CN108365730A - 一种动态纵向端部效应削弱的短初级直线电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态纵向端部效应削弱的短初级直线电机，包括：初级铁芯、绕于初级铁芯上的绕组及次级；初级铁芯端部绕组为满槽结构，位于初级铁芯端部的齿的长度小于位于初级铁芯中部的齿的长度，且位于初级铁芯端部的靠近初级铁芯中部的齿的长度不小于位于初级铁芯端部的远离初级铁芯中部的齿的长度。由于短初级的入端和出端部分齿的规律削短，对应的端部电磁气隙规律增大，使得直线电机在运动时初级入端和出端的磁场变化强度减弱，初级端部磁场畸变程度减轻，进而减小动态纵向端部效应产生的附加损耗和电磁阻力，实现增大输出推力、提高牵引效率、降低推力脉动的目的。

Description

一种动态纵向端部效应削弱的短初级直线电机
技术领域
本发明属于直线电机领域，更具体地，涉及一种动态纵向端部效应削弱的短初级直线电机。
背景技术
短初级直线电机由于结构简单、噪音小、牵引力大、维护方便以及较长初级直线电机运行成本较低等优点，在许多工业领域都用应用，特别是在轨道交通中得到了广泛的应用，采用该直线电机驱动的列车较旋转电机驱动的列车具有以下优点：(1)系统整体能耗低；(2)列车转弯半径小；(3)爬坡能力强；(4)列车所需隧道高度小，造价较低；(5)列车加速快，运行噪音小等。然而，直线电机也存在其缺点，由于直线电机初级铁芯断开，就必然存在端部效应，其中动态纵向端部效应尤为突出，这会导致初级端部磁场畸变，形成附加损耗和电磁阻力，使得控制更加复杂，且动态纵向端部效应随速度的增加而增加，因此削弱短初级直线电机动态纵向端部效应对于短初级直线电机的工业应用意义重大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种动态纵向端部效应削弱的短初级直线电机，旨在解决现有的直线电机由于初级铁芯断开引起动态纵向端部效应，导致电机输出性能降低的技术问题。
本发明在端部绕组为满槽的短初级直线电机的基础上，通过有规律地削短初级端部的部分齿以增大初级端部的电磁气隙，达到削弱短初级直线电机的动态纵向端部效应的目的，提高直线电机的输出推力、牵引效率，减小推力脉动，进而可以增加短初级直线电机的推力密度，同时也能满足加工工艺要求。
为实现上述目的，本发明提供了动态纵向端部效应削弱的短初级直线电机，包括：
初级铁芯、绕于初级铁芯上的绕组及次级；初级铁芯端部绕组为满槽结构，位于初级铁芯端部的齿的长度小于位于初级铁芯中部的齿的长度，且位于初级铁芯端部的靠近初级铁芯中部的齿的长度不小于位于初级铁芯端部的远离初级铁芯中部的齿的长度。
进一步地，初级铁芯端部的齿的长度从初级铁芯中部向初级铁芯端部以线性规律逐渐缩短。
进一步地，初级铁芯端部的齿的长度从初级铁芯中部向初级铁芯端部以阶梯状规律逐渐缩短。
进一步地，初级铁芯端部的齿的长度从初级铁芯中部向初级铁芯端部以矩形状规律逐渐缩短。
进一步地，初级铁芯端部的齿的长度从初级铁芯中部向初级铁芯端部以抛物线规律逐渐缩短。
进一步地，短初级铁芯一般采用冲片结构，这样使得削减短初级铁芯端部齿更容易实现。
进一步地，次级包括次级感应板和位于次级感应板下方的次级背板。
进一步地，次级为变磁阻板、直流励磁系统或永磁体励磁系统。
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，能够取得下列有益效果：
1、本发明所提出的技术方案与未采用该方案的端部绕组为满槽短初级直线电机相比，由于短初级的入端和出端部分齿的规律削短，对应的端部电磁气隙规律增大，使得直线电机在运动时初级入端和出端的磁场变化强度减弱，初级端部磁场畸变程度减轻，进而减小动态纵向端部效应产生的附加损耗和电磁阻力，实现增大输出推力、提高牵引效率、降低推力脉动的目的。
2、为降低初级铁芯损耗，初级铁芯一般采用冲片叠压而成，短初级直线电机的冲片结构简单，对单冲片进行端部齿削短工艺比较简单，易于实现。
3、本发明提供的短初级直线电机应用于短初级直线感应电机效果明显，且短初级直线感应电机在较高速度和较小滑差频率运行时效果更明显。
附图说明
图1为本发明提供的端部绕组为满槽的短初级直线感应电机的三维结构图；
图2为本发明一实施例提供的动态纵向端部效应削弱的短初级直线电机的结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的动态纵向端部效应削弱的短初级直线电机的结构示意图；
图4为本发明又一实施例提供的动态纵向端部效应削弱的短初级直线电机的结构示意图；
图5为本发明提供的端部绕组为满槽的短初级直线同步电机的三维结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。
如图1所示，本发明主要是针对端部绕组为满槽的短初级直线感应电机进行改进，该直线电机包括初级铁芯1、绕组2、次级感应板4和次级背板3组成，绕组2绕于初级铁芯1的上部，次级感应板4位于次级背板3上方，位于初级铁芯1端部的绕组2为满槽结构。
