CN108768129A - 用于无绳电梯提升系统的高推力双三相永磁直线同步电动机 - Google Patents

用于无绳电梯提升系统的高推力双三相永磁直线同步电动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于无绳电梯提升系统的高推力双三相永磁直线同步电动机，包括短次级和长初级；长初级采用分段式结构，每段初级包括电枢铁芯以及套设于电枢齿上的两套电枢绕组；两套电枢绕组在空间上相差一定的电角度，在电路上互相独立；分段切换时两套电枢绕组依次切换，切换点在每段初级的中点；长初级安装于电梯井道墙壁，相邻段间留有一定的距离；短次级包括背铁和磁极，磁极采用Halbach结构，通过背铁与桥厢刚性连接，也采用分段式结构，段与段间连续安装。本发明电机不仅结合了多相电机容错性能好的优点，又可以直接使用普遍存在的三相逆变器电源供电，拓宽了多相电机的应用场合和发展前景。

Description

用于无绳电梯提升系统的高推力双三相永磁直线同步电动机
技术领域
本发明属于永磁同步电动机技术领域，具体涉及一种用于无绳电梯提升系统的高推力双三相永磁直线同步电动机。
背景技术
随着社会科技的不断发展，数控机床、半导体加工、垂直升降输送系统、电磁弹射等领域对电机性能的要求越来越高，传统的电机已经不能满足更加严格的标准，同时也将面临更加严峻的市场需求。永磁直线同步电动机相比其他的传统电机有着自己独特的优势，兼具永磁电机和直线电机的性能，永磁直线同步电动机的次级可以与传动部分做成一体化结构，省去了中间的传动机构，能直接将电能转换成直线运动机械能，具有结构简单、重量轻、体积小、高速、高精度、高效率、大推力等显著优点。
永磁直线同步电动机的工作原理如下所述：当电枢绕组通入交流电时，便在气隙中产生电枢磁场，同时磁极永磁体产生励磁磁场，电枢磁场与永磁体励磁磁场合成构成气隙磁场；起动时拖动磁极或电枢，电枢行波磁场和永磁体励磁磁场相对静止，从而电枢绕组中的电流在所述气隙磁场的作用下产生电磁推力。如果电枢固定，则磁极在推力作用下牵入同步做直线运动；反之，则电枢牵入同步做直线运动。
然而在一些对电机运行连续性有较高要求的场合，人们希望实际场合应用的电机无论是电机本体还是电机外部驱动系统出现故障时，电机本身有一定的故障容错能力，保证故障状态下的电机在基本满足运行的指标的前提下能安全平稳的运行。此时在故障状态时，传统三相永磁直线同步电机电机就显得爱莫能助，而多相电机的出现就使这些问题迎刃而解。目前研究较多的有五相电机，但在五相永磁同步直线电动机的实际应用中，必须配有与电枢绕组相数对应的逆变器，这一苛刻的要求就限制了该多相电机的应用场合。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种用于无绳电梯提升系统的高推力双三相永磁直线同步电动机，该电机不仅拥有良好的容错性能，而且可以直接使用普遍存在的三相逆变器电源供电。
一种用于无绳电梯提升系统的高推力双三相永磁直线同步电动机，包括初级和次级，次级与初级之间存有一定的气隙；所述初级采用分段式长初级结构，每段初级均包含有电枢，所述电枢为齿状结构且由电枢铁芯以及套设于电枢齿上的两套电枢绕组构成；两套电枢绕组完全对称，相序相同，在电气上互相独立由不同的变流器供电，在空间上相差一定的电角度；两套电枢绕组在分段切换时依次切换，切换点在每段初级的中点；
所述次级采用分段式短次级结构，每一段次级均包含有背铁和磁极，所述磁极贴合于背铁上且朝向于电枢齿，磁极由两种不同充磁方式的永磁体排列组成，一种垂直于电机运动方向，另一种水平于电机运动方向。
进一步地，所述永磁体采用Halbach排布结构，即垂直充磁方向的一对相邻永磁体之间放置一个水平充磁方向的永磁体，而水平充磁方向的一对相邻永磁体之间夹杂着一个垂直充磁方向的永磁体。
进一步地，所述初级通过电枢铁芯固定于电梯井道墙壁上，相邻两段初级之间留有一定的距离。
进一步地，所述电枢绕组对应相激励电流的初始相位角与绕组空间位置相差同样的所述电角度。
