CN108631542A - 一种圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机，该电机由圆筒型短初级和长次级同轴构成，二者之间设有气隙实现相对直线运动。所述短初级由若干沿运动方向等距间隔排列的初级单元构成，每个初级单元由若干沿运动方向等距间隔排列的初级相模块构成，每个初级相模块均由初级铁芯环、初级凸极、初级凸极裂齿和初级电枢绕组构成；所述长次级由若干沿运动方向等距间隔排列的次级栅极和传动轴构成。本发明采用横向磁通结构实现磁路和电路在几何设计上的解耦，设计灵活方便；本发明的短初级凸极上设置初级凸极裂齿，能够有效降低电机推力波动；本发明采用单元化和相模块化设计，利用单相轮流导通方式，有效提高电机输出推力稳定性。

Description

一种圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及一种直线开关磁阻电机，尤其涉及一种新型的圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机。

背景技术

直线电机将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换装置，提高了运行可靠性，克服了由于中间转换装置而引起的体积大，效率低，机械寿命短等缺点，拥有很多旋转-直线系统所没有的独特优势。近年来越来越多的学者开始将视线和研究重点转向直线电机，使其得到了越来越多的关注和广泛应用。

目前直线电机主要分为直线感应电机，直线永磁电机，直线开关磁阻电机。直线感应电机由于存在一定的边缘效应，影响了电机输出性能，导致电机效率和功率因数低下。直线永磁电机虽然具有高推力密度，高功率因数，高效率等优点，但是一方面由于永磁材料成本较高，如果应用于长行程工作环境，整个系统的成本将大大增加；另一方面，永磁材料的磁性易受温度、锈蚀和振动等外部环境因素的影响，导致永磁体失磁，影响电机运行可靠性。直线开关磁阻电机结构简单，制造成本低，运行可靠性高，具有能够在各种恶劣条件下运行的优势，维护成本低。除此之外，直线开关磁阻电机起动和调速性能优越，控制策略灵活。

然而，由于直线开关磁阻电机采用双凸极结构和磁路饱和非线性的影响，电磁推力脉动大一直限制了直线开关磁阻电机的使用范围。此外，单边型直线开关磁阻电机为两端开放的开放式平板结构，电机铁芯两侧存在横向开断，有一定的横向边缘效应，造成电机内磁场分布不连续，影响电机运行性能。单边型直线开关磁阻电机除了产生直线推力之外，还会在初级和次级之间产生法向磁拉力，加重导轨负荷，降低导轨的使用寿命。基于上述背景，研制一种推力脉动小，电机可靠性高的圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机具有重要的理论意义和工程实用价值。

发明内容

技术问题：本发明为了解决现有的直线开关磁阻电机推力脉动大，运行不平稳以及单边型直线电机存在一定的横向边缘效应和法向磁拉力的问题，提供了一种圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机拓扑结构。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机，该电机包括同轴设置的圆筒型短初级、长次级、以及均匀设置在短初级和长次级之间的气隙，长次级安放在短初级内部，短初级和长次级可沿轴向实现相对直线运动；

所述短初级由n个沿运动方向等距间隔排列的初级单元构成，其中n为正整数，每个初级单元则由m个沿运动方向等距间隔排列的初级相模块构成，其中m为相数，每个初级相模块具有相同的圆环形结构，包括初级铁芯环、均匀间隔分布于初级铁芯环内表面且沿径向朝向内侧的初级凸极、沿径向凸出于初级凸极内表面且沿轴向间隔设置的初级凸极裂齿、以集中绕组形式绕制在初级凸极上的初级电枢绕组；

所述长次级包括若干沿运动方向等距间隔排列的圆环形次级栅极、设置在次级栅极内部的传动轴；

所述初级单元中相邻初级相模块之间的中心距：λ、电机相数：m、长次级中相邻圆环形次级栅极之间的中心距：τ_m，满足以下关系式(I)：

λ＝(k+1/m)×τ_m (I)

在式(I)中，k、m均为大于2的正整数；

所述长次级中相邻圆环形次级栅极之间的中心距：τ_m、次级栅极的轴向宽度：w_m，满足以下关系式(II)：

w_m＝τ_m/2 (II)

所述初级相模块的轴向宽度范围内应该覆盖完整的整数个次级栅极，而且初级相模块的每个初级凸极上所设置的初级凸极裂齿的个数与初级相模块轴向宽度范围内所覆盖的次级栅极的个数相等；

所述每个初级相模块所包含的初级凸极的个数N_s应为偶数，即满足以下关系式(III)：

N_s＝2j (III)

在式(III)中，j为正整数。

所述每个初级相模块所包含的初级电枢绕组均属于同一相，则每个初级单元所包含的m个初级相模块分属于m相，每个初级相模块中的初级凸极上绕制的初级电枢绕组均采用相同的集中绕组绕制形式，且相邻初级电枢绕组反向串联，在通电后产生的磁场极性相反。

