CN109039002A - 一种永磁体内置式游标永磁直线电机 - Google Patents

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曲荣海
石超杰
高玉婷
李大伟
周游
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors

Abstract

本发明公开了一种永磁体内置式游标永磁直线电机，包括：开有多个开口槽的初级铁心，电枢绕组设置于初级铁心的各开口槽中；次级铁心，其与初级铁心间隔一定的物理气隙设置，两者可相对移动；内置于次级铁心中的永磁体；缠绕于初级铁心齿部的电枢绕组。该结构采用游标永磁电机原理，即次级铁心中的永磁体极对数与电枢绕组极对数不相等，且满足一定的关系式。本发明通过综合应用永磁体内置结构和游标永磁直线电机的特点，在保持游标永磁直线电机简洁结构的同时，提升了传统游标永磁直线电机的工作磁密，主要是气隙磁密和电枢铁心磁密，使得该电机的推力密度大大提升，功率因数也有所提高。

Description

一种永磁体内置式游标永磁直线电机
技术领域
本发明属于永磁电机技术领域，更具体地，涉及一种永磁体内置式游标永磁电机。
背景技术
永磁直线电机以其高效和高推力密度的特点，近年来引起越来越多的关注。在众多永磁直线电机之中，基于磁场调制原理的游标永磁直线电机则更适合应用于低速大推力的直驱溶合，如波浪能发电、工业传送装置、伺服系统等。
专利CN202503419公开了一种用于直驱波浪能发电的游标式永磁直线电机，其特点是动子与定子两侧皆放置永磁体以增加电机磁场，从而提升电机推力。由于这种结构在电枢侧也放置永磁体，占用了电枢绕组的空间，因而在相同体积、相同电流密度的条件下，电机电负荷会随之降低，难以进一步提升电机推力密度，其中，在直线电机中常以单位动子质量所产生的推力来定义推力密度。专利CN106953497公开了一种高功率密度的容错永磁游标直线电机，其特点是电机次级铁心仅为齿槽结构，永磁体和电枢绕组在电机初级。这种结构可使电机永磁体用量减少，从而减少电机成本。但与前述专利所公开的结构类似，由于永磁体与电枢在同一侧铁心放置，电机推力密度难以进一步提升。专利CN202435228公开了一种用于城市轨道交通的低速大推力永磁游标直线电机，其电枢绕组置于初级铁心而永磁体置于次级，且永磁体采用交替极海尔贝克阵列以实现聚磁的功能。该结构使直线电机拥有较大的推力密度，但磁场强度受限于次级铁心可放置永磁体的有限空间，推力密度也难以进一步提升。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种永磁体内置式游标永磁直线电机，由此解决现有永磁游标直线电机存在的电机推力密度难以进一步提升的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种永磁体内置式游标永磁直线电机，包括：开槽的次级铁心及永磁体；
所述永磁体内置于所述初级铁心内部开设的槽中，且所述永磁体所产生的磁场极对数与电枢绕组的极对数不相等。
本发明采用内置于次级铁心中的永磁体结构，实现将传统的游标直线电机与永磁体内置结构相结合，使得电机气隙磁密加强，电机初级铁心中的磁密也显著提升，进而提升电机气隙传递电磁功率的能力，提高电机的反电动势、推力密度和功率因数等重要的电磁性能。
优选地，所述永磁体所产生的磁场极对数与电枢绕组的极对数满足如下关系：Pa＝|Pm±ns|，其中，Pm为永磁体极对数，Pa为电枢绕组极对数，ns为初级铁心上的槽数或者初级铁心上的齿数。
优选地，所述电机还包括：开有多个开口槽的初级铁心，以使所述电枢绕组环绕所述初级铁心的铁齿放置于各开口槽中；
所述次级铁心与所述初级铁心以预设气隙间隔设置，所述次级铁心与所述初级铁心之间能够相对移动。
优选地，内置式永磁体之间以隔磁桥抑制不同永磁块间产生的漏磁。
优选地，内置永磁体为矩形，且永磁体充磁方向垂直于矩形长边向内或向外。
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)本发明的电机将传统的游标直线电机与内置式永磁体相结合，消除了传统表贴式结构难以通过进一步增加永磁体用量来增强气隙磁场的限制(因传统表贴式游标永磁直线电机中采用永磁体厚度较大或永磁体极弧较大时会引起严重的极间漏磁，此时电机有效磁通并不会随永磁体用量增加而增强)。因此，电机气隙中参与机电能量转换的有效磁通得到显著加强，电机反电动势、推力密度和功率因数等电磁性能均显著提高；
(2)本发明所提出的永磁体内置式游标永磁直线电机拥有更高的可靠性。永磁体置于次级铁心内部，在日常运行中不易受到污染。永磁体与气隙磁场间有一层铁磁材料，当电机发生故障产生强大的去磁磁场时，这层铁磁材料会陷入饱和，从而限制冲击永磁体的磁场强度，达到保护永磁体、防止永磁体发生不可逆去磁的作用。
(3)本发明所提出的永磁体形式具有良好的聚磁效果，因此电机的永磁体利用率显著提升(也即单位体积或质量的永磁体产生的推力显著提升)。在相同推力要求下，可达到节省永磁体用量的效果(相较于传统表贴式游标永磁直线电机而言)。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种永磁体内置式游标永磁直线电机的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种永磁体内置式游标永磁直线电机次级永磁体放置的四种形式示意图；
图3(a)是本发明实施例提供的一种表贴式游标永磁直线电机在空载工况下的磁力线分布示意图；
