CN109560680B - 一种磁通切换型混合励磁直线记忆电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁通切换型混合励磁直线记忆电机，包括：次级定子铁芯；次级定子铁芯的外侧相对设有至少一个初级动子；初级动子包括多个初级动子模块；初级动子模块包括动子轭，动子轭具有两个突出体，突出体设有电枢齿，位于同一动子轭上的两个突出体之间设有肩角；位于同一初级动子模块中的两个电枢齿之间内嵌有钕铁硼永磁体；突出体上设有与电枢齿的空隙相对应的空孔，空孔内设有与动子轭形成磁回路的铝镍钴永磁体；肩角上设有脉冲绕组槽，脉冲绕组槽内设有脉冲绕组。本发明将记忆电机的运行原理引入直线电机中，提高直线电机弱磁能力和高速运行区间，实现真正意义上的气隙磁场可调；提高整个电机运行体系效率，降低能耗，提高能源利用率。

Description

一种磁通切换型混合励磁直线记忆电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，更具体地说，涉及一种磁通切换型混合励磁直线记忆电机。

背景技术

在直线电机领域，磁通切换型永磁直线电机的永磁体和电枢绕组安装于模块化初级短动子中，而次级长定子结构简单，仅由导磁铁芯组成，可做双边对称磁路并联结构，不仅具有永磁电机的高功率密度和感应电机次级结构简单的双重优势，同时允许高效容错运行，若应用于轨道交通等长定子等场合，可大大降低系统成本。

然而，由于普通永磁材料的固有特性，直线电机内普通永磁体产生的磁场基本恒定，直线电机作为驱动或执行部件电动运行时调速范围十分有限。虽然混合励磁的应用实现了气隙磁场的可调节性，但是两种磁势源增加了电磁特性的复杂性，两磁通间的相互影响一定程度上影响了系统的可靠性，电机长时间运行过程中，励磁电流控制系统存在失败风险，频繁变换电机运行状态产生的反电动势极易造成外接功率部件的损坏，同时，存在增大励磁损耗，增加电机运行发热量等弱点。

永磁记忆电机是一种新型的磁通可变(可控)型永磁电机，采用低矫顽力铝镍钴永磁材料，通过脉冲电流产生磁场，改变低矫顽力永磁材料的磁化强度对气隙磁场进行在线调节，同时永磁材料的磁密水平具有被记忆的特点，可实现反复在线可逆充去磁，几乎无附加励磁损耗，受到国内外学者的广泛关注。

为了有效的提高直线电机运行的可靠性，减少工作中不必要的非线性输出，发明人在综合电机调速性能与稳定性能的基础上，提出本发明的电机结构。可有效提高整个机电系统的动力传递效率，保证直线电机具有较强的工作协调性和应用广泛性。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提出一种磁通切换型混合励磁直线记忆电机，将记忆电机的运行原理引入直线电机中，提高直线电机弱磁能力和高速运行区间，实现真正意义上的气隙磁场可调；提高整个电机运行体系效率，降低能耗，提高能源利用率。本发明采用的技术手段如下：

一种磁通切换型混合励磁直线记忆电机，包括：次级定子铁芯；

所述次级定子铁芯的外侧相对设有至少一个初级动子，所述次级定子铁芯与所述初级动子之间具有气隙；

所述初级动子包括多个初级动子模块，相邻所述初级动子模块之间设有磁障；所述磁障保证了气隙磁场的聚磁效应，有效降低了端部漏磁和磁场分布不均匀的弱点；

所述初级动子模块包括远离所述次级定子铁芯一侧的动子轭，所述动子轭具有两个向所述次级定子铁芯延伸的突出体，所述突出体的靠近所述次级定子铁芯一侧设有电枢齿，两个所述电枢齿并列设置，位于同一所述动子轭上的两个所述突出体之间设有肩角；

位于同一所述初级动子模块中的两个所述电枢齿的空隙之间跨绕有三相电枢绕组，位于同一所述初级动子模块中的两个所述电枢齿之间内嵌有钕铁硼永磁体，所述钕铁硼永磁体沿所述次级定子铁芯的轴向平行充磁，相邻所述初级动子中的所述钕铁硼永磁体的充磁方向相反；

