CN108475978B - 模块化管状线性开关磁阻机器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种管状线性开关磁阻机器，所述管状线性开关磁阻机器包括分段变换器(3)和定子(5)，所述分段变换器(3)具有非磁性材料主体(3a)和磁性材料的环形段(3b)，所述环形段(3b)彼此轴向地分离开并且设在所述主体(3a)上，所述环形段(3b)沿着所述主体(3a)的轴向方向(z)分布，所述定子(5)被布置为与所述分段变换器(3)电磁地相互作用，其中所述定子(5)具有多个同轴地布置的环状模块(5a)、以及被布置在每一对后续布置的模块(5a)之间的相应环状非磁性间隔件(5b)。

Description

模块化管状线性开关磁阻机器

技术领域

本公开大体上涉及电气机器。具体地，本公开涉及一种具有模块化定子设计的管状线性开关磁阻机器。

背景技术

占主导地位的现有线性马达拓扑是永磁体或者感应式马达。开关磁阻线性马达并未得到广泛使用，尤其是管状配置。

涉及线性马达的应用需要紧凑的、性价比高的、和高性能的解决方案。此外，多种应用涉及关于总重量、可靠性以及甚至模块性的规范。

Mendes等人在2014年7月2日至3日于英国伦敦召开的2014年世界工程大会(WCE2014)的“世界工程大会议程第I卷”中发表的论文“Identification of some tubulartopologies of linear switched reluctance generator for direct driveapplications in ocean wave energy conversion”公开了用管状拓扑制成的线性开关磁阻发电机的多种结构配置。这些几何结构中的一个几何结构(在论文中称为“模型C”)包括具有铁磁材料制成的环形元件的定子，相应线圈相位位于该定子中。铁磁材料由非磁性间隔件分离开。每个磁极由两个齿形成，这两个齿具有与构成次级或者变换器的突出轮廓的齿相同的尺寸，该次级或者变换器由铁磁材料制成。这些几何结构中的另一个几何结构(称为“模型D”)包括由具有磁性材料段的非磁性材料构成的变换器。

尽管是模块化的，但“模型C”设计相当笨重，这会影响次级可获得的推力。另一方面，“模型D”并不是模块化的。

发明内容

有鉴于此，本公开的目的是提供用于解决或者至少缓解上述问题的管状线性开关磁阻机器。

因此，提供了一种管状线性开关磁阻机器，该管状线性开关磁阻机器包括变换器和定子，该变换器具有非磁性材料主体和磁性材料的环形段，该环形段彼此轴向地分离开并且设在主体上，该环形段沿着主体的轴向方向分布，定子被布置为与变换器电磁地相互作用，其中定子具有多个同轴地布置的环状模块、以及被布置在每一对后续布置的模块之间的相应环状非磁性间隔件。

所提出的配置提供了一种重量减轻和低成本的模块化管状马达配置。机器的质量/重量由于变换器的主体的非磁性性质而明显减小，而定子的分段设计又提供了模块性。由于该配置的模块化特性和变换器中不存在任何类型的激励(即，绕组或者磁体)，所以使得材料、构造和维护成本都减少并且还具有紧凑性。

本管状线性开关磁阻机器表现出高力密度和高峰值推力，明显高于常规线性开关磁阻马达的相应力密度和峰值推力。此外，该设计的模块性还能够基于基本单位电池模块来创建定制方案。例如，如果用恰当宽度的间隔件来取代这些间隔件，则在理论上可以将无限数量的模块添加至定子。

