CN109586543B - 电磁助推用定子无铁心永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁助推用定子无铁心永磁直线电机，包括定子和动子，定子为无铁心结构，定子对称放置在动子的外侧。通过改进定子结构和动子中永磁体的排布方式，增强两侧绕组磁场的作用，具有双向聚磁能力，从而提高了直线电机气隙磁密，增加电机的推力密度，提高输出的电磁推力。本发明中的电磁助推用定子无铁心永磁直线电机结构简单、电机效率高、电磁噪声低，能够短时输出足够大的电磁推力以供电磁助推，并具有较低的重量。

Description

电磁助推用定子无铁心永磁直线电机

技术领域

本发明涉及直线电机，特别是涉及一种电磁助推用定子无铁心永磁直线电机。

背景技术

目前，近年来，电磁助推在飞机、航天器和导弹助推方面得到了很大的发展和广泛关注，是当前以及未来军事领域发展的重要技术。相对于传统蒸汽助推，电磁助推技术具有优秀的可控性和稳定性。

直线电机作为电磁助推系统推力的主要提供者，在该领域具有极其重要的地位。目前，直线电机的电机类型主要由感应直线电机、永磁型磁通切换直线电机和永磁直线同步电机，其中，感应直线电机具有结构简单、动子重量轻、减速距离短、无永磁体、次级结构简单和成本低等优点，国内外学者对感应直线电机的电磁特性、优化设计、电机模型的控制策略进行了详细的研究，尤其是双边长初级感应电机一直是电磁助推系统中的主要研究对象，但是感应直线电机的推力密度、效率和功率密度都较低。永磁型磁通切换直线电机动子结构简单、坚实耐用、速度范围宽、退磁风险小并且冷却方便、具有容错能力，是目前国内外电机研究人员重要的研究对象，具有良好的发展前景，但永磁型磁通切换电机的永磁体漏磁较大、功率密度低、推力波动大、制造工艺复杂以及动子铁心质量很大；永磁直线电机具有功率密度大、效率高和功率因素高等优点，主要分为动圈式和动磁式：动圈式运动部件需要通电，不安全、不可靠、运动部件重量大，动磁式运动部件无电枢绕组、结构部件简单可靠，运动部件重量轻，但永磁直线电机的铁心体积重量和损耗大、产热明显、永磁体退磁风险大、齿槽转矩和噪声大、并且铁心易饱和，电机过载能力有限。

在电磁助推过程中，电机运行时间短，瞬间出力大，感应直线电机和永磁型磁通切换直线电机推力密度相对较低，输出同样大小的推力需要的体积和重量更大，传统有铁心永磁直线电机虽然推力密度较高，但其铁心容易饱和，过载能力有限，亦需要较大的体积和重量。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种电磁助推用定子无铁心永磁直线电机，气隙磁密和推力密度高，能够短时输出足够大的电磁推力以供电磁助推，同时结构简单，安装方便，重量低、体积小。

技术方案：本发明所述的电磁助推用定子无铁心永磁直线电机，包括定子和动子，定子为无铁心结构，定子为两组，且对称放置在动子的外侧；定子包括绕组和绕组骨架，绕组固定在绕组骨架上；动子包括至少一对极，每对极包括两极，每相邻两极紧密配合，每极包括四块永磁体、一个导磁动子轴和用于固定永磁体的非导磁固定件，四块永磁体绕动子轴依次间隔90°排列固定在动子轴外侧面上，固定件位于永磁体外侧，并且永磁体、动子轴和固定件之间紧密配合；永磁体只拥有N和S两个极性，同一极内位置相对的两块永磁体形状、大小和相对于动子轴的充磁方向均相同，同一极内位置不相对的永磁体充磁方向相对于动子轴相反，每相邻两极的相邻两块永磁体的充磁方向相反。

为了增大气隙磁密，绕组骨架为导磁性铁材料。

为了降低绕组骨架加工难度，绕组骨架为分段式，每段绕组骨架之间采用非导磁骨架进行连接。

为了安装方便、制作工艺简便，永磁体的形状、大小均相同。

工作原理：本发明中的电磁助推用定子无铁心永磁直线电机，由于取消了定子铁心，电枢绕组直接暴露在磁场中，通电后在磁场中受到切向电磁力作用，不存在磁场饱和现象，电机的过载能力很强；并且通过改进定子结构和动子中永磁体的排布方式，增强两侧绕组区域磁场强度，具有双向聚磁能力，从而提高了直线电机气隙磁密，增加电机的推力密度，提高输出的电磁推力。

有益效果：本发明中的电磁助推用定子无铁心永磁直线电机相比传统有铁心直线电机重量低、体积小、无转矩脉动、损耗低、响应速度快、过载能力强；相比普通无铁心直线电机磁路磁阻更小、气隙磁密和推力密度更高；同时结构简单、安装方便。

附图说明

图1为两对极电机及其磁路二维示意图；

图2为电机的一极永磁体不带轴和固定件的三维示意图；

图3为电机的一极永磁体带有轴和固定件的三维示意图；

图4为电机的绕组和背铁三维示意图；

图5为电机的绕组三维示意图。

具体实施方式

如图1-5，本发明的电磁助推用定子无铁心永磁直线电机，包括定子1和相对定子1运动的动子2，定子1为无铁心结构，定子1与动子2之间具有气隙，定子1为两组，对称放置在动子2的上下两侧，中间为动子2。