进一步地，所述次级通过背铁刚性连接于电梯轿厢，各段次级段与段之间连续拼接；所述背铁既是磁路的一部分，也是电机与电梯轿厢的连接部件。
进一步地，所述电枢绕组采用端部重叠的分数槽绕组结构，即每极每相槽数为0.8。
进一步地，所述背铁由低碳钢制成，所述永磁体由高牌号钕铁硼材料制成，所述电枢铁芯由电工硅钢片叠压而成，所述电枢绕组由铜线制成。
本发明电机不仅具有永磁直线同步电机的诸多特点，而且还具有多相电机的优点，该电机拥有两套电枢绕组，都以相同的方式嵌放在电枢铁芯中，但两套绕组之间相差一定的电角度，两套绕组之间物理隔离，当一套绕组出现故障时，可以仅利用完整的另一套绕组短暂的继续工作，既实现了多相电机的转矩密度高，容错能力强等特点，又可以直接使用普遍存在的三相逆变器电源供电。因此，本发明相对现有技术具有以下有益技术效果：
(1)本发明用于无绳电梯提升系统的高推力双三相永磁直线同步电动机可以将轿厢直接通过硬连接到电动机次级上，替换了传统的曳引机加绳索的结构，不仅节省了电梯井道的空间占用率，而且能节约用于绳索运动部分的机械能。
(2)本发明双三相永磁直线同步电动机既能提供大推力还具有良好的容错性能，且分段切换时推力损失小。
(3)本发明双三相永磁直线同步电动机能直接使用普遍存在的三相逆变器电源供电，相比其他多相电机有更多的应用场合。
(4)本发明电机的电枢和磁极结构与普通永磁直线电机相同，加工方便，成本低。
附图说明
图1为本发明电机的第一种实施结构示意图。
图2为本发明电机的第二种实施结构示意图。
图3为本发明电机的第三种实施结构示意图。
图4为本发明电机的第四种实施结构示意图。
图5为本发明电机的第五种实施结构示意图。
图6(a)为本发明电机两套绕组相差0°电角度情况下的槽电动势星形图。
图6(b)为本发明电机两套绕组相差15°电角度情况下的槽电动势星形图。
图6(c)为本发明电机两套绕组相差30°电角度情况下的槽电动势星形图。
图中：1—初级，2—次级，3—气隙，4—电梯轿厢，5—电梯井道墙壁，11—电枢，12—安装螺栓，21—磁极，22—背铁，111～112—电枢绕组，113—电枢铁芯。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例一：
如图1所示，本实施例用于无绳电梯提升系统的高推力双三相永磁直线同步电动机，包括初级1和次级2，初级1包括电枢11和安装螺栓12，其中电枢11包括两套电枢绕组111～112和电枢铁芯113，次级2包括磁极21和背铁22，磁极21由两种充磁方式的永磁体组成，一种是垂直于电机的运动方向，一种是水平于电机的运动方向，电枢11固定在电梯井道壁上，背铁22通过刚性连接到电梯轿厢，初级1和次级2保持一定的气隙3。
本实施例采用两套了相同的绕组112和113，两套绕组以相同的方式嵌放在电枢槽中，彼此之间相差30°电角度，其槽电动势如图6(c)所示。两套电枢绕组在分段切换时依次切换，切换点在每段初级的中点。
本实施例中采用短距绕组，所以首端和末端的半槽个数减少为2个，节省了电枢铁芯的用料。
本实施例采用次级运动的形式，次级上的永磁体磁链，通过气隙后，进入电枢中，与两套电枢绕组相交链，显然在次级和初级相对位置不同时，两套电枢绕组中交链的磁链在发生变化，在两套电枢绕组中产生接近正弦的反电动势，因此在两套电枢绕组中各自通入三相正弦电压后，就会产生相应的三相正弦电流，从而产生电磁推力，推动次级实现直线运动。
本实施例用于无绳电梯提升系统的高推力双三相永磁直线同步电动机的工作原理为:当在两套电枢绕组通入交流电时，便在气隙中产生两个电枢磁场，两个电枢磁场彼此之间相差30°电角度，同时，磁极永磁体产生励磁磁场。所述的两个电枢磁场分别与永磁体励磁磁场合成构成气隙磁场。起动时拖动磁极或电枢，两个电枢行波磁场和永磁体励磁磁场相对静止，从而两套电枢绕组中的电流分别在所述的两个合成气隙磁场的作用下产生两个电磁推力，最终的电机推力则为两个电磁推力的合成力。如果电枢固定，则磁极在推力作用下牵入同步做直线运动；反之，则电枢牵入同步做直线运动。
