕组(113)与其相邻的一侧电枢绕组(113)的绕制方向相同，与相邻另一侧的电枢绕组(113)的绕制方向相反；m*k个连续基本单元110构成一个电机单元；n个电机单元构成完整的初级。
进一步的，当τp/τs属于c类情况时，同一所述初级轭部上的属于相邻两个基本单元110的电枢绕组113绕制方向相同；
奇数相时，k/2个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组，偶数相时为k个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组，属于同一相绕组的绕制方向相同；
其中，当k＝1或者奇数相且k＝2时，某一初级轭部上的电枢绕组(113)与其相邻的电枢绕组(113)的绕制方向相反；当k大于2时，属于同一相的连续若干个电枢绕组113中的首和尾个与其相邻轭部属于其他相电枢绕组113的绕制方向相反；
m*k个连续基本单元110构成一个电机单元；n个电机单元构成完整的初级。
更进一步的，若所述同一初级轭部上的电枢绕组113为同相绕组并且绕制方向相同，则合并且视为同一个电枢绕组113。
更进一步的，所述电枢绕组113在排列顺序不变的前提下，在所述初级11为循环左移或右移若干单元数的结构。
作为上述电机的一种变形，在最初和最末的基本单元110外附加对应的半H形导磁材料111与永磁体。
本发明提供的齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，主要存在如下优点：
本发明提供的齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，其永磁体与电枢绕组同时置于初级，电枢绕组的端部较短，同相的电枢绕组可以采用高节距因数的分布方式，提高输出功率与效率；同时，电枢绕组与永磁体无交叠，有利于更好地对永磁体进行散热。次级仅由导磁材料构成，结构简单，便于维护。
作为驱动电机时，特别适合长距离，大推力驱动场合，例如垂直起降装置、电磁弹射、运输等领域。作为发电机时，可以通过调整绕组的分布方式，实现某一次谐波地消除或削弱，进而提高输出电压的正弦度，进一步提高功率因数，降低对系统的要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1本发明齿槽型双边初级永磁体同步直线电机实施例1电机结构示意图；
图2实施例1局部绕组分布图；
图3本发明齿槽型双边初级永磁体同步直线电机实施例2电机结构示意图；
图4本发明齿槽型双边初级永磁体同步直线电机实施例3电机结构示意图；
图5本发明齿槽型双边初级永磁体同步直线电机实施例4电机结构示意图；
图6本发明齿槽型双边初级永磁体同步直线电机实施例5电机结构示意图；
其中，10-次级，11-初级，100-次级轭部，101-次级齿，110-基本单元，111-导磁材料，112-永磁体，113-电枢绕组，114-附加导磁材料。
具体实施方式
本发明提供齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，包括设置于初级11两侧的两单边次级10、初级11和电枢绕组113，所述单边次级10和初级11均为凸极结构，所述次级10与所述初级11之间具有气隙，
所述初级11包括若干个首尾相连的基本单元110，所述基本单元110包括2个半H形导磁材料111以及设置在所述2个半H形材料111之间的永磁体112；每个所述基本单元110包括2个所述电枢绕组113，所述电枢绕组113缠绕在相邻两个基本单元110的导磁材料111形成的初级轭部上；所述次级10为齿槽结构，包括次级轭部100与次级齿101。更加具体的说，该种电机初级上基本单元的个数以及对应的绕组的缠绕方式如下所述：
所述初级11包括k*m*n个基本单元110，m为电机的相数，k为每个电机单元中同相电枢绕组113串联对数，n为电机单元数；
所述基本单元110中心线间的距离为τp，所述次级10的导磁齿100中心线的距离为τs，所述电枢绕组113的缠绕方式根据以下τp/τs的不同分为三类：
t为非负整数
其中，。
进一步的，当τp/τs属于a类情况时，同一所述初级轭部上的属于相邻两个基本单元110的电枢绕组113绕制方向相反；
同一所述基本单元110内的电枢绕组113绕组绕制方向相反；k个连续基本单元110内的电枢绕组113组成一相绕组，m*k个连续基本单元110构成一个电机单元，n个电机单元构成完整的初级。
进一步的，当τp/τs属于b类情况时，同一所述初级轭部上的属于相邻两个基本单元110的电枢绕组113绕制方向相同；
奇数相时，k/2个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组，偶数相时为k个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组；
