CN109245483B - 一种次级无轭部的双边交替极永磁直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种次级无轭部的双边交替极永磁直线电机，包括双初级、次级和电枢绕组，双初级对称设置在次级的两侧边，每侧初级与次级之间均具有气隙；次级包括N2’个均匀间隔排列的次级铁心块；每侧初级均具有N1’个初级齿，每个初级齿的齿顶面均朝向次级，每个初级齿的齿顶面上均设置有n个永磁体槽，相邻两个永磁体槽之间的齿顶面形成为一个铁心凸极；每个永磁体槽内嵌套一块永磁体，其中，n=1，2，3，4或5；每个初级齿上的永磁体的充磁方向相同；N1个初级齿和N2个次级凸极构成电机基本单元，其中，N2=N1×n±i，其中i=1或2；N1’≥N1，N2’≥N2。本发明适合长距离应用场合，能进一步提高推力密度和永磁体利用率，并降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及电机设计技术领域，特别是一种次级无轭部的双边交替极永磁直线电机。
背景技术
近年来，直线电机已经在轨道交通和车间运输等多种场合得到了应用。与传统的旋转电机驱动方式相比，采用直线电机驱动省去了把旋转运动转换为直线运动的机械齿轮装置，从而可以降低驱动系统的体积、成本和机械噪声。
产品化的永磁电机中已经广泛采用稀土永磁材料，从而具有高功率密度、高效率和高功率因数等优点。同样的，稀土永磁材料也被广泛的应用于直线电机中。
因此，永磁直线电机兼具永磁电机和直线电机的优点。与直线感应电机相比，永磁直线电机的推力密度高、体积小、重量轻，且具有发电制动功能。
然而，由于传统的永磁电机的永磁体和电枢绕组分别安装在初级和次级，而永磁体和电枢的成本都较高，在如轨道交通、高层楼宇电梯、车间运输等长距离应用场合中，无疑导致系统的制造成本和维护成本大幅增加。另外，传统的永磁直线电机的动子上装有永磁体或装有电枢绕组，这必然会增加动子的重量，从而降低动态响应能力。（注：长级为定子，短级为动子）
初级表贴式永磁直线电机的永磁体和电枢绕组都在初级上，次级仅有导磁铁心。对于长距离应用场合，可以采用长次级（次级无永磁体和绕组），这就大大降低了成本。对于初级永磁直线电机，按照永磁体与初级铁芯的位置关系，可以分为内置式永磁和表贴式永磁。初级内置式永磁直线电机如专利201310566701.7所示。然而，其永磁体、初级铁芯和电枢绕组的空间相互制约，降低了永磁材料的利用率，如已发表在IEEE磁学汇刊的文章“Quantitative comparison of flux-switching permanent magnet motors withinterior permanent magnet motor for EV HEV and PHEV applications”所述。
而传统的初级表贴式永磁直线电机为单边型，使得动子承受不平衡磁拉力，这不仅影响轴承寿命，还会增大振动和噪声。而且，传统的初级表贴式永磁直线电机的初级齿面装有两块极性相反的永磁体，边缘漏磁较大（推力密度较低），使得永磁体利用率低。另外，由于次级轭部的存在，增加了系统的成本和重量，如图1所示。即使将其改为双边初级和次级无轭部的结构，如图7所示，仍然面临边缘漏磁较大（推力密度较低）和永磁体利用率低的缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种次级无轭部的双边交替极永磁直线电机，该次级无轭部的双边交替极永磁直线电机适合长距离应用场合，能进一步提高推力密度和永磁体利用率，并降低成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种次级无轭部的双边交替极永磁直线电机，包括双初级、次级和电枢绕组，双初级对称设置在次级的两侧边，每侧初级与次级之间均具有气隙。
次级包括N2’个均匀间隔排列的次级铁心块，每个次级铁心块为一个次级凸极。
每侧初级均具有N1’个初级齿，每个初级齿的齿顶面均朝向次级，每个初级齿的齿顶面上均设置有n个永磁体槽，相邻两个永磁体槽之间的齿顶面形成为一个铁心凸极，铁心凸极的数量也为n个；每个永磁体槽内嵌套一块永磁体，使得每个齿顶面上的铁心凸极与永磁体交替排列；其中，n=1，2，3，4或5；每个初级齿上的永磁体的充磁方向相同。
N1个初级齿和N2个次级凸极构成电机基本单元，其中，N2=N1×n±i，其中i=1或2；N1’≥N1，N2’≥N2。