实施例二：
图2所示了本发明电机的一种变形结构，与实施例一的不同之处在于永磁体与电枢的相对位置不相同，在本实施结构中永磁体中心轴线与第一套绕组A相绕组轴线对齐。
实施例三：
如图3所示，本实施例的特点在于：安放在电枢槽中的两套绕组112和113，彼此之间相差15°电角度，其槽电动势如图6(b)所示。
本实施例用于无绳电梯提升系统的高推力双三相永磁直线同步电动机的工作原理跟实施例一相同，随着次级位置的变化，两套电枢绕组中的磁链正负交变，但彼此之间相差15°电角度，基本为正弦型，是双极性磁链。
实施例四：
如图4所示，本实施例的特点在于：安放在电枢槽中的两套绕组112和113，彼此之间相差0°电角度，其槽电动势如图6(a)所示。
本实施例用于无绳电梯提升系统的高推力双三相永磁直线同步电动机的工作原理跟实施例一相同，随着次级位置的变化，两套电枢绕组中的磁链正负交变，但彼此之间相差0°电角度，基本为正弦型，是双极性磁链。
实施例五：
如图5所示，本实施例给出了一种用于无绳电梯提升系统的高推力双三相永磁直线同步电动机的分段驱动结构，包括初级1、次级2、电梯井道墙壁5和电梯轿厢4组成。
本实施例的特点在于：初级1采用分段结构安装于电梯井道墙壁5，相邻初级段间留有一定的距离；次级2通过背铁与电梯轿厢4进行刚性连接，其也采用分段式结构，但段与段间连接拼接，但不能留有间距。
本发明电机不仅具有永磁直线同步电机的诸多特点，而且还具有多相电机的优点，该电机拥有两套电枢绕组，都以相同的方式嵌放在电枢铁芯中，但两套绕组之间相差一定的电角度，如槽电动势星形图6(a)～图6(c)所示。两套绕组之间物理隔离，当一套绕组出现故障时，可以仅利用完整的另一套绕组短暂的继续工作，既实现了多相电机的转矩密度高，容错能力强等特点，又可以直接使用普遍存在的三相逆变器电源供电。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于无绳电梯提升系统的高推力双三相永磁直线同步电动机，包括初级和次级，次级与初级之间存有一定的气隙；其特征在于：所述初级采用分段式长初级结构，每段初级均包含有电枢，所述电枢为齿状结构且由电枢铁芯以及套设于电枢齿上的两套电枢绕组构成；两套电枢绕组完全对称，相序相同，在电气上互相独立由不同的变流器供电，在空间上相差一定的电角度；两套电枢绕组在分段切换时依次切换，切换点在每段初级的中点；
所述次级采用分段式短次级结构，每一段次级均包含有背铁和磁极，所述磁极贴合于背铁上且朝向于电枢齿，磁极由两种不同充磁方式的永磁体排列组成，一种垂直于电机运动方向，另一种水平于电机运动方向。
2.根据权利要求1所述的高推力双三相永磁直线同步电动机，其特征在于：所述永磁体采用Halbach排布结构，即垂直充磁方向的一对相邻永磁体之间放置一个水平充磁方向的永磁体，而水平充磁方向的一对相邻永磁体之间夹杂着一个垂直充磁方向的永磁体。
3.根据权利要求1所述的高推力双三相永磁直线同步电动机，其特征在于：所述初级通过电枢铁芯固定于电梯井道墙壁上，相邻两段初级之间留有一定的距离。
4.根据权利要求1所述的高推力双三相永磁直线同步电动机，其特征在于：所述电枢绕组对应相激励电流的初始相位角与绕组空间位置相差同样的所述电角度。
5.根据权利要求1所述的高推力双三相永磁直线同步电动机，其特征在于：所述次级通过背铁刚性连接于电梯轿厢，各段次级段与段之间连续拼接；所述背铁既是磁路的一部分，也是电机与电梯轿厢的连接部件。
6.根据权利要求1所述的高推力双三相永磁直线同步电动机，其特征在于：所述电枢绕组采用端部重叠的分数槽绕组结构，即每极每相槽数为0.8。
7.根据权利要求1所述的高推力双三相永磁直线同步电动机，其特征在于：所述背铁由低碳钢制成，所述永磁体由高牌号钕铁硼材料制成，所述电枢铁芯由电工硅钢片叠压而成，所述电枢绕组由铜线制成。
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