CN109728705A - 初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机 - Google Patents
初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机 Download PDFInfo
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Abstract
初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机，它涉及的是电机设备领域。本发明包括初级和次级，次级包括上次级和下次级，上次级设置在初级的上方，下次级设置在初级的下方；初级包括2m+1个导磁齿和m个线圈，2m+1个导磁齿由左至右依次并排平行设置，且2m+1个导磁齿由左至右依次编号为1号导磁齿、2号导磁齿、3号导磁齿、…….2m+1号导磁齿，第m号导磁齿上套装有线圈。次级永磁体采用Halbach排列方式，在取消次级背铁的同时，能够显著提高气隙磁密，从而提升电机推力。呈Halbach排列方式的次级永磁体与初级导磁齿组成串联磁路，电枢绕组的安装空间增大，能够显著提高电机推力密度。
Description
技术领域
本发明涉及永磁直线同步电机，具体涉及初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机，属于电机设备领域。
背景技术
近年来，随着稀土永磁材料性能的不断提高和完善，以及价格逐步降低，加上永磁直线同步电机研究开发经验的逐步成熟，使得永磁直线同步电机在航空航天、国防、工农业和日常生活中获得越来越广泛的应用。与其它非直线电机驱动的直线运动装置相比，由永磁直线同步电机构成的直线运动系统具有结构简单、可靠性高、响应速度快、运行速度不受限制等一系列优点。
然而，应指出的是，与旋转电机配合机械丝杠构成的运动系统相比，永磁直线同步电机系统的输出力密度较低。虽然可以通过采用磁路优化设计、选用高性能的磁性材料等手段，使直线电机的推力密度得到一定程度地提高，但是由于磁路结构的限制，电机推力密度的提升空间有限。相关研究数据表明，在自然冷却的条件下，通过采取以上措施，直线电机的推力密度能达到270-340kN/m3，但是仍远小于旋转电机-机械丝杠系统的力密度。
发明内容
本发明为解决现有永磁直线同步电机推力密度较低的问题，进而提出初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括初级和次级，次级包括上次级和下次级，上次级设置在初级的上方，下次级设置在初级的下方；初级包括2M+1个导磁齿和M个线圈，2M+1个导磁齿由左至右依次并排平行设置，且2M+1个导磁齿由左至右依次编号为1号导磁齿、2号导磁齿、3号导磁齿、…….、2m+1号导磁齿，第m号导磁齿上套装有线圈，所述M为自然数，编号为1，2，3…….m，所述m为自然数的序列1，2，3…….m。
本发明包括初级和次级，次级包括上次级和下次级，上次级设置在初级的上方，下次级设置在初级的下方；初级包括2M+1个导磁齿、2mM个线圈和2M个支架，2M+1个导磁齿由左至右依次并排平行设置，且2M+1个导磁齿由左至右依次编号为1号导磁齿、2号导磁齿、3号导磁齿、…….、2m+1号导磁齿，第m号导磁齿上套装有两个线圈，相邻两个导磁齿通过一个支架连接，所述M为自然数，编号为1，2，3…….m，所述m为自然数的序列1，2，3…….m。
进一步的，上次级由上左端永磁体、多个上永磁体组件、上右端永磁体首尾依次连接组成，每个所述上永磁体组件由上第一永磁体、上第二永磁体、上第三永磁体、上第四永磁体首尾依次连接组成；下次级由下左端永磁体、多个下永磁体组件、下右端永磁体首尾依次连接组成，每个所述下永磁体组件由下第一永磁体、下第二永磁体、下第三永磁体、下第四永磁体首尾依次连接组成。
进一步的，上第一永磁体和上第三永磁体均是等腰梯形，上第二永磁体上第四永磁体均是倒置的等腰梯形，上第一永磁体、上第二永磁体、上第三永磁体、上第四永磁体首尾依次连接组成一个平行四边形，上左端永磁体和上右端永磁体均是倒置的直角梯形，上左端永磁体、多个上永磁体组件、上右端永磁体首尾依次连接组成一个长方形；下第一永磁体和下第三永磁体均是等腰梯形，下第二永磁体和下第四永磁体均是倒置的等腰梯形，下第一永磁体、下第二永磁体、下第三永磁体、下第四永磁体首尾依次连接组成一个平行四边形，下左端永磁体和下右端永磁体均是倒置的直角梯形，下左端永磁体、多个下永磁体组件、下右端永磁体首尾依次连接组成一个长方形。
进一步的，磁齿有多个硅钢片叠加组成。
本发明的有益效果是：本发明呈Halbach排列方式的次级永磁体与初级导磁齿组成串联磁路，从而构成了一种新型无轭型永磁直线同步电机。次级永磁体采用Halbach排列方式，在取消次级背铁的同时，能够显著提高气隙磁密，从而提升电机推力。与传统有轭的永磁直线同步电机相比，取消初级轭部节省的空间可以在导磁齿上放置更多的绕组，能够显著提高电机推力密度与带载能力。初级采用模块化设计，模块化结构有利于生产和安装，可大大降低系统成本；短初级作为动子时，仅由导磁齿或导磁齿与支撑架构成，导磁齿无轭部连接，其重量轻，在短距离弹射系统中可以提高系统的推力密度与带载能力；在推力密度方面：一方面，由于电枢铁心无轭部，电枢绕组的安装空间增大，因而电枢磁动势得以增加，从而能够提高电机的推力密度；另一方面，定子永磁体的Halbach充磁方式使电机的推力密度进一步增大；在运行效率方面：与传统有轭型结构的电机相比，该电机电枢铁心的重量降低，因而电机铁耗减小，运行效率提高；此外，磁路出现饱和的可能性降低，因而能够改善电磁推力-电流特性的线性度，效率可进一步提升；在动态响应方面：电枢铁心的质量减小，有利于动子的快速制动，动态响应性能好；此外，制动电流减小，能够降低永磁体退磁的风险。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是导磁齿通过支架连接时本发明的结构示意图；