所述突出体上设有与所述电枢齿的空隙相对应的空孔，所述空孔内设有与所述动子轭形成磁回路的铝镍钴永磁体；

所述肩角上设有脉冲绕组槽，所述脉冲绕组槽内设有脉冲绕组，所述脉冲绕组的上端与所述钕铁硼永磁体下端具有间隙；

所述初级动子中的所述脉冲绕组之间构成单项脉冲绕组，脉冲电流方向形成交替分布；

所述次级定子铁芯与所述初级动子相对的一侧具有定子导磁齿。

所述次级定子铁芯轴向长度可无限延长；

若所述磁通切换型混合励磁直线记忆电机包括两个初级动子，则两个所述初级动子位于所述次级定子铁芯的上下两侧且相对设置。

单边(一个初级动子)中三相电枢绕组由两组依次排布(A+B+C)形式三相绕组串联组成，双边(两个初级动子)三相电枢绕组间呈对应分布，减少了三相电枢绕组间的互感，提高了本发明容错运行的能力。

所述脉冲绕组为集中绕组，所述初级动子中的所述脉冲绕组之间依次首尾串联构成单项脉冲绕组。

所述定子导磁齿为凸极式。

所述动子轭、所述电枢齿、所述突出体、所述肩角、所述次级定子铁芯、所述定子导磁齿为软磁材料，所述磁障为不导磁材料。

本发明提出的一种磁通切换型混合励磁直线记忆电机，与现有技术相比，其显著优点为：

(1)可作为轨道交通、控制系统中的执行元件或驱动部件。初级动子采用模块化设计，便于加工和安装，次级定子(铁芯)结构简单，便于实现高速、高精度直线直接运动系统的驱动与控制；

(2)混合励磁的设置一定程度上保证了气隙磁场密度，保证电机具有高功率密度运行所需的驱动能力。

(3)本发明可保证随时对永磁体进行在线反复不可逆充、去磁，实现气隙磁场的在线调磁，同时脉冲绕组只在非常短的时间内施加充、去磁电流，并根据所需工况及时调整充、去磁参数以满足运行目标，可保证整个机电系统的动力传递效率。

(4)串联的脉冲绕组结构，保证在较小幅值的脉冲电流下可实现极少匝数的脉冲绕组的大范围调磁，且电励磁损耗相对较小。

(5)针对不同的性能需求和应用目标，本发明可提供不同的参数指标，保证电机的设计柔性化，适用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式中磁通切换型混合励磁直线记忆电机的结构示意图，其中箭头方向表示钕铁硼永磁体、铝镍钴永磁体的充磁方向。

图2a是本发明的具体实施方式中磁通切换型混合励磁直线记忆电机增磁运行，脉冲绕组正向激励对铝镍钴永磁体充磁且一个初级动子模块运动到A位置时的磁力线示意图。

图2b是本发明的具体实施方式中磁通切换型混合励磁直线记忆电机增磁运行，脉冲绕组正向激励对铝镍钴永磁体充磁且一个初级动子模块运动到B位置时的磁力线示意图。

图3a是本发明的具体实施方式中磁通切换型混合励磁直线记忆电机弱磁运行，脉冲绕组反向激励对铝镍钴永磁体弱磁且一个初级动子模块运动到A位置时的磁力线示意图。

图3b是本发明的具体实施方式中磁通切换型混合励磁直线记忆电机弱磁运行，脉冲绕组反向激励对铝镍钴永磁体弱磁且一个初级动子模块运动到B位置时的磁力线示意图。

其中，图2a-图3b中，实线箭头表示钕铁硼永磁体和三相电枢绕组混合励磁主磁力线及方向，虚线箭头表示铝镍钴永磁体及脉冲绕组激励电流磁力线及方向。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

如图1所示，一种磁通切换型混合励磁直线记忆电机，包括：次级定子铁芯8；所述次级定子铁芯8轴向长度可无限延长；

所述次级定子铁芯8的上下两侧相对设有两个初级动子，所述次级定子铁芯8与所述初级动子之间具有气隙9；

所述初级动子包括多个初级动子模块1，相邻所述初级动子模块1之间设有磁障4；

所述初级动子模块1包括远离所述次级定子铁芯8一侧的动子轭1.1，所述动子轭1.1具有两个向所述次级定子铁芯8延伸的突出体1.3，所述突出体1.3的靠近所述次级定子铁芯8一侧设有电枢齿1.2，两个所述电枢齿1.2并列设置，位于同一所述动子轭1.1上的两个所述突出体1.3之间设有肩角1.4；