根据一个实施例，主体设有多个轴向等距隔开的周向凹槽，其中每个环形段被布置在相应周向凹槽中。

根据一个实施例，每个模块具有在轴向方向上的定子极距宽度，并且在任一对相邻环形段的中点之间的轴向距离限定出变换器极距宽度，其中定子极距宽度不同于变换器极距宽度。

通过恰当地选择定子极距宽度与变换器极距宽度的比率，可以在形状上恰当地控制推力波形，因而与当定子极距宽度与变换器极距宽度相等时相比，这会增加力密度。

根据一个实施例，每个模块具有两个齿，这两个齿通过周向通道轴向地分离开，其中定子极距宽度由模块的每一对相邻齿的中点之间的轴向距离来限定。

根据一个实施例，定子极距宽度τ_stator小于变换器极距宽度τ_translator。

根据一个实施例，定子极距宽度与变换器极距宽度的比率k_s小于1。

根据一个实施例，环形段的外轴向长度与变换器极距宽度之间的比率k_out小于或等于1。

根据一个实施例，环形段的内轴向长度与变换器极距宽度之间的比率k_in小于比率k_out。

根据一个实施例，比率k_s大于0.6。

根据一个实施例，每个间隔件在轴向方向上的宽度取决于模块数量以及定子极距宽度与变换器极距宽度的比率k_s。

根据一个实施例，每个间隔件的宽度进一步取决于模块的齿的齿宽。

根据一个实施例，每个间隔件的宽度由公式

确定，其中m是模块数量，τ_translator是变换器极距宽度，并且b_s是模块的齿的齿宽。

根据一个实施例，每个模块包括管状磁芯和线圈。

根据一个实施例，管状线性开关磁阻机器是管状线性开关磁阻马达。

根据一个实施例，每个环形段的外表面与主体的外表面齐平。

根据一个实施例，定子被布置为接纳变换器，或者变换器被布置为接纳定子。

通常，权利要求书中所使用的所有术语应根据其在技术领域中的普通含义进行理解，除非本文另有明确定义。对于“一/一个/该(a/an/the)元件、设备、部件、构件等”的所有提及都应开放式地理解为指该元件、设备、部件、构件等的至少一个示例，除非另有明确规定。

附图说明

现在将参照附图通过示例的方式对本发明构思的特定实施例进行描述，在附图中：

图1示意性地描绘了管状线性开关磁阻机器的示例的纵向截面；

图2示意性地示出了图1中的管状线性开关磁阻机器的管状定子的透视图；

图3是管状线性开关磁阻机器的纵向截面；以及

图4示出了当仅仅一个相位被激励时定子极距宽度与变换器极距宽度的不同比率k_s的推力波形。

具体实施方式

下文将参照示出了例示实施例的附图对本发明构思进行更加全面的描述。然而，本发明构思可以体现为许多不同的形式并且不应被理解为局限于本文所述的实施例；相反，这些实施例是通过示例的方式被提供以便使得本公开详尽且完整，并且会将本发明构思的范围全面地传达给本领域的技术人员。在说明书中，相似的附图标记表示相似的元件。

本公开涉及一种管状线性开关磁阻机器(TLSRM)，即，管状线性开关磁阻发电机或者管状线性开关磁阻马达，其包括变换器，该变换器包括非磁性材料圆筒和由磁性材料制成的多个环形段，该多个环形段被嵌入在设在主体的外边缘中的周向凹槽中。环形段的存在提供了针对变换器的相对位置的必要磁阻变化，而不需要变换器的突出几何轮廓。环形段沿着变换器长度分布，各自通常具有相等的轴向延伸。

所提出的配置提供了与常规TLSRM相比具有明显减小的重量和质量的结构，这主要是由于用于变换器主体的材料的非磁性性质，这使得能够提供更轻的推进器。对于变换器的主体，可以使用较轻但在机械上稳健以承受高推力的任何非磁性材料，例如，可以使用塑料或者甚至是泡沫材料，由于与磁性钢相比确实较低的质量密度值，所以这明显减小了电机的重量和成本。

该几何结构不包括通过空气部分分离开的一系列齿，但包括用于提供必要的磁通量通路的一系列磁性材料环形段，这些环形段被嵌入在变换器的非磁性圆柱形主体中。

TLSRM还包括定子，该定子具有相同的相位集或者模块以及在每一对相邻模块之间的非磁性间隔件。每个模块在磁性上是独立的并且包括管状磁芯。模块因此由非磁性间隔件分离开，是导致相应磁路的完整独立性的特征。