所述位于同一个初级相模块的初级电枢绕组为同一相，均同时通以直流电或同时断电，且处于不同初级单元的属于相同相的初级相模块同时通电或同时断电，而每个初级单元所包含的分属于m相的m个初级相模块则采用单相轮流通电方式，即每个时刻只有一相通电，其余(m-1)相不通电。

所述初级铁芯环、初级凸极、初级凸极裂齿、次级栅极由铁磁材料构成，优选硅钢片叠压而成。

所述长次级的传动轴由非导磁材料构成，优选不锈钢。

本发明的有益效果：本发明提供了一种可减小推力纹波的圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机，与现有的直线开关磁阻电机相比，具有以下优点：

1.本发明的圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机采用短初级长次级同轴结构，短初级采用单元化和相模块化设计，可利用单相轮流导通方式，有效提高电机输出推力稳定性，同时可根据需要增大电机单元数，方便电机扩容；

2.本发明的圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机采用圆筒型结构，能够解决单边型直线电机存在的横向边缘效应和法向磁拉力，提高电机性能；

3.本发明的圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机采用横向磁通结构，可以实现磁路与电路在几何结构上的解耦，可实现电机的灵活设计；

4.本发明的圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机短初级凸极上设置初级凸极裂齿，能够有效降低电机推力波动。

附图说明

图1为圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机的结构示意图，取n＝3，m＝4，j＝4，k＝2为例。

图中有：短初级1，初级单元11，初级相模块111，初级铁芯环1111，初级凸极1112，初级凸极裂齿1113，初级电枢绕组1114，长次级2，次级栅极21，传动轴22，气隙3。

图2为圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机一个初级单元11的结构示意图(为保证图形清楚，未画出初级电枢绕组)。

图中有初级相模块111，初级铁芯环1111，初级凸极1112，初级凸极裂齿1113，λ为相邻初级相模块111之间的中心距。

图3为圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机长次级2的结构示意图。

图中有次级栅极21，传动轴22，τ_m为相邻次级栅极21之间的中心距,w_m为次级栅极21的轴向宽度。

图4为圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机初级相模块111的绕组展开图，以A1为例。

图中，A11至A18为初级相模块A1上的8个初级电枢绕组。

图5为圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机的通电方式示意图。

图中m为圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机的相数。

具体实施方式

本发明提供了一种圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机，该电机包括同轴设置的圆筒型短初级1、长次级2、以及均匀设置在短初级1和长次级2之间的气隙3，长次级2安放在短初级1内部，短初级1和长次级2可沿轴向实现相对直线运动。

参见图1，所述短初级1由n个沿运动方向等距间隔排列的初级单元11构成，其中n为正整数，在附图所示实施例中取n＝3，每个初级单元11则由m个沿运动方向等距间隔排列的初级相模块111构成，其中m为相数，在附图所示实施例中取m＝4，每个初级相模块111具有相同的圆环形结构，包括初级铁芯环1111、均匀间隔分布于初级铁芯环1111内表面且沿径向朝向内侧的初级凸极1112、沿径向凸出于初级凸极1112内表面且沿轴向间隔设置的初级凸极裂齿1113、以集中绕组形式绕制在初级凸极1112上的初级电枢绕组1114。

所述长次级2包括若干沿运动方向等距间隔排列的圆环形次级栅极21、设置在次级栅极21内部的传动轴22。

参见图2和图3，所述初级单元11中相邻初级相模块111之间的中心距：λ、电机相数：m、长次级2中相邻圆环形次级栅极21之间的中心距：τ_m，满足以下关系式(I)：

λ＝(k+1/m)×τ_m (I)

在式(I)中，k、m均为大于2的正整数，在附图所示实施例中取k＝2，m＝4。

所述长次级2中相邻圆环形次级栅极21之间的中心距：τ_m、次级栅极21的轴向宽度：w_m，满足以下关系式(II)：

w_m＝τ_m/2 (II)

所述初级相模块111的轴向宽度范围内应该覆盖完整的整数个次级栅极21，而且初级相模块111的每个初级凸极1112上所设置的初级凸极裂齿1113的个数与初级相模块111的轴向宽度范围内所覆盖的次级栅极21的个数相等。参见图2，在附图所示实施例中，每个初级凸极1112上设置2个初级凸极裂齿1113，初级相模块111的轴向宽度范围内也应覆盖2个次级栅极21。

所述每个初级相模块111所包含的初级凸极1112的个数N_s应为偶数，即满足以下关系式(III)：

N_s＝2j (III)

在式(III)中，j为正整数，在附图所示实施例中取j＝4。

所述每个初级相模块111所包含的初级电枢绕组1114均属于同一相，则每个初级单元11所包含的m个初级相模块分属于m相，每个初级相模块111中的初级凸极1112上绕制的初级电枢绕组1114均采用相同的集中绕组绕制形式，绕组展开图参见图4，相邻初级电枢绕组1114反向串联，在通电后产生的磁场极性相反。

