CN109660106B - 一种具有纵向端部倾斜次级结构的直线感应电动机 - Google Patents

Abstract

一种具有纵向端部倾斜次级结构的直线感应电动机，包括两面长初级与一面短次级；所述的两面长初级平行布置，每一面包括叠压在一起的铁芯和绕组，两面长初级之间有间隙。所述的一面短次级在两面长初级之间，能够沿着长初级的长度方向运动；所述的短次级由金属导体板制成。所述短次级纵向端部相对于初级铁芯倾斜一定距离。采用本发明的短次级金属导体版可以削弱电机纵向动态端部效应，进而抑制电机推力波动，改善电机性能。

Description

一种具有纵向端部倾斜次级结构的直线感应电动机

技术领域

本发明涉及一种双边长初级直线感应电动机。

背景技术

直线电机是一种可实现电能与直线运动机械能直接转换的电磁驱动装置，由于省去了中间传动装置实现直接驱动，因而在轨道交通、高精度数控机床等直线驱动领域获得广泛应用。双边长初级直线感应电机(DSLPLIM)具有次级结构简单、散热方便、初级绕组馈电方便可靠等优势，因而在诸如电磁发射系统、车辆碰撞测试平台等瞬时、短行程、大推力领域具有显著应用优势。

DSLPLIM为双边绕组激励的直线感应电动机，当电机三相或多相初级绕组接入对称交流电源时，电机气隙在双边绕组的共同作用下产生行波磁场，此行波磁场作用于次级导体板产生感应涡流，气隙行波磁场与导体板涡流相互作用产生电磁推力，在电磁推力作用下次级导体板带动负载做直线运动。DSLPLIM初级与次级均为开断结构，产生纵向端部效应，使得电机运行时气隙磁场非对称分布，降低了电机的整体能效指标。

DSLPLIM初级铁芯开断产生静态纵向端部效应，次级导体板开断产生动态纵向端部效应。对于DSLPLIM，纵向静态端部效应引起的初级电流不对称分量相对较小，且可以通过初级电流的对称控制来抑制静态纵向端部效应引起的推力波动。纵向动态端部效应产生的次级负序电流与初级正序电流相互作用，将会产生两倍转差频率的推力脉动，是形成DSLPLIM纵向动态端部力、造成电机电磁推力波动的主要因素。根据DSLPLIM纵向动态端部力的产生机理，目前已有专家和学者提出通过电机本体的改进设计来削弱DSLPLIM纵向动态端部效应，进而抑制电机电磁推力波动。

周理兵等在电机与控制学报2014年第18卷第4期中发表的“长初级双边直线感应电机纵向动态端部效应”中基于电机一维磁场分析结果提出：通过降低品质因数可以显著削弱电机动态端部效应，但显然此种方法将降低电机的能效指标。

王敬莆等在电力学报2015年第30卷第6期中发表的“基于2维有限元仿真对高速长初级直线感应电动机纵向边端效应的研究”中提出：电机次级采用多个短导体板，每个导体板在空间错开一定的位置，辅以机械连接，削弱电机次级整体的瞬时推力波动，但是此种方法将无疑增加次级复杂程度、降低系统可靠性。

龙遐令在《直线感应电机的理论和电磁设计方法》一书中提出：通过增多次级覆盖的极数，亦即增加长度也可起到抑制推力波动的作用，但当动子长度一定时，极数增多会缩短极距，高速时对应的运行频率随之提高，在电磁加速等大功率场合将给变流器的设计带来困难。

中国专利201810189140.6公开了一种动态端部效应削弱的短初级直线感应电机，其短初级铁芯入端和出端的齿规律削短，使得端部电磁气隙规律变大，动态端部效应引起的端部磁场变化得以抑制，进而达到削弱动态端部效应、改善电机推力性能的目的。但此种方法增加了电机等效气隙长度，牺牲了电机的力能指标，同时此种初级铁芯结构也会显著增加电机的制作成本，不适用于长初级直线感应电机。

