CN108768131A - 一种直线电机结构及磁悬浮列车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线电机结构及磁悬浮列车，该直线电机结构包括：动子(1)和空心定子(3)，以及设置在所述空心定子(3)的轭部的定子绕组(2)；其中，在所述空心定子(3)的齿部，设有齿部导磁材料(4)；和/或，在所述空心定子(3)的轭部，设有轭部导磁材料(5)。本发明的方案，可以解决现有技术中有铁芯的永磁驱动电机用于磁悬浮列车时法向吸力太大、而无铁芯的永磁驱动电机法向吸力太小均存在能耗高的问题，达到节约能耗的效果。

Description

一种直线电机结构及磁悬浮列车

技术领域

本发明属于磁悬浮技术领域，具体涉及一种直线电机结构及磁悬浮列车，尤其涉及一种可调法向力的直线电机、以及具有该可调法向力的直线电机的磁悬浮列车。

背景技术

随着磁悬浮列车在高速轨道交通事业中的飞速发展，对其驱动电机的要求也越来越高，世界各国的电机方案主要集中在永磁同步和交流异步直线电机两种方案上，考虑到能耗、最高速度等的限制，永磁直线电机越来越受到行业的青睐。

现有的用于磁悬浮列车的永磁驱动电机大多为有铁芯的结构，这会导致电机的法向吸力较大且不易调节，无法变成可以利用的正向力，而且给列车在高速和超高速的安全运行带来隐患；如果采用无铁芯结构，定子和动子之间的吸力非常小，当列车较重时，会给悬浮机构带来很大压力，从而导致磁阻力过大；同时无铁芯结构会导致电机电流较大，还存在效率低下、能耗高等问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述缺陷，提供一种直线电机结构及磁悬浮列车，以解决现有技术中用于磁悬浮列车的电机，有铁芯时电机的法向吸力无法变成可以利用的正向力，无铁芯时定子和动子之间的吸力非常小，均存在磁阻力过大而增加能耗的问题，达到减小磁阻力从而节约能耗的效果。

本发明提供一种直线电机结构，包括：动子和空心定子，以及设置在所述空心定子的轭部的定子绕组；其中，在所述空心定子的齿部，设有齿部导磁材料；和/或，在所述空心定子的轭部，设有轭部导磁材料。

可选地，在所述空心定子的齿部，开设有第一凹槽，所述齿部导磁材料容置于所述第一凹槽；和/或，在所述空心定子的轭部，开设有第二凹槽，所述轭部导磁材料容置于所述第二凹槽。

可选地，所述齿部导磁材料，采用过盈配合的方式固定安装于所述第一凹槽；和/或，所述轭部导磁材料，采用过盈配合的方式固定安装于所述第二凹槽。

可选地，其中，所述第一凹槽、所述第二凹槽中的至少一种凹槽，为矩形凹槽；和/或，所述第一凹槽、所述第二凹槽中的至少一种凹槽，包括：贯穿槽，和/或在垂直于纸面的方向向两端分别开设的两部分槽。

可选地，所述第一凹槽，靠近所述动子，设置于所述空心定子的齿部；和/或，所述第一凹槽与所述动子之间的距离，在设定距离范围内。

可选地，所述第二凹槽的宽度，小于或等于所述空心定子的定子槽的宽度。

可选地，其中，所述齿部导磁材料、所述轭部导磁材料中的至少一种导磁材料，包括：由设定厚度的无取向硅钢片，按设定叠压系数，以设定叠压方向叠压而成的导磁件；和/或，所述动子的永磁体，采用Halbach永磁体阵列结构。

可选地，其中，所述无取向硅钢片的设定厚度，小于或等于0.35mm；和/或，所述设定叠压系数，大于或等于0.975；所述叠压方向，包括：垂直于纸面的方向；和/或，所述导磁件，包括：立方体状的导磁件。