图3(b)是本发明实施例提供的一种永磁体内置式游标永磁直线电机在空载工况下的磁力线分布示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-初级铁心，2-初级铁心槽(用于放置电枢绕组)，3-永磁体，4-次级铁心，5-隔磁桥。
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。
本发明提出一种永磁体内置式游标永磁直线电机，通过采用内置式永磁体结构代替原有的表贴式结构，改善了传统游标永磁电机电枢侧磁密较小(相较非游标永磁直线电机而言，因游标电机多极少齿的特殊结构，其电枢铁心齿部磁密较非游标永磁直线电机偏小)的问题，使电机推力密度得到进一步提升。因此，可在相同推力要求下实现电机体积进一步的缩小，或在相同尺寸下实现更大的推力。同时，更大的直线电机推力密度也意味着电机拥有更快的响应速度和更好的动态性能。相较传统的游标永磁直线电机，所提出的电机结构可以将电机推力密度提升37％，使直线电机拥有更好的响应速度或在相同出力要求下实现更小的体积。
如图1所示为本发明实施例提供的一种永磁体内置式游标永磁直线电机的结构示意图。本实施例的直线电机包括初级部分和次级部分，其中初级部分包括初级铁心1，其中，初级铁心1为齿槽结构，初级铁心槽2用于放置电枢绕组，次级部分包括次级铁心4和内置于次级铁心中的永磁体3。初级铁心1与次级铁心4之间以预设物理间隙相隔(称为气隙)，以实现相对运动。
其中，预设物理间隙相隔可以根据实际需要确定，本发明实施例不做唯一性限定。
在一个可选的实施方式中，绕于初级铁心的电枢绕组可以采用分布绕组、集中绕组、正弦绕组等形式，具体采用何种实现方式本发明实施例不做唯一性限定
在一个可选的实施方式中，内置式永磁体可以采用矩形形状。相应地，在电机次级铁心留有相应的槽以放置永磁体。永磁体充磁方向垂直于矩形长边向内或向外。
在一个可选的实施方式中，初级部分为动子，次级部分为定子或者根据具体需求初级部分为定子，次级部分为动子，具体采用何种实现方式，本发明实施例不做唯一性限定。
在一个可选的实施方式中，初级铁心和次级铁心可以由软磁材料切片叠压而成，如硅钢片等；或由非晶合金等软磁材料压制而成，具体采用何种实现方式本发明实施例不做唯一性限定。
在一个可选的实施方式中，置于次级铁心中的永磁体为内置式结构，即永磁体嵌于次级铁心内部。
本发明实施例中次级铁心中的每一极永磁磁极可以由如图1所示的两块永磁体组成，其形状呈V字形，也可以由如图2所示的两块或多块永磁体组成的一字形、W形等，具体采用何种实现方式本发明实施例不做唯一性限定。
在本发明实施例中，每一极永磁磁极下的永磁体拥有一定配合的充磁方向，形成磁场的北极或南极。
在本发明实施例中，内置式永磁体之间以隔磁桥5抑制不同永磁块间产生的漏磁(极间漏磁)，如图2所示。其中，隔磁桥尺寸与永磁体内置形式有关，可以设置在垂直于永磁体充磁方向的平面的两端。隔磁桥本质上是较窄的铁磁材料通路，与电机次级铁心形成较薄的铁磁材料层，因其尺寸较窄，在磁通穿过时极易饱和而形较大的磁阻(相较其他未饱和铁磁材料而言)从而达到隔磁的效果。
电机初级铁心上的槽数(或齿数)为ns，次级铁心上开槽以放置永磁体，其槽数与永磁体块数相等。在电机有效长度内，永磁体极对数Pm与电枢绕组极对数Pa和初级铁心齿(槽)数的关系满足游标电机原理，即Pa＝|Pm±ns|。在运行过程中，永磁磁极产生的磁场经电机初级铁齿调制后产生与电枢绕组同极数的磁场，进而与电枢磁场进行耦合，产生电磁能量转换。
图3(a)是表贴式游标永磁直线电机在空载工况下的磁力线分布示意图；图3(b)是永磁体内置式游标永磁直线电机在空载工况下的磁力线分布示意图。可以发现，通过采用永磁体内置的结构，电机磁密得到显著提升，进而电机推力密度也相应提高。
采用本发明实施例提供的电机的典型应用可以包括但不限于传送系统、伺服系统、抽油机、电磁弹射装置、绘图仪、电梯、波浪能发电系统等低速大推力或高动态响应的直线运动的场合。
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则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种永磁体内置式游标永磁直线电机，其特征在于，包括：开槽的次级铁心及永磁体；
所述永磁体内置于所述初级铁心内部开设的槽中，且所述永磁体所产生的磁场极对数与电枢绕组的极对数不相等。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述永磁体所产生的磁场极对数与电枢绕组的极对数满足如下关系：Pa＝|Pm±ns|，其中，Pm为永磁体极对数，Pa为电枢绕组极对数，ns为初级铁心上的槽数或者初级铁心上的齿数。
3.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述电机还包括：开有多个开口槽的初级铁心，以使所述电枢绕组环绕所述初级铁心的铁齿放置于各开口槽中；
所述次级铁心与所述初级铁心以预设气隙间隔设置，所述次级铁心与所述初级铁心之间能够相对移动。
4.根据权利要求3所述的电机，其特征在于，内置永磁体之间以隔磁桥抑制不同永磁块间产生的漏磁。
5.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，内置永磁体为矩形，且永磁体充磁方向垂直于矩形长边向内或向外。
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