所述位于同一个初级相模块111的初级电枢绕组1114为同一相，均同时通以直流电或同时断电，且处于不同初级单元11的属于相同相的初级相模块同时通电或同时断电，而每个初级单元11所包含的分属于m相的m个初级相模块则采用单相轮流通电方式，即每个时刻只有一相通电，其余(m-1)相不通电，通电顺序参见图5，每相导通360/m度电角度。在附图所示实施例中，取m＝4，则按A-B-C-D相序轮流导通，每相导通90度电角度。

所述初级铁芯环1111、初级凸极1112、初级凸极裂齿1113、次级栅极21由铁磁材料构成，优选硅钢片叠压而成。

所述长次级2的传动轴22由非导磁材料构成，优选不锈钢。

不同于现有的直线开关磁阻电机，本发明的圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机采用圆筒型结构，能够解决单边型直线电机存在的横向边缘效应和法向磁拉力，提高电机性能；本发明采用横向磁通结构实现磁路和电路在几何结构上的解耦，设计灵活方便；本发明的短初级凸极上设置初级凸极裂齿，能够有效降低电机推力波动；本发明采用单元化和相模块化设计，利用单相轮流导通方式，有效提高电机输出推力稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.一种圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机，它包括同轴设置的圆筒型短初级(1)、长次级(2)、以及均匀设置在短初级(1)和长次级(2)之间的气隙(3)，长次级(2)安放在短初级(1)内部，短初级(1)和长次级(2)可沿轴向实现相对直线运动；

所述短初级(1)由n个沿运动方向等距间隔排列的初级单元(11)构成，其中n为正整数，每个初级单元(11)则由m个沿运动方向等距间隔排列的初级相模块(111)构成，其中m为相数，每个初级相模块(111)具有相同的圆环形结构，包括初级铁芯环(1111)、均匀间隔分布于初级铁芯环(1111)内表面且沿径向朝向内侧的初级凸极(1112)、沿径向凸出于初级凸极(1112)内表面且沿轴向间隔设置的初级凸极裂齿(1113)、以集中绕组形式绕制在初级凸极(1112)上的初级电枢绕组(1114)；

所述长次级(2)包括若干沿运动方向等距间隔排列的圆环形次级栅极(21)、设置在次级栅极(21)内部的传动轴(22)；

所述初级单元(11)中相邻初级相模块(111)之间的中心距：λ、电机相数：m、长次级(2)中相邻圆环形次级栅极(21)之间的中心距：τ_m，满足以下关系式(I)：

λ＝(k+1/m)×τ_m (I)

在式(I)中，k、m均为大于2的正整数；

所述长次级(2)中相邻圆环形次级栅极(21)之间的中心距：τ_m、次级栅极(21)的轴向宽度：w_m，满足以下关系式(II)：

w_m＝τ_m/2 (II)

所述初级相模块(111)的轴向宽度范围内应该覆盖完整的整数个次级栅极(21)，而且初级相模块(111)的每个初级凸极(1112)上所设置的初级凸极裂齿(1113)的个数与初级相模块(111)的轴向宽度范围内所覆盖的次级栅极(21)的个数相等；

所述每个初级相模块(111)所包含的初级凸极(1112)的个数N_s应为偶数，即满足以下关系式(III)：

N_s＝2j (III)

在式(III)中，j为正整数。

2.根据权利要求1所述的一种圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机，其特征在于，每个初级相模块(111)所包含的初级电枢绕组(1114)均属于同一相，则每个初级单元(11)所包含的m个初级相模块分属于m相，每个初级相模块(111)中的初级凸极(1112)上绕制的初级电枢绕组(1114)均采用相同的集中绕组绕制形式，且相邻初级电枢绕组(1114)反向串联，在通电后产生的磁场极性相反。

3.根据权利要求2所述的一种圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机，其特征在于，位于同一个初级相模块(111)的初级电枢绕组(1114)为同一相，均同时通以直流电或同时断电，且处于不同初级单元(11)的属于相同相的初级相模块同时通电或同时断电，而每个初级单元(11)所包含的分属于m相的m个初级相模块则采用单相轮流通电方式，即每个时刻只有一相通电，其余(m-1)相不通电。

4.根据权利要求1所述的一种圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机，其特征在于，所述初级铁芯环(1111)、初级凸极(1112)、初级凸极裂齿(1113)、次级栅极(21)由铁磁材料构成，优选硅钢片叠压而成。

5.根据权利要求1所述的一种圆筒型单元化横向磁通直线开关磁阻电机，其特征在于，所述长次级(2)的传动轴(22)由非导磁材料构成，优选不锈钢。