与上述结构相匹配，本发明再一方面提供一种磁悬浮列车，包括：以上所述的直线电机结构。

本发明的方案，通过优化直线电机的定子及动子的结构形式，能够更充分利用定子和动子间的电磁铁效应，在不降低直线电机推力前提下，使得直线电机定子与动子之间产生系统所需的法向吸力，提升磁悬浮列车运行的安全性。

进一步，本发明的方案，通过调整传统无铁芯直线电机的定子上非导磁材料结构，从而调整直线电机的法向吸力，对于磁悬浮列车来说，增加的法向吸力可以对于车辆的悬浮提供正向力，从而减小了悬浮系统的压力需求，减轻悬浮结构，提高了系统使用效率，增强了车辆的安全性和可靠性。

由此，本发明的方案，通过调整无铁芯直线电机的定子上非导磁材料结构，实现调整直线电机的法向吸力，解决现有技术中用于磁悬浮列车的电机，有铁芯时电机的法向吸力无法变成可以利用的正向力，无铁芯时定子和动子之间的吸力非常小，均存在安全性差及能耗高的问题，从而，克服现有技术中安全性差、效率低和能耗高的缺陷，实现安全性好、效率高和能耗低的有益效果。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的直线电机结构的一实施例的结构示意图，具体为优化后直线电机结构图；

图2为传统无铁芯直线电机的结构示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-动子(永磁体)；2-定子绕组；3-空心定子；4-齿部导磁材料；5-轭部导磁材料。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种直线电机结构。参见图1所示本发明的直线电机结构的一实施例的结构示意图。该直线电机结构可以包括：动子1和空心定子3，以及设置在所述空心定子3的轭部的定子绕组2。

其中，在所述空心定子3的齿部，设有齿部导磁材料4；和/或，在所述空心定子3的轭部，设有轭部导磁材料5。

例如：可以通过调整传统无铁芯直线电机的定子上非导磁材料结构，从而调整直线电机的法向吸力。

例如：在传统无铁芯直线电机定子的非导磁材料固定件上，在其齿部和/或轭部设计有部分导磁材料，通过调整导磁材料的体积及质量，从而调整法向吸力，使得法向吸力变成可以利用的悬浮正向力，加以利用，减轻悬浮系统的压力，且同时可以增大推力，从而增大电机使用效率，节约能耗。

例如：导磁材料可以只增加齿部或只增加轭部，或齿部轭部同时增加，同样可以通过调整导磁材料用量而调节法向吸力。也就说，增加导磁材料，法向吸力增加；减少导磁材料，法向吸力减小。

例如：通过调整导磁材料的尺寸以及其在无铁芯定子中的位置，可实现灵活调整法向吸力和切向推力的目的。

由此，通过在空心定子的齿部和/或轭部设置导磁材料，可以优化直线电机的定子及动子的结构形式，能够更充分利用定子和动子间的电磁铁效应，在不降低直线电机推力前提下，使得直线电机定子与动子之间产生系统所需的法向吸力，在不增加电流、不增加能耗的前提下，推力相应有所增加，从而增加了电机使用效率，节约能耗；对于磁悬浮列车来说，增加的法向吸力可以对于车辆的悬浮提供正向力，从而减小了悬浮系统的压力需求，减轻悬浮结构，降低悬浮磁阻力；而且降低了直线电机绕组中的电流需求，从而减少了电机和控制器的采购成本；减小了直线电机绕组的发热，优化了整个系统，提高了系统使用效率，降低了能耗，增强了车辆的安全性和可靠性。

在一个可选例子中，在所述空心定子3的齿部，开设有第一凹槽，所述齿部导磁材料4容置于所述第一凹槽；和/或，在所述空心定子3的轭部，开设有第二凹槽，所述轭部导磁材料5容置于所述第二凹槽。