中国专利201810550138.7公开了一种针对轨道交通应用领域的基于V型槽次结构的短初级直线感应电机，提出通过在次级导体板开V型槽来限制次级板上的涡流路径，进而削弱电机横向边端效应，改善电机性能。但是此种方法也会增加电机的制作成本，同时在次级导体板上开槽还会降低次级整体的机械强度，因而限制了此种方法在以瞬时大推力为应用背景的长初级直线感应电机中的应用。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种具有纵向端部倾斜次级结构的直线感应电动机。本发明电机次级两个纵向端面相对于初级铁芯倾斜一定距离，使得电机次级导体板纵向端部所处的初级磁场存在一定的相位差，因而次级沿横向不同位置受到的由端部效应力产生的推力波动也将存在一定相位差，最终电机次级整体合成推力波动幅值被削弱，电机推力性能得以改善。

本发明基于纵向端部倾斜次级结构的直线感应电动机，包括两面长初级与一面短次级；所述的两面长初级平行布置，每一面包括叠压在一起的铁芯和绕组，两面长初级之间有间隙；所述的一面短次级在两面长初级之间，能够沿着长初级的长度方向运动；所述的短次级由金属导体板制成，所述的短次级两个纵向端面相对于初级铁芯沿纵向倾斜一定距离。

进一步地，所述次级导体板可仅在其纵向一端采用倾斜结构，也可在其纵向两端均采用倾斜结构。

进一步地，所述的直线感应电动机，其特征在于：所述次级导体板纵向端部的倾斜结构可以采用横向对称形式或者横向非对称形式。

进一步地，所述的直线感应电动机，其特征在于：所述次级导体板两个纵向端部可采用相同倾斜形式的端部，或者采用不同倾斜形式的端部。

进一步地，所述的直线感应电动机，其特征在于：所述次级导体板采用铜质或铝质材料。

进一步地，所述的直线感应电动机，其特征在于：所述次级导体板横向宽度大于初级铁芯的横向宽度。

附图说明

图1长初级双边直线感应电机整体结构示意图；

图2常规矩形次级结构示意图；

图3实施例一的平行四边形次级结构示意图；

图4实施例二的燕尾形次级结构示意图；

图5实施例三的梭形次级结构示意图；

图6实施例三的次级导体板感应涡流分布仿真结果；

图7相同初级不同次级结构直线感应电机瞬时电磁推力仿真结果；

图8相同初级不同次级结构直线感应电机电磁推力仿真结果比较；

其中，1初级铁芯，2对称绕组，3次级导体板，4常规矩形次级，41矩形次级纵向端部，42矩形次级纵向端部，5平行四边形次级，51平行四边形次级纵向端部，52平行四边形次级纵向端部，6燕尾形次级，61燕尾形次级纵向端部，62燕尾形次级纵向端部，7梭形次级，71平行四边形次级纵向端部，72平行四边形次级纵向端部，8传统矩形次级端部轮廓线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1所示为直线感应电动机整体结构示意图。如图1所示，本发明直线感应电动机包括双边长初级和短次级。双边长初级包括双边初级铁芯1与三相或多项绕组2：为降低铁芯损耗、提高电机能效指标，双边长初级铁芯1均由硅钢片叠压而成；为避免初级端部半填槽引起的推力波动与平均推力损失，同时为了便于绕组的加工与安装，初级电枢绕组2采用单层同心硬绕组结构；此外，双边绕组2产生的磁势在磁路上为串联，双边绕组在电气上可以根据需要采用并联或串联形式连接。

图2所示为常规矩形次级结构。矩形次级4的纵向端部，即次级导体板运动方向的两个端部41与42为直角方形，亦即次级纵向开断边缘采用垂直于次级运动方向且沿电机横向延伸的直线结构。矩形次级4的纵向端部沿电机横向所处初级磁场相位相同，次级纵向端部在电机横向不同位置受到的纵向端部效应力相位相同，作用在次级整体的动态纵向端部效应合力较大，造成电机整体推力波动较大。