其中，某一初级轭部上的电枢绕组(113)与其相邻的一侧电枢绕组(113)的绕制方向相同，与相邻另一侧的电枢绕组(113)的绕制方向相反；m*k个连续基本单元110构成一个电机单元；n个电机单元构成完整的初级。
进一步的，当τp/τs属于c类情况时，同一所述初级轭部上的属于相邻两个基本单元110的电枢绕组113绕制方向相同；
奇数相时，k/2个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组，偶数相时为k个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组，属于同一相绕组的绕制方向相同；
其中，当k＝1或者奇数相且k＝2时，某一初级轭部上的电枢绕组(113)与其相邻的电枢绕组(113)的绕制方向相反；当k大于2时，属于同一相的连续若干个电枢绕组113中的首和尾个与其相邻轭部属于其他相电枢绕组113的绕制方向相反；
m*k个连续基本单元110构成一个电机单元；n个电机单元构成完整的初级。
更进一步的，若所述同一初级轭部上的电枢绕组113为同相绕组并且绕制方向相同，则合并且视为同一个电枢绕组113。
更进一步的，所述电枢绕组113在排列顺序不变的前提下，在所述初级11为循环左移或右移若干单元数的结构。
实施例1
参见图1，本发明的齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，采用第一类绕组，
本实施例中，m＝3，t＝0，k＝1，n＝4，正负号取正，因此极距比τp/τs定为5/6，即10/12。其中，m为电机的相数，k为每个电机单元中同相电枢绕组113串联对数，n为电机单元数。
本发明的齿槽型双边初级永磁体同步直线电机包括两单边次级10、初级11和电枢绕组113，单边次级10和初级11均为凸极结构，上述次级10与初级11之间具有气隙。本实施例中，m＝3，即本实施例中的电机为三相电机，由A、B、C三相构成。初级11包括k*m*n＝12个基本单元110。上述基本单元110包括2个半H形导磁材料111以及设置在上述2个半H形材料111之间的永磁体112；每个上述基本单元110包括2个上述电枢绕组113，上述电枢绕组113设置在基本单元的槽中并套住初级轭部。上述次级10为导磁材料，上述次级10设置于上述初级11上下两边；上述次级10为齿槽结构，包括次级轭部100与次级齿101。
参见图2，同一上述基本单元110内的电枢绕组113绕制方向相反，k＝1即单个基本单元110内的电枢绕组113独自成为一相绕组，m*k＝3个连续基本单元110构成一个电机单元，n＝4个电机单元构成完整的电机。
本实施例中，相邻两个上述永磁体112采用交替平行充磁。
本实施例中，同一电机单元内同相上述电枢绕组113采用串联连接，各个电机单元内同相上述电枢绕组113采用串联连接控制。
本实例的结构有如下特点：第一，次级10受到双边初级11的法向吸力相互抵消，从而减小系统的摩擦损耗；第二，电枢绕组113不经过永磁体，有利于有磁体散热；第三，次级10由齿槽结构导磁材料构成，结构简单，便于维；第四，基本单元结构简单，组和灵活，便于维护。
实施例2
图3也为一台齿槽型双边初级永磁体同步直线电机。本实施例与实施例2的不同之处在于，本实施例采用第二类绕组，极距比满足
本实施例中m＝3，k＝4，t＝0，n＝1，正负号取负，极距比τp/τs＝11/12。
本实施例中，同一所述初级11槽内的电枢绕组113绕制方向相同，k/2＝2个连续初级槽内的电枢绕组113为同相绕组，其中，相邻槽间电枢绕组113的绕制方向相反；并且相邻相间绕组绕制方向相反；m*k＝12个连续基本单元110构成一个电机单元；
本实例的优点与实施例1类似：双边法向吸力相互抵消，减小系统的摩擦损耗；有利于有磁体散热；第三，次级结构简单，便于维护。
实施例3
图3也为一台齿槽型双边初级永磁体同步直线电机。本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例采用第三类绕组，极距比满足
本实施例中m＝3，k＝4，t＝0，n＝1，正负号取正，极距比τp/τs＝14/24，即τp/τs＝7/12。
本实施例中，同一所述初级11槽内的电枢绕组113绕制方向相同，k/2＝2个连续初级槽内的电枢绕组113为同相绕组，其中，相邻槽间电枢绕组113的绕制方向相同，m*k＝12个连续基本单元110构成一个电机单元；
本实例在平衡法向力，结构简单易于维护的基础上，提高了线圈的节距因数，而线圈端部长度不变化，达到了提高功率密度，提高了效率。
实施例4
图5也为一台齿槽型双边初级永磁体同步直线电机。本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例为四相电机，采用第二类绕组，极距比满足
本实施例中m＝4，k＝1，t＝0，n＝3，正负号取正，极距比τp/τs＝6/8，即τp/τs＝9/12。
本实施例中，同一所述初级11槽内的电枢绕组113绕制方向相同，k＝1即单个初级槽内的电枢绕组113成为一相，m*k＝4个连续基本单元110构成一个电机单元，n＝3个电机单元构成整个电机；