例如：对图1中的非导磁定子(如空心定子3)的齿部和轭部分别开槽，开槽后，在槽内放置具有导磁功能的硅钢片的叠片(如齿部导磁材料4、轭部导磁材料5等)。

由此，通过在空心定子的齿部、轭部等处开设凹槽，进而使增设的导磁材料容置于该凹槽，一方面便于安放导磁材料，另一方便不会增加定子的体积，保证了定子的可靠运行。

可选地，所述齿部导磁材料4，采用过盈配合的方式固定安装于所述第一凹槽；和/或，所述轭部导磁材料5，采用过盈配合的方式固定安装于所述第二凹槽。

例如：在实际安装使用过程中，应将上述导磁部分在槽内固定好，避免产生振动噪声，可以采用过盈配合(热套或冷套)进行安装。

由此，通过采用过盈配合的方式将增设的导磁材料安装于相应凹槽，安装的强度和可靠性可以得到保证。

可选地，所述第一凹槽、所述第二凹槽中的至少一种凹槽，为矩形凹槽。

例如：如图1所示，槽的形状为规则的矩形，可以有倒角。

可选地，所述第一凹槽、所述第二凹槽中的至少一种凹槽，可以包括：贯穿槽，和/或在垂直于纸面的方向向两端分别开设的两部分槽。

例如：根据所需产生的法向力的大小，可以调整上述齿部和轭部开槽的深度和面积，深度越深，面积越大，产生的法向吸力也越大，在实际应用中，也可直接开贯穿槽，或在垂直于纸面的方向的两端分别开两部分槽，分别放入导磁硅钢片，这完全取决于所需吸力的大小。

由此，通过调整凹槽的深度、宽度等，可以通过结构调整从而调整法向吸力的大小，以平衡系统结构，提升系统性能。

可选地，所述第一凹槽，靠近所述动子1，设置于所述空心定子3的齿部。

例如：由于齿部的导磁材料距离动子永磁体较近，此时定子和动子便产生了电磁铁效应；同时，由于磁阻减小，电机的推力也得到增强，电机绕组中流通的电流也得到明显降低，驱动系统的效率得到显著提高。

可选地，所述第一凹槽与所述动子1之间的距离，在设定距离范围内。

例如：在图1所示的开槽过程中，可以在保证强度和可制造性的前提下，齿部的矩形槽应尽可能靠近动子，即放入该槽的导磁硅钢片离动子永磁体的距离越近，产生的法向吸力也就越大。

由此，通过将齿部的导磁材料靠近动子设置，可以减小磁阻，增强电机推力，提升电机效率。

可选地，所述第二凹槽的宽度，小于或等于所述空心定子3的定子槽的宽度。

例如：轭部的矩形槽的宽度不应超过下面定子槽的宽度。

由此，通过设置轭部的凹槽的宽度和高度，可以保证轭部导磁可靠性和安全性。

在一个可选例子中，所述齿部导磁材料4、所述轭部导磁材料5中的至少一种导磁材料，可以包括：由设定厚度的无取向硅钢片，按设定叠压系数，以设定叠压方向叠压而成的导磁件。

优选地，所述设定厚度，小于或等于0.35mm；和/或，所述设定叠压系数，大于或等于0.975；所述叠压方向，可以包括：垂直于纸面的方向；和/或，所述导磁件，可以包括：立方体状的导磁件。

例如：为减小涡流损耗，该导磁材料可以为无取向硅钢片叠压而成，叠压系数不小于0.975。这样一来，虽然无铁芯的定子不导磁，但置入的导磁材料可为磁力线提供流通路径，显著减小了磁路磁阻。

例如：为避免在电机运行过程中，永磁体的磁力线切割上述导磁部分，产生较大的涡流损耗，槽内放置的导磁材料应为硅钢片叠压的立方体，叠压的方向为垂直纸面的方向，叠压的系数应大于0.975，所用的硅钢片的厚度不应大于0.35mm，应具有良好的导磁性能和较低的损耗系数。