位于同一所述初级动子模块1中的两个所述电枢齿1.2的空隙之间跨绕有三相电枢绕组5，位于同一所述初级动子模块1中的两个所述电枢齿1.2之间内嵌有钕铁硼永磁体2；

所述突出体1.3上设有与所述电枢齿1.2的空隙相对应的空孔，所述空孔内设有与所述动子轭1.1形成磁回路的铝镍钴永磁体3；

所述肩角1.4上设有脉冲绕组槽7，所述脉冲绕组槽7内设有脉冲绕组6，所述脉冲绕组6的上端与所述钕铁硼永磁体2下端之间具有间隙；

所述脉冲绕组6为集中绕组，所述初级动子中的所述脉冲绕组6之间依次首尾串联构成单项脉冲绕组。

所述次级定子铁芯8与所述初级动子相对的一侧具有定子导磁齿8.1；

所述定子导磁齿8.1为凸极式。

所述动子轭1.1、所述电枢齿1.2、所述突出体1.3、所述肩角1.4、所述次级定子铁芯8、所述定子导磁齿8.1为软磁材料，所述磁障4为不导磁材料。

如图1所示，每个初级动子模块1中设有钕铁硼永磁体2和铝镍钴永磁体3两种永磁材料，其中钕铁硼永磁体2和三相电枢绕组5在激励电流作用下共同励磁提供气隙主磁场，铝镍钴永磁体3和脉冲绕组6在脉冲电流作用下起调磁作用；

结合图2a、2b、3a和3b所示，初级动子模块1中的磁通随运动位置不同而进行切换，初级动子模块1持续运行时，磁通周期性变换，由于初级动子和次级定子间凸极齿的交错性，实现了电-磁-机械间的能量转换。增磁时，如图2a和2b所示，

铝镍钴永磁体3和脉冲绕组6在正向脉冲电流作用下，产生与钕铁硼永磁体2和三相电枢绕组5主磁通相同方向的调磁磁通，起增磁作用；弱磁时，如图3a和3b所示，铝镍钴永磁体3和脉冲绕组6在反向脉冲电流作用下，产生与钕铁硼永磁体2和三相电枢绕组5主磁通相反方向的调磁磁通，调磁磁通在动子轭1.1和钕铁硼永磁体2间形成磁回路，即钕铁硼永磁体2被调磁磁通反向短路，使得气隙磁场衰减，达到弱磁效果。

所述磁通切换型混合励磁直线记忆电机采用低矫顽力铝镍钴永磁材料，利用铝镍钴永磁材料的特殊属性，通过脉冲电流改变铝镍钴永磁材料的磁化强度，对气隙磁场进行在线调节，同时永磁材料的磁密水平具有被记忆的特点，可实现反复在线可逆充、去磁，几乎无附加励磁损耗；若应用于轨道交通可保证低能耗下运载车辆的频繁加速、减速、骤停、起步和滑行等正常工作工况，提高直线电机的机电转换效率，降低成本，且满足节能、高效、绿色等政策措施。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种磁通切换型混合励磁直线记忆电机，其特征在于，包括：次级定子铁芯；

所述次级定子铁芯的外侧相对设有至少一个初级动子，所述次级定子铁芯与所述初级动子之间具有气隙；

所述初级动子包括多个初级动子模块，相邻所述初级动子模块之间设有磁障；

所述初级动子模块包括远离所述次级定子铁芯一侧的动子轭，所述动子轭具有两个向所述次级定子铁芯延伸的突出体，所述突出体的靠近所述次级定子铁芯一侧设有电枢齿，两个所述电枢齿并列设置，位于同一所述动子轭上的两个所述突出体之间设有肩角；

位于同一所述初级动子模块中的两个所述电枢齿的空隙之间跨绕有三相电枢绕组，位于同一所述初级动子模块中的两个所述电枢齿之间内嵌有钕铁硼永磁体；

所述突出体上设有与所述电枢齿的空隙相对应的空孔，所述空孔内设有与所述动子轭形成磁回路的铝镍钴永磁体；

所述肩角上设有脉冲绕组槽，所述脉冲绕组槽内设有脉冲绕组，所述脉冲绕组的上端与所述钕铁硼永磁体下端之间具有间隙；

所述初级动子中的所述脉冲绕组之间构成单项脉冲绕组；

所述次级定子铁芯与所述初级动子相对的一侧具有定子导磁齿。

2.根据权利要求1所述的磁通切换型混合励磁直线记忆电机，其特征在于：所述次级定子铁芯轴向长度可无限延长；

所述磁通切换型混合励磁直线记忆电机包括两个初级动子，两个所述初级动子位于所述次级定子铁芯的上下两侧且相对设置。

3.根据权利要求1所述的磁通切换型混合励磁直线记忆电机，其特征在于：所述脉冲绕组为集中绕组，所述初级动子中的所述脉冲绕组之间依次首尾串联构成单项脉冲绕组。

4.根据权利要求1所述的磁通切换型混合励磁直线记忆电机，其特征在于：所述定子导磁齿为凸极式。

5.根据权利要求1所述的磁通切换型混合励磁直线记忆电机，其特征在于：所述动子轭、所述电枢齿、所述突出体、所述肩角、所述次级定子铁芯、所述定子导磁齿为软磁材料，所述磁障为不导磁材料。

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