定子1包括绕组3和绕组骨架4，如图5所示，采用性能良好的胶黏剂对绕组3进行填充固定在绕组骨架4上，绕组骨架4采用导磁性铁材料，有利于提高气隙磁密，同时为了制作工艺简单，绕组骨架4采用分段式，如图4所示，每段绕组骨架4之间采用非导磁骨架进行连接。

动子2包括两对极，每对极包括两极。每相邻两极紧密配合，每极包括四块永磁体5、一个导磁动子轴6和用于固定永磁体5的非导磁固定件7，动子轴6轴向横截面为正方形，永磁体5的轴向横截面近似为梯形，上底面与动子轴6相互吸引，每极下的四块永磁体5的形状、大小均相同，四块永磁体5绕动子轴6依次间隔90。排列固定在动子轴6外侧面上。每极内的四块永磁体5的外侧用固定件7固定，固定件7轴向横截面为正方形，永磁体5、动子轴6和固定件7之间紧密配合，使每一极轴向横截面为正方形。

永磁体5具有N和S两个极性，每极下的四块永磁体5的形状、大小均相同，同一极内位置相对的两块永磁体5相对于动子轴6的充磁方向均相同，同一极内位置不相对的永磁体5充磁方向相对于动子轴6相反，每相邻两极的相邻两块永磁体5的充磁方向相反，具体充磁方向的示意图如图1中箭头方向所示。

即：对于永磁体5的充磁方向，按照如下规律：

(1)每一极规律：正对绕组的上下两块永磁体5相对于动子轴6的极性相同，远离绕组3的左右两块永磁体5相对于动子轴6的极性相同，上下两块永磁体5的极性与左右两块永磁体5的极性相对于动子轴6相反；即：

当上下两块永磁体5正对绕组3一侧的极性为N极，正对动子轴6一侧的极性为S极，充磁方向由动子轴6指向绕组3；则左右两块永磁体5正对动子轴6一侧的极性为N极，远离动子轴6一侧的极性为S极。

当上下两块永磁体5正对绕组3一侧的极性为S极，正对动子轴6一侧的极性为N极，充磁方向由绕组3指向动子轴6；则左右两块永磁体5正对动子轴6一侧的极性为S极，远离动子轴6一侧的极性为N极。

(2)相邻极规律：每相邻两极的相邻两块永磁体5的充磁方向相反，即：

当一极内左右两块永磁体5远离动子轴6一侧的极性为N极，靠近动子轴6一侧的极性为S极时；与其相邻极的左右两块永磁体5远离动子轴6一侧的极性为S极，靠近动子轴6一侧的极性为N极；

当一极内左右两块永磁体5远离动子轴6一侧的极性为S极，靠近动子轴6一侧的极性为N极时；与其相邻极的左右两块永磁体5远离动子轴6一侧的极性为N极，靠近动子轴6一侧的极性为S极。

工作原理：本发明中取消了定子铁心，电枢绕组直接暴露在磁场中，通电后在磁场中受到切向电磁力作用，不会存在磁场饱和现象，电机的过载能力很强；并且通过改进定子1结构和动子2中永磁体5的排布方式，增强两侧绕组3区域磁场强度，具有双向聚磁能力，从而提高了直线电机气隙磁密，增加电机的推力密度，提高输出的电磁推力。并且由于同一极下的四块永磁体5，以及相邻极的相邻永磁体5具有相互吸引的作用，永磁体5组装方便。

Claims (5)

1.一种电磁助推用定子无铁心永磁直线电机，包括定子(1)和动子(2)，定子(1)为无铁心结构，其特征在于：所述定子(1)对称放置在动子(2)的外侧；所述定子(1)包括绕组(3)和绕组骨架(4)，绕组(3)固定在绕组骨架(4)上；所述动子(2)包括至少一对极，每对极包括两极，每相邻两极紧密配合，每极包括四块永磁体(5)、一个导磁动子轴(6)和用于固定永磁体(5)的非导磁固定件(7)，四块永磁体(5)绕动子轴(6)依次间隔90°排列固定在动子轴(6)外侧面上，固定件(7)位于永磁体(5)外侧，并且永磁体(5)、动子轴(6)和固定件(7)之间紧密配合；所述永磁体(5)具有两个极性，同一极内位置相对的两块永磁体(5)形状、大小和相对于动子轴(6)的充磁方向相同，同一极内位置不相对的永磁体(5)充磁方向相对于动子轴(6)相反，每相邻两极的相邻两块永磁体(5)的充磁方向相反；所述绕组骨架(4)为导磁性材料。

2.根据权利要求1所述的电磁助推用定子无铁心永磁直线电机，其特征在于：所述绕组骨架(4)为铁材料。

3.根据权利要求1所述的电磁助推用定子无铁心永磁直线电机，其特征在于：所述绕组骨架(4)为分段式，每段绕组骨架(4)之间采用非导磁骨架进行连接。

4.根据权利要求1所述的电磁助推用定子无铁心永磁直线电机，其特征在于：所述永磁体(5)的形状、大小均相同。

5.根据权利要求1所述的电磁助推用定子无铁心永磁直线电机，其特征在于：所述绕组(3)粘接在绕组骨架(4)上。

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