由此，通过选用设定规格的导磁材料，可以减小磁阻，增强电机效率。

在一个可选例子中，所述动子2的永磁体，采用Halbach永磁体阵列结构。

例如：动子永磁体采用Halbach永磁体阵列结构，可以增加单侧磁场强度。

由此，通过采用永磁体阵列结构作为动子的永磁体，磁场强度高，电机效率高。

经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过优化直线电机的定子及动子的结构形式，能够更充分利用定子和动子间的电磁铁效应，在不降低直线电机推力前提下，使得直线电机定子与动子之间产生系统所需的法向吸力，提升磁悬浮列车运行的安全性。

根据本发明的实施例，还提供了对应于直线电机结构的一种磁悬浮列车。该磁悬浮列车可以包括：以上所述的直线电机结构。

在一个可选实施方式中，本发明的方案，通过优化直线电机的定子及动子的结构形式，能够更充分利用定子和动子间的电磁铁效应，在不降低直线电机推力前提下，使得直线电机定子与动子之间产生系统所需的法向吸力，而且可以通过结构调整从而调整法向吸力的大小，以平衡系统结构。相应地，在不增加电流、不增加能耗的前提下，推力相应有所增加，从而增加了电机使用效率，节约能耗。对于磁悬浮列车来说，增加的法向吸力可以对于车辆的悬浮提供正向力，从而减小了悬浮系统的压力需求，减轻悬浮结构；而且降低了直线电机绕组中的电流需求，从而减少了电机和控制器的采购成本；减小了直线电机绕组的发热，优化了整个系统，提高了系统使用效率，增强了车辆的安全性和可靠性。

在一个可选例子中，本发明提供的一种新型直线电机结构，可以通过调整传统无铁芯直线电机的定子上非导磁材料结构，从而调整直线电机的法向吸力。

可选地，在传统无铁芯直线电机定子的非导磁材料固定件上，在其齿部和/或轭部设计有部分导磁材料，通过调整导磁材料的体积及质量，从而调整法向吸力，使得法向吸力变成可以利用的悬浮正向力，加以利用，减轻悬浮系统的压力，且同时可以增大推力，从而增大电机使用效率，节约能耗。

具体地，上述导磁材料可以只增加齿部或只增加轭部，或齿部轭部同时增加，同样可以通过调整导磁材料用量而调节法向吸力。也就说，增加导磁材料，法向吸力增加；减少导磁材料，法向吸力减小。

可选地，为减小涡流损耗，该导磁材料可以为无取向硅钢片叠压而成，叠压系数不小于0.975。这样一来，虽然无铁芯的定子不导磁，但置入的导磁材料可为磁力线提供流通路径，显著减小了磁路磁阻。其中，由于齿部的导磁材料距离动子永磁体较近，此时定子和动子便产生了电磁铁效应；同时，由于磁阻减小，电机的推力也得到增强，电机绕组中流通的电流也得到明显降低，驱动系统的效率得到显著提高；而且，通过调整导磁材料的尺寸以及其在无铁芯定子中的位置，可实现灵活调整法向吸力和切向推力的目的。

可选地，动子永磁体采用Halbach永磁体阵列结构，可以增加单侧磁场强度。

在一个可选具体实施方式中，可以结合图1和图2所示的例子，对本发明的方案的实现过程进行具体地示例性说明。

图2为传统的无铁芯直线电机结构截面图，动子(如动子1)采用Halbach阵列的永磁体，定子部分为非导磁材料和线圈组成。

图1是经过优化后的定子示意图，对图1中的非导磁定子(如空心定子3)的齿部和轭部分别开槽，槽的形状为规则的矩形，开槽后，在槽内放置具有导磁功能的硅钢片的叠片(如齿部导磁材料4、轭部导磁材料5等)。在定子的轭部设置有定子绕组2。

可选地，上述开槽过程中，可以在保证强度和可制造性的前提下，齿部的矩形槽应尽可能靠近动子，即放入该槽的导磁硅钢片离动子永磁体的距离越近，产生的法向吸力也就越大。另一方面，轭部的矩形槽的宽度不应超过下面定子槽(如图1中放置定子绕组2的导线的凹槽)的宽度。