参照图1至图3，现在将对管状线性开关磁阻机器的示例进行描述。

图1示出了管状线性开关磁阻机器(TLSRM)1的示例，管状线性开关磁阻机器(TLSRM)包括变换器3和管状定子5，管状电子5被布置为与变换器3电磁地相互作用。根据本示例，管状定子5被布置为接纳变换器3。变换器3被布置为当被布置在定子5的内部时可相对于定子5轴向地移动。在TLSRM 1组装好的状态下，在定子5与变换器3之间存在气隙。

变换器3是分段的和圆柱形的，并且包括由非磁性材料制成的主体3a以及由磁性材料制成的多个轴向分离开的环形段3b。环形段3b轴向地分离开并且沿着其轴向延伸围绕主体3a同轴地分布。因此，环形段3b彼此电磁地隔离。所有环形段3b具有相同的尺寸。

根据本示例，主体3设有周向凹槽7a或者周向沟槽，周向凹槽7a或者周向沟槽沿着主体3a的整个圆周延伸并且沿着主体3a的纵向延伸被分布。在每个周向凹槽7a之间，主体3a具有与相邻周向凹槽7a相隔一段距离的周向外表面7b。相邻环形段3b因而彼此物理地分离开，因而在相邻环形段3b之间提供电磁隔离。周向凹槽7a是平行的并且围绕TLSRM 1的中心轴线z同轴。每个环形段3b被布置在相应周向凹槽7a中。每个环形段3b的外表面3c被布置为与主体3a的外表面7b齐平。这样，变换器3获得其圆柱形非突出形状。

管状定子5包括多个同轴布置的环形模块或者定子模块5a以及间隔件5b，如在图1和图2中示出的。每个间隔件5b是环形的并且被布置在相应两个相邻模块5a之间。模块5a和间隔件5b因此交替布置。每个模块5a包括管状磁芯5c。每个间隔件5b由非磁性材料制成。模块5a等距地间隔开，即，所有间隔件5b具有相同的轴向宽度。

在典型变型例中，环形段3b的数量不是模块5a的数量的整数倍。

每个模块5a此外具有两个齿9，其中内周向通道11或者背铁轴向地形成在其间。在截面中，每个模块因此具有C型形状。每个模块5a此外包括被布置在两个齿9之间的空间中(即，在周向通道11中)的相应线圈5d。例如，每个模块5a可以包括C型管状磁芯和线轴型或者盘型线圈。可替代地，每个模块的磁性电路可以由两个盘和一个环形成，而不是由C型管状磁芯形成。

根据一个变型例，每一对模块5a和线圈5d限定出不同的电气相位。

管状定子5是模块化的，这是由于其长度在制造期间是通过特定应用所需要的模块和间隔件的数量来确定。在TLSRM 1是管状线性开关磁阻马达的情况下，为了增加力密度，可以采用添加定子模块。

变换器3的长度由机械行程长度的规格来限定。

定子配置提供的最显著的优点是磁性电路的独立性和模块性。从该意义上讲，理论上可以在定子中添加无限数量的独立模块，并且假定对非磁性分离件的宽度进行了恰当地调节，以便产生具有最小波纹的力波形。

现在看图3，示出了沿着TLSRM 1的变型例的对称线13的一半的纵向截面。为了在TLSRM 1的工作时获得更高和更加对称的推力，定子5的定子极距宽度τ_stator被设计为不同于变换器3的变换器极距宽度τ_translator。

定子极距宽τ_stator被限定在TLSRM 1的纵向方向上，即，在轴向方向z上。变换器极距宽度τ_translator也被限定在TLSRM 1的纵向方向上，即，在轴向方向z上。尤其，定子极距宽度τ_stator由模块5a的两个齿9的中心(即，中点)之间的轴向距离限定。变换器极距宽度τ_translator由尤其是沿着变换器3的外表面的两个相邻或者连续环形段3b的中心(即，中点)之间的轴向距离限定。