如图2所示，为本发明提供的一个实施例的结构示意图，以三相24槽，两端各削短2个齿为例，由于该发明涉及的主要是初级铁芯，直线电机的其余部分不再说明。初级铁芯端部齿线性削短，即位于初级铁芯中部的齿长度保持不变，位于初级铁芯一端部的靠近初级铁芯中部的齿51的长度大于位于初级铁芯该端部的靠近初级铁芯端部的齿52的长度，位于初级铁芯一端部的靠近初级铁芯中部的齿52的长度大于位于初级铁芯该端部的靠近初级铁芯端部的齿53的长度，每个齿的长度呈线性变化，相邻齿的长度也呈线性变化。位于初级铁芯另一端部的齿也呈线性削短。
为实现上述短初级直线电机的结构设计，按照如下方法设计：
首先根据实际需要及直线感应电机设计流程初步设计出端部绕组为满槽的短初级直线感应电机，其初级铁芯齿长度为设计值；
然后采用有限元法对初级铁芯端部齿的削减长度起始值及削减斜率进行优化，以削减长度起始值和削减斜率为自变量，根据直线感应电机的具体尺寸选取合适的取值范围，以直线感应电机输出推力和推力脉动为目标函数，以输出推力最大值和推力脉动最小值为优化目标，得到最优的削减长度起始值和削减斜率；
然后根据有限元优化出来的削减长度起始值、削减斜率及初级铁芯齿长度对初级铁芯冲片进行加工；
最后将加工出来的冲片叠压成所需厚度的初级铁芯。
如图3所示，为本发明提供的另一个实施例的结构示意图，以三相24槽，两端各削短2个齿为例，初级铁芯端部齿呈阶梯削减规律削短，即位于初级铁芯端部每个齿的长度保持不变，位于初级铁芯端部相邻齿的长度呈阶梯状变化，该电机的设计方法同初级铁芯端部呈线性规律削短的电机设计方法相同，只需将优化自变量改为削齿长度的初始值和两个相邻齿的递减值即可。
如图4所示，为本发明提供的又一个实施例的结构示意图，以三相24槽，两端各削短2个齿为例，初级铁芯端部齿呈矩形削减规律削短，即位于初级铁芯端部每个齿的长度保持不变，位于初级铁芯端部相邻齿的长度也保持不变，该电机的设计方法同初级铁芯端部呈线性规律削短的电机设计方法相同，只需将优化自变量改为齿的削减长度即可。
本发明提供的实施例中，初级铁芯端部齿呈抛物线规律削短，即位于初级铁芯一端部的靠近初级铁芯中部的齿的长度大于位于初级铁芯该端部的靠近初级铁芯端部的齿的长度，且每个齿的长度呈抛物线变化，相邻齿的长度也呈抛物线变化。
本发明提供的短初级直线电机，在规律增加端部绕组为满槽的短初级直线电机两端的电磁气隙时，保持初级中间其余部分的电磁气隙不变，这种端部气隙的规律增加可以通过等值削减初级铁芯端部的部分齿，也可以是由某个削减值线性或非线性地减小到零来实现。
本发明提供的短初级直线电机，是端部绕组为满槽的短初级直线电机，能充分利用初级铁芯的槽空间，且端部电磁气隙调整更灵活、便与优化。
本发明提供的短初级直线电机，也可以应用于直线同步电机，如图5所示的次级为变磁阻板的端部绕组为满槽的短初级直线同步电机，该电机包括初级铁芯1、绕组2和变磁阻板3，绕组绕于初级铁芯1上，且初级铁芯端部的绕组为满槽结构。初级铁芯1中部的齿的长度保持不变，初级铁芯1两端的齿长度从初级铁芯1中部往初级铁芯1两端依次缩短。次级变磁阻板3还可以为直流励磁系统或永磁体励磁系统。直流励磁系统包括次级铁芯和绕组次级铁芯上的绕组；永磁体励磁系统包括导磁板和位于导磁板上间隔布置的多个永磁体。
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理上所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种动态纵向端部效应削弱的短初级直线电机，其特征在于，包括：
初级铁芯、绕于初级铁芯上的绕组及次级；初级铁芯端部绕组为满槽结构，位于初级铁芯端部的齿的长度小于位于初级铁芯中部的齿的长度，且位于初级铁芯端部的靠近初级铁芯中部的齿的长度不小于位于初级铁芯端部的远离初级铁芯中部的齿的长度。
2.如权利要求1所述的短初级直线电机，其特征在于，初级铁芯端部的齿的长度从初级铁芯中部向初级铁芯端部以线性规律逐渐缩短。
3.如权利要求1所述的短初级直线电机，其特征在于，初级铁芯端部的齿的长度从初级铁芯中部向初级铁芯端部以阶梯状规律逐渐缩短。
4.如权利要求1所述的短初级直线电机，其特征在于，初级铁芯端部的齿的长度从初级铁芯中部向初级铁芯端部以矩形状规律逐渐缩短。
5.如权利要求1所述的短初级直线电机，其特征在于，初级铁芯端部的齿的长度从初级铁芯中部向初级铁芯端部以抛物线规律逐渐缩短。
6.如权利要求1至5任一项所述的短初级直线电机，其特征在于，初级铁芯采用冲片结构。
7.如权利要求1至6任一项所述的短初级直线电机，其特征在于，次级包括次级感应板和位于次级感应板下方的次级背板。
8.如权利要求1至6任一项所述的短初级直线电机，其特征在于，次级为变磁阻板、直流励磁系统或永磁体励磁系统。
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