可选地，在上述齿部和轭部所开槽的内部放入硅钢片叠压的导磁部分后，可以大大改善电机定子和动子的主磁路，降低磁阻，增加附带的电磁铁效应，在对推力影响最小的前提下，显著增大电机的法向吸力。为避免在电机运行过程中，永磁体的磁力线切割上述导磁部分，产生较大的涡流损耗，槽内放置的导磁材料应为硅钢片叠压的立方体，叠压的方向为垂直纸面的方向，叠压的系数应大于0.975，所用的硅钢片的厚度不应大于0.35mm，应具有良好的导磁性能和较低的损耗系数。

可选地，根据所需产生的法向力的大小，可以调整上述齿部和轭部开槽的深度和面积，深度越深，面积越大，产生的法向吸力也越大，在实际应用中，也可直接开贯穿槽，或在垂直于纸面的方向的两端分别开两部分槽，分别放入导磁硅钢片，这完全取决于所需吸力的大小。

可选地，在实际安装使用过程中，应将上述导磁部分在槽内固定好，避免产生振动噪声，可以采用过盈配合(热套或冷套)进行安装。

由于本实施例的磁悬浮列车所实现的处理及功能基本相应于前述图1所示的直线电机结构的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过调整传统无铁芯直线电机的定子上非导磁材料结构，从而调整直线电机的法向吸力，对于磁悬浮列车来说，增加的法向吸力可以对于车辆的悬浮提供正向力，从而减小了悬浮系统的压力需求，减轻悬浮结构，提高了系统使用效率，增强了车辆的安全性和可靠性。

综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种直线电机结构，其特征在于，包括：动子(1)和空心定子(3)，以及设置在所述空心定子(3)的轭部的定子绕组(2)；其中，

在所述空心定子(3)的齿部，设有齿部导磁材料(4)；和/或，

在所述空心定子(3)的轭部，设有轭部导磁材料(5)。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，在所述空心定子(3)的齿部，开设有第一凹槽，所述齿部导磁材料(4)容置于所述第一凹槽；

和/或，

在所述空心定子(3)的轭部，开设有第二凹槽，所述轭部导磁材料(5)容置于所述第二凹槽。

3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述齿部导磁材料(4)，采用过盈配合的方式固定安装于所述第一凹槽；和/或，

所述轭部导磁材料(5)，采用过盈配合的方式固定安装于所述第二凹槽。

4.根据权利要求2或3所述的结构，其特征在于，其中，

所述第一凹槽、所述第二凹槽中的至少一种凹槽，为矩形凹槽；

和/或，

所述第一凹槽、所述第二凹槽中的至少一种凹槽，包括：贯穿槽，和/或在垂直于纸面的方向向两端分别开设的两部分槽。

5.根据权利要求2-4之一所述的结构，其特征在于，所述第一凹槽，靠近所述动子(1)，设置于所述空心定子(3)的齿部；

和/或，

所述第一凹槽与所述动子(1)之间的距离，在设定距离范围内。

6.根据权利要求2-5之一所述的结构，其特征在于，所述第二凹槽的宽度，小于或等于所述空心定子(3)的定子槽的宽度。

7.根据权利要求1-6之一所述的结构，其特征在于，其中，

所述齿部导磁材料(4)、所述轭部导磁材料(5)中的至少一种导磁材料，包括：由设定厚度的无取向硅钢片，按设定叠压系数，以设定叠压方向叠压而成的导磁件；

和/或，

所述动子(2)的永磁体，采用Halbach永磁体阵列结构。

8.根据权利要求7所述的结构，其特征在于，其中，

所述无取向硅钢片的设定厚度，小于或等于0.35mm；和/或，

所述设定叠压系数，大于或等于0.975；所述叠压方向，包括：垂直于纸面的方向；和/或，

所述导磁件，包括：立方体状的导磁件。

9.一种磁悬浮列车，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一所述的直线电机结构。