图3所示为本发明实施例一的短次级结构：将短次级导体板5的纵向端相对于初级铁芯倾斜距离a₁，导体板5两个纵向端部51与52采用相同倾斜方向与倾斜距离，形成平行四边形次级结构。次级导体板5纵向端部倾斜后，纵向端部沿横向不同位置受到的端部效应力将存在一定的相位差，因此作用在次级整体的端部效应合力较常规矩形次级将会有明显下降。本实施例中导体板5沿横向不再具有对称性，其非对称结构会造成次级两端涡流的在横向的非对称分布，因此会产生附加扭矩，给次级导向装置带来不利影响。

图4所示为本发明实施例二的短次级结构：将短次级导体板6的纵向端部沿电机横向等分为上下两段，上下两段均相对于初级铁芯向次级导体板6内部倾斜距离a₂，导体板6两个纵向端部61与62采用相同倾斜结构与倾斜距离，形成燕尾形次级结构。燕尾形次级结构在端面倾斜的同时，保证了次级结构横向对称性，消除了实施例一中平行四边形次级由于横向不对称产生的附加扭矩。该种结构会减小初、次级之间有效耦合面积，因此在导体板面积相同时，采用此种结构后虽然也可以显著抑制推力波动，但是电机整体平均推力相对传统矩形次级会有所下降。

图5所示为本发明实施例三的短次级结构：将短次级导体板7的纵向端部沿电机横向等分为上下两段，上下两段均相对于初级铁芯向次级导体板7外部倾斜距离a₃，导体板7两个纵向端部71与72采用相同倾斜结构与倾斜距离，形成梭形次级结构。梭形次级结构在端面倾斜的同时，不仅保证了了次级结构横向对称性，同时将原来矩形次级横向端部的一部分面积转移至初级铁芯对应的位置，其次级涡流在梭形两端各增加了一个磁极，如图6所示。本实施例中的次级结构增加了初、次级之间的有效耦合面积，提高了次级板的利用效率，因此在导体板面积相同时，此种结构在削弱推力波动的同时还可提高平均推力。

为进一步说明本发明提出技术方案的有效性，对具有相同初级、采用上述三种实施例所述不同次级结构的直线感应电动机电磁推力进行了三维有限元仿真计算，并与传统矩形次级电磁推力进行比较。在计算过程中保持不同次级结构所具有的总面积相等，对于次级纵向端部倾斜的三种方案保持纵向端部倾斜距离相同，具体计算结果如图7与图8所示。计算结构显示，采用本发明可显著抑制电机推力波动，其中梭形次级在抑制推力波动的同时还可进一步增加电机平均输出推力，验证了本发明技术方案的可行性。

Claims (6)

1.一种具有纵向端部倾斜次级结构的直线感应电动机，包括两面长初级与一面短次级；所述的两面长初级平行布置，每一面包括叠压在一起的铁芯和布置在铁芯槽内的绕组，两面长初级之间有间隙；所述的一面短次级在两面长初级之间，能够沿着长初级的长度方向运动；所述的短次级由金属导体板制成，其特征在于：所述的短次级导体板横向宽度大于初级铁芯的横向宽度，短次级两个纵向端面相对于初级铁芯沿纵向倾斜一定距离。

2.根据权利要求1所述的直线感应电动机，其特征在于：所述短次级的金属导体板在其纵向的端部采用倾斜结构。

3.根据权利要求1所述的直线感应电动机，其特征在于：所述短次级的金属导体板纵向端部的倾斜结构为沿电机纵向倾斜形式。

4.根据权利要求2或3所述的直线感应电动机，其特征在于：所述短次级金属导体板的纵向端部相对于初级铁芯倾斜距离，短次级金属导体板的纵向端部倾斜距离与倾斜方向相同，形成平行四边形次级结构。

5.根据权利要求2或3所述的直线感应电动机，其特征在于：所述短次级金属导体板的纵向端部沿电机横向等分为上下两段，上下两段均相对于初级铁芯向次级导体板内部倾斜距离，导体板的纵向端部采用相同倾斜结构与倾斜距离，形成燕尾形次级结构。

6.根据权利要求2或3所述的直线感应电动机，其特征在于：所述短次级导体板的纵向端部沿电机横向等分为上下两段，上下两段均相对于初级铁芯向次级导体板外部倾斜距离，导体板的纵向端部采用相同倾斜结构与倾斜距离，形成梭形次级结构。

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