电枢绕组绕制在初级齿上。
电枢绕组的极对数为Np，则Np=k N1/2±N2，k为正整数。
两侧初级上永磁体所在齿顶面的位置相同，两侧初级永磁体的充磁方向相同。
一侧初级齿顶面上的永磁体正对另一侧初级齿顶面上的铁心凸极，两侧初级永磁体的充磁方向相反。
初级和次级铁心块均为导磁材料。
初级为长初级且为定子，次级为动子，则能提高次级动子的动态响应能力。
次级为长次级且为定子，双初级为动子。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用交替极永磁结构，降低了边缘漏磁，提高推力密度和永磁体利用率；降低了永磁体的用量，从而降低了初级的成本。在电机体积和铜耗相同的情况下，将传统单边的初级表贴式永磁直线电机改为如图7所示的双边初级和次级无轭部的结构，则图7结构与本发明1和2的推力相比，本发明的电机具有更高的推力，这是由于本发明的交替极结构降低了边缘漏磁。基于电机体积相同，所以本发明有更高的推力密度（单位体积的推力）；基于本发明的永磁体用量减半，所以本发明有更高的永磁体利用率（单位永磁体用量的推力）。
2、交替极永磁结构使得永磁体的装配更为容易，且降低了永磁体脱落的风险（尤其是初级作为动子时）。
3、次级无轭部、无永磁体、无绕组，降低了次级的成本和重量。选择长次级案例，可以大大降低次级成本；选择长初级案例，可以提高次级动子的动态响应能力，且大大降低初级永磁体的用量（降低成本）。
4、采用双边结构，动子上的不平衡磁拉力可以相互抵消，降低系统的摩擦损耗和振动。
附图说明
图1为传统单边初级表贴式永磁直线电机的结构示意图。
图2为本发明一种次级无轭部的双边交替极永磁直线电机第一种实施例的结构示意图。
图3为本发明一种次级无轭部的双边交替极永磁直线电机第二种实施例的结构示意图。
图4为本发明一种次级无轭部的双边交替极永磁直线电机第三种实施例的结构示意图。
图5为本发明中第一、二种实施例与图7中永磁直线电机的推力对比图。
图6为n=3的初级齿结构示意图。
图7为将传统单边初级表贴式永磁直线电机改为双边初级和次级无轭部时的结构图。
图8为将传统单边初级表贴式永磁直线电机改为双边初级和次级无轭部时的磁力线图。
图9为本发明一种次级无轭部的双边交替极永磁直线电机第二种实施例的磁力线图。
图中有：10.初级；11.电枢绕组；12.永磁体；20.次级；21. 次级铁心块；22.轭部。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图2、图3和图4所示，一种次级无轭部的双边交替极永磁直线电机，包括双初级10、次级20和电枢绕组11，双初级对称设置在次级的两侧边，每侧初级与次级之间均具有气隙。
次级包括N2’个均匀间隔排列的次级铁心块，每个次级铁心块为一个次级凸极。
每侧初级均具有N1’个初级齿，每个初级齿的齿顶面均朝向次级，每个初级齿的齿顶面上均设置有n个永磁体槽，相邻两个永磁体槽之间的齿顶面形成为一个铁心凸极，铁心凸极的数量也为n个；每个永磁体槽内嵌套一块永磁体，使得每个齿顶面上的铁心凸极与永磁体交替排列；其中，n=1，2，3，4或5；每个初级齿上的永磁体的充磁方向相同。
N1个初级齿和N2个次级凸极构成电机基本单元，其中，N2=N1×n±i，其中i=1或2；N1’≥N1，N2’≥N2。
电枢绕组绕制在初级齿上，电枢绕组的极对数为Np，则Np=k N1/2±N2，k为正整数。
初级和次级铁心块均优选为导磁材料。
两侧初级上永磁体的设置位置有如下两种优选实施例：
实施例1：两侧初级上永磁体所在齿顶面的位置相同，两侧初级永磁体的充磁方向相同。
实施例2：一侧初级齿顶面上的永磁体正对另一侧初级齿顶面上的铁心凸极，两侧初级永磁体的充磁方向相反。
可以根据应用需要，选择长初级或者长次级。图2和图3为长次级，图4为长初级。其中，长级为定子，短级为动子。当初级为长初级且为定子，次级为动子，则能提高次级动子的动态响应能力, 且降低初级定子的成本（提高永磁体利用率）。当次级为长次级且为定子，双初级为动子，则能降低成本（动子无永磁体和绕组）。
下面以3相电机，n=1，N1=6，N2=7，长次级为例。
3相电枢绕组（A、B、C三相）和永磁体位于初级，次级无轭部。每相绕组由上边初级
齿上的两个线圈和下边初级齿上的两个串联组成。例如，A相绕组由上边次级齿上的A11、A12和下边次级齿上的A21、A22串联组成。