本实例在平衡法向力，结构简单易于维护的基础上，提高了线圈的节距因数，而线圈端部长度不变化，达到了提高功率密度，提高了效率。
实施例5
图6也为一台齿槽型双边初级永磁体同步直线电机。本实施例与实施例2的τp/τs相同，τp/τs＝12/11。两者的不同之处在于，本实施例中，添加了附加齿与永磁体。
本实施例中，添加附加齿的两端槽面积增加为原先的两倍，可以将实施例2中两端的A1合并入同一槽内，因此所需基本单元数减1，需要11个。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，包括设置于初级(11)两侧的两单边次级(10)、初级(11)和电枢绕组(113)，所述单边次级(10)和初级(11)均为凸极结构，所述次级(10)与所述初级(11)之间具有气隙，其特征在于，
根据电机相数、电机单元数及电枢绕组串联个数，所述初级(11)包括若干个首尾相连的基本单元(110)，所述基本单元(110)包括2个半H形导磁材料(111)以及设置在所述2个半H形材料(111)之间的永磁体(112)；每个所述基本单元(110)包括2个所述电枢绕组(113)，所述电枢绕组(113)缠绕在相邻两个基本单元(110)的导磁材料(111)形成的初级轭部上；
所述次级(10)为齿槽结构，包括次级轭部(100)与次级齿(101)。
2.根据权利要求1所述的齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，其特征在于，所述初级(11)包括k*m*n个基本单元(110)，m为电机的相数，k为每个电机单元中同相电枢绕组(113)串联对数，n为电机单元数；
所述基本单元(110)中心线间的距离为τp，所述次级(10)的导磁齿(100)中心线的距离为τs，所述电枢绕组(113)的缠绕方式根据以下τp/τs的不同分为三类：
其中，t为非负整数。
3.根据权利要求2所述的齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，其特征在于，当τp/τs属于a类情况时，同一所述初级轭部上的属于相邻两个基本单元(110)的电枢绕组(113)绕制方向相反；
同一所述基本单元(110)内的电枢绕组(113)绕组绕制方向相反；k个连续基本单元(110)内的电枢绕组(113)组成一相绕组，m*k个连续基本单元(110)构成一个电机单元，n个电机单元构成完整的初级。
4.根据权利要求2所述的齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，其特征在于，当τp/τs属于b类情况时，同一所述初级轭部上的属于相邻两个基本单元(110)的电枢绕组(113)绕制方向相同；
奇数相时，k/2个连续槽内的电枢绕组(113)组成一相绕组，偶数相时为k个连续槽内的电枢绕组(113)组成一相绕组；
其中，某一初级轭部上的电枢绕组(113)与其相邻的一侧电枢绕组(113)的绕制方向相同，与相邻另一侧的电枢绕组(113)的绕制方向相反；m*k个连续基本单元(110)构成一个电机单元；n个电机单元构成完整的初级。
5.根据权利要求2所述的齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，其特征在于，当τp/τs属于c类情况时，同一所述初级轭部上的属于相邻两个基本单元(110)的电枢绕组(113)绕制方向相同；
奇数相时，k/2个连续槽内的电枢绕组(113)组成一相绕组，偶数相时为k个连续槽内的电枢绕组(113)组成一相绕组，属于同一相绕组的绕制方向相同；
其中，当k＝1或者奇数相且k＝2时，某一初级轭部上的电枢绕组(113)与其相邻的电枢绕组(113)的绕制方向相反；当k大于2时，属于同一相的连续若干个电枢绕组(113)中的首和尾个与其相邻轭部属于其他相电枢绕组(113)的绕制方向相反；
m*k个连续基本单元(110)构成一个电机单元；n个电机单元构成完整的初级。
6.根据权利要求4或5所述的齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，其特征在于，若所述同一初级轭部上的电枢绕组(113)为同相绕组并且绕制方向相同，则合并且视为同一个电枢绕组(113)。
7.根据权利要求6所述的齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，其特征在于，
所述电枢绕组(113)在排列顺序不变的前提下，在所述初级(11)为循环左移或右移若干单元数的结构。
8.根据权利要求6所述的齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，其特征在于，在最初和最末的基本单元(110)外附加对应的半H形导磁材料(111)与永磁体。
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