优选地，定子极距宽度τ_stator小于变换器极距宽度τ_translator。与管状定子5和变换器具有相同极距宽度的情况相比，这会确保更高的推力和更加对称的推力波形。因此，定子极距宽度与变换器极距宽度的比率k_s＝τ_stator/τ_translator应该优选地小于1。通常，比率的确切大小取决于TLSRM 1的额定值和大小。对于某些设计，本发明人已经发现当比率k_s低于0.9时能够获得最高的推力峰值和最对称的推力波形。如果比率ks小于0.9，甚至更加优选地小于0.85，例如，0.8或者0.78，则这可能是尤其有利的。根据一个变型例，比率k_s可以为至少0.6，例如，大于0.6，诸如，0.65。间隔件5b的轴向宽度d由所使用的模块5a的数量和比率k_s的值确定，并且电磁地等效于相位电感变化的周期除以模块数量。模块5a的引入会使磁通量通路的长度减小并且可能产生高对齐电感。电感实际上还取决于在发生最小电感的完全未对齐位置中的电流值。此外，在发生最大电感的完全对齐位置中，电感很受激励相位电流的大小的影响。当定子齿刚刚开始与变换器3的环形段3b重叠时会产生最大推力。该重叠在模块5a的齿9与环形段之间提供确实较窄的磁通量路径，这会引起高正向力值的产生，因为定子5会朝着变换器3移动的方向吸引变换。

对于给定数量m的模块5a，间隔件5b的轴向宽度d是基于比率k_s的值来确定。通常，当设计TLSRM 1时，间隔件5b的宽度d是基于比率k_s的值和模块5a的数量m来确定。间隔件5b的宽度d此外取决于齿宽b_s，即，齿9的轴向长度。给定比率k_s，用于确定间隔件5b的轴向宽度d的解析公式是通过如下等式来确定。

其中τ_translator是变换器极距，其是由从环形段3b的第一轴向端至相邻环形段3b的对应第一轴向端的距离或者如先前所提到的等效地由两个相邻或者连续环形段3b的中心之间的轴向距离限定。

会影响推力的其它参数是：环形段3b的外轴向长度W₂与变换器极距宽度τ_translator之间的比率k_out，以及环形段3b的内轴向长度W₁与变换器极距宽度τ_translator之间的比率k_in。根据一个变型例，环形段3b的外轴向长度W₂与变换器极距宽度τ_translator之间的比率k_out小于或等于1，即，

此外，根据一个变型例，环形段3b的内轴向长度W₁与变换器极距宽度τ_translator之间的比率k_in小于比率k_out，即，

每个环形段3b的纵向截面形状因此优选地被设计为使得外轴向长度W₂长于环形段3b的内轴向长度W₁。例如，环形段3b可以具有梯形形状的纵向截面，如在图1和图3中示出的。然后，也可设想环形段的其它纵向截面形状，例如，圆内接四边形形状或者椭圆形状。

参数k_out和k_in给TLSRM的设计者提供了附加益处，因为设计者可以按单位值进行工作。两个长度W₂和W₁会影响马达的性能。作为比率对其进行限定会在设计上给出附加自由度。

现在看图4，示出了当仅仅一个相位被激励时，对于定子极距宽度与变换器极距宽度的不同比率k_s的推力波形。这些曲线的波形示出了超载操作，这对应于高于标称力的两倍的力。曲线C1、C2和C3示出了当定子和变换器的极距宽度被选择为分别使得k_s为0.7、0.75和0.8时的推力，其是针对对应于等于一个变换器极距宽度的变换的时间来进行绘制。当环形段开始与齿重叠时，会获得每个曲线中的推力的峰值。当存在完全对齐时，力为零。曲线C4示出了当比率k_s等于1时的推力。从这些波形可以理解，当比率k_s被选择为介于0.7与0.8之间的某处时，可以获得最对称的推力曲线和最高的峰值推力。