在图2至图4中，每个初级齿的齿顶面上装有一块永磁体（n=1为例）。
本发明的次级无轭部的双边交替极永磁直线电机有如下三种优选实施例。
第一种实施例（简称本发明1）
如图2所示，次级为长次级，两边初级上的永磁体充磁方向相同，此时，永磁体在上边
初级和在下边初级的位置相同。
第二种实施例（简称本发明2）
如图3所示，次级为长次级，两边初级上的永磁体充磁方向相反，此时，永磁体在上边
初级的位置对应于下边初级铁心凸极的位置。
采用长次级时：次级凸极数是在基本实现单元N2的基础上作的相应扩展，此时，N2’
＞N2。
第三种实施例（简称本发明3）
采用长初级时：初级齿数是在基本实现单元的基础上作相应的扩展，也即N1的数量进行增加。
如图4所示，初级为长初级，两边初级上的永磁体充磁方向相反，此时，永磁体在上边初级的位置对应于下边初级铁心凸极的位置。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用交替极永磁结构，降低了边缘漏磁，提高推力密度和永磁体利用率；降低了永磁体的用量，从而降低了初级的成本。在电机体积和铜耗相同的情况下，将传统单边的初级表贴式永磁直线电机改为如图7所示的双边初级和次级无轭部的结构，则图7所示的电机和本发明1和发明2电机的推力相比，本发明的电机具有更高的推力，如图5所示，这是由于本发明的交替极结构降低了边缘漏磁，如图8和图9所示。基于电机体积相同，所以本发明有更高的推力密度（单位体积的推力）；基于本发明的永磁体用量减半，所以本发明有更高的永磁体利用率（单位永磁体用量的推力）。
2、交替极永磁结构使得永磁体的装配更为容易，且降低了永磁体脱落的风险（尤其是初级作为动子时）。
3、次级无轭部、无永磁体、无绕组，降低了次级的成本和重量。选择长次级案例，可以大大降低次级成本；选择长初级案例，可以提高次级动子的动态响应能力，且大大降低初级永磁体的用量（降低成本）。
4、采用双边结构，动子上的不平衡磁拉力可以相互抵消，降低系统的摩擦损耗和振动。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种次级无轭部的双边交替极永磁直线电机，其特征在于：包括双初级、次级和电枢绕组，双初级对称设置在次级的两侧边，每侧初级与次级之间均具有气隙；
次级包括N2’个均匀间隔排列的次级铁心块，每个次级铁心块为一个次级凸极；
每侧初级均具有N1’个初级齿，每个初级齿的齿顶面均朝向次级，每个初级齿的齿顶面上均设置有n个永磁体槽，相邻两个永磁体槽之间的齿顶面形成为一个铁心凸极，铁心凸极的数量也为n个；每个永磁体槽内嵌套一块永磁体，使得每个齿顶面上的铁心凸极与永磁体交替排列；其中，n=1，2，3，4或5；每个初级齿上的永磁体的充磁方向相同；
N1个初级齿和N2个次级凸极构成电机基本单元，其中，N2=N1×n±i，其中i=1或2；N1’≥N1，N2’≥N2；
电枢绕组绕制在初级齿上；
两侧初级齿顶面上的永磁体具有如下两种布设方式：
布设方式一：两侧初级上永磁体所在齿顶面的位置相同，两侧初级永磁体的充磁方向相同，相邻的两个初级齿上的永磁体不在同一位置；
布设方式二：一侧初级齿顶面上的永磁体正对另一侧初级齿顶面上的铁心凸极，两侧初级永磁体的充磁方向相反，相邻的两个初级齿上的永磁体不在同一位置；
两侧初级均为交替极永磁结构，能降低边缘漏磁和永磁体用量，提高推力密度和永磁体利用率，从而降低初级成本；在电机体积和铜耗相同的情况下，具有更高的推力；基于电机体积相同，因而具有更高的推力密度和永磁体利用率；采用双边的初级齿结构，动子上的不平衡磁拉力能相互抵消，降低系统的摩擦损耗和振动。
2.根据权利要求1所述的次级无轭部的双边交替极永磁直线电机，其特征在于：电枢绕组的极对数为Np，则Np=k N1/2±N2，k为正整数。
3.根据权利要求1或2所述的次级无轭部的双边交替极永磁直线电机，其特征在于：初级和次级铁心块均为导磁材料。
4.根据权利要求1或2所述的次级无轭部的双边交替极永磁直线电机，其特征在于：初级为长初级且为定子，次级为动子，则能提高次级动子的动态响应能力。
5.根据权利要求1或2所述的次级无轭部的双边交替极永磁直线电机，其特征在于：次级为长次级且为定子，双初级为动子。
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