上文主要参照几个附图对本发明构思进行了描述。然而，如本领域的技术人员容易理解的，在如所附权利要求书限定的本发明构思的范围内，除了上文所公开的实施例之外的其它实施例同样是可能的。除了上文所描述的内部变换器配置之外，外部变换器配置也是可能的，即，变换器可以是管状的并且被布置为接纳管状定子。在这种情况下，环形段可以被布置在管状变换器的内表面上的周向凹槽中，即，沿着管状变换器的内圆周。

Claims (12)

1.一种管状线性开关磁阻机器(1)，包括：

变换器(3)，具有非磁性材料主体(3a)和磁性材料的环形段(3b)，所述环形段(3b)彼此轴向地分离开并且被设置在所述主体(3a)上，所述环形段(3b)沿着所述主体(3a)的轴向方向(z)被分布，以及

定子(5)，被布置为与所述变换器(3)电磁地相互作用，其中所述定子(5)具有多个同轴地布置的环状模块(5a)、以及被布置在每一对后续布置的模块(5a)之间的相应环状非磁性间隔件(5b)，

其中每个模块(5a)具有在所述轴向方向(z)上的定子极距宽度τ_stator，并且在任一对相邻环形段的中点之间的轴向距离限定出变换器极距宽度τ_translator，其中所述定子极距宽度τ_stator不同于所述变换器极距宽度τ_translator，

其中每个模块(5a)具有两个齿(9)，所述两个齿(9)由周向通道(11)被轴向地分离开，其中所述定子极距宽度τ_stator是由模块(5a)的每一对相邻齿(9)的所述中点之间的所述轴向距离来限定，并且其中所述定子极距宽度τ_stator小于所述变换器极距宽度τ_translator。

2.根据权利要求1所述的管状线性开关磁阻机器(1)，其中所述主体(3a)被设置有多个轴向等距隔开的周向凹槽(7a)，其中每个环形段(3b)被布置在相应周向凹槽(7a)中。

3.根据权利要求1所述的管状线性开关磁阻机器(1)，其中所述定子极距宽度τ_stator与所述变换器极距宽度τ_translator的比率k_s小于1。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的管状线性开关磁阻机器(1)，其中环形段(3b)的外轴向长度(W₂)与所述变换器极距宽度τ_translator之间的比率k_out小于或等于1。

5.根据权利要求4所述的管状线性开关磁阻机器(1)，其中环形段(3b)的内轴向长度(W₁)与所述变换器极距宽度τ_translator之间的比率k_in小于所述比率k_out。

6.根据权利要求1所述的管状线性开关磁阻机器(1)，其中每个间隔件(5b)在所述轴向方向(z)上的宽度(d)取决于模块数量以及所述定子极距宽度τ_stator与所述变换器极距宽度τ_translator的比率k_s。

7.根据权利要求6所述的管状线性开关磁阻机器(1)，其中每个间隔件(5b)的所述宽度(d)还取决于模块(5a)的所述齿(9)的齿宽(b_s)。

8.根据权利要求6或7所述的管状线性开关磁阻机器(1)，其中每个间隔件(5b)的所述宽度(d)是由公式

来确定，其中m是模块的数量，τ_translator是所述变换器极距宽度，并且b_s是模块(5a)的所述齿(9)的齿宽。

9.根据权利要求1-3、5-7中任一项所述的管状线性开关磁阻机器(1)，其中每个模块(5a)包括管状磁芯(5c)和线圈(5d)。

10.根据权利要求2-3、5-7中任一项所述的管状线性开关磁阻机器(1)，其中每个环形段(3b)的外表面(3c)与所述主体(3a)的外表面(7b)齐平。

11.根据权利要求1-3、5-7中任一项所述的管状线性开关磁阻机器(1)，其中所述管状线性开关磁阻机器(1)是管状线性开关磁阻马达。

12.根据权利要求1-3、5-7中任一项所述的管状线性开关磁阻机器(1)，其中所述定子(5)被布置为接纳所述变换器(3)，或者所述变换器(3)被布置为接纳所述定子(5)。

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