图3是电机A相磁链达到正的最大值时局部模块磁力线分布图；
图4是电机A相磁链达到零时局部模块磁力线分布图；
图5是14极12槽无轭型永磁直线同步电机模型；
图6是14极12槽有轭永磁直线同步电机模型。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机，它包括初级1和次级2，次级2包括上次级21和下次级22，上次级21设置在初级1的上方，下次级22设置在初级1的下方；初级1包括2M+1个导磁齿11和M个线圈12，2M+1个导磁齿11由左至右依次并排平行设置，且2M+1个导磁齿11由左至右依次编号为1号导磁齿、2号导磁齿、3号导磁齿、…….、2m+1号导磁齿，第m号导磁齿11上套装有线圈12，，所述M为自然数，编号为1，2，3…….m，所述m为自然数的序列1，2，3…….m。线圈上的正负号表示通电电流方向，+号表示电流为流入纸面，-号表示电流流出纸面。
本实施方式中上次级21、下次级22的永磁体与导磁齿11组成串联磁路，省去了初级1与次级2的轭部，从而大大降低了初级1的成本和重量，提高了电机的推力密度和带负载能力，初级1受到上次级21、下次级22的法向吸力抵消，从而提升了系统运行稳定性。M表示电机的相数和倍数，m＝1,2,3……。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机，它包括初级1和次级2，次级2包括上次级21和下次级22，上次级21设置在初级1的上方，下次级22设置在初级1的下方；初级1包括2M+1个导磁齿11、2M个线圈12和2M个支架13，2M+1个导磁齿11由左至右依次并排平行设置，且2M+1个导磁齿11由左至右依次编号为1号导磁齿、2号导磁齿、3号导磁齿、…….、2m+1号导磁齿，第m号导磁齿11上套装有两个线圈12，上面的所有线圈属于一个线圈组，下面的所有线圈属于一个线圈组，两个线圈组之间可以串联也可以并联，相邻两个导磁齿11通过一个支架13连接，，所述M为自然数，编号为1，2，3…….m，所述m为自然数的序列1，2，3…….m。支架13是密度较小的非导磁材料制作的。
本实施方式通过引入支架13，提高了初级1的机械强度，并且不会过多占用绕组空间，也不会多增加动子质量，M表示电机的相数和倍数，m＝1,2,3……。
具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机的导磁齿11有多个硅钢片叠加组成。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机的上次级21由上左端永磁体215、多个上永磁体组件、上右端永磁体216首尾依次连接组成，每个所述上永磁体组件由上第一永磁体211、上第二永磁体212、上第三永磁体213、上第四永磁体214首尾依次连接组成；下次级22由下左端永磁体225、多个下永磁体组件、下右端永磁体226首尾依次连接组成，每个所述下永磁体组件由下第一永磁体221、下第二永磁体222、下第三永磁体223、下第四永磁体224首尾依次连接组成。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机，其特征在于：上第一永磁体211和上第三永磁体213均是等腰梯形，上第二永磁体212上第四永磁体214均是倒置的等腰梯形，上第一永磁体211、上第二永磁体212、上第三永磁体213、上第四永磁体214首尾依次连接组成一个平行四边形，上左端永磁体215和上右端永磁体216均是倒置的直角梯形，上左端永磁体215、多个上永磁体组件、上右端永磁体216首尾依次连接组成一个长方形；下第一永磁体221和下第三永磁体223均是等腰梯形，下第二永磁体222和下第四永磁体224均是倒置的等腰梯形，下第一永磁体221、下第二永磁体222、下第三永磁体223、下第四永磁体224首尾依次连接组成一个平行四边形，下左端永磁体225和下右端永磁体226均是倒置的直角梯形，下左端永磁体225、多个下永磁体组件、下右端永磁体226首尾依次连接组成一个长方形。
以上次级21与下次级22之间的连线为y轴，以上次级21与下次级22之间连线的中心线为x轴，建立xy直角坐标系；
上左端永磁体215的充磁方向为x轴的负方向，上右端永磁体216的充磁方向为x轴的正方向，上第一永磁体211的充磁方向为y轴的正方向，上第二永磁体212的充磁方向为x轴的正方向，上第三永磁体213的充磁方向为y轴的负方向，上第四永磁体214的充磁方向为x轴的负方向；
下左端永磁体225的充磁方向为x轴的正方向，下右端永磁体226的充磁方向为x的负方向，下第一永磁体221的充磁方向为y轴的正方向，下第二永磁体222的充磁方向为x的负方向，下第三永磁体223的充磁方向为y轴的负方向，下第四永磁体224的充磁方向为x轴的正方向。
其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
工作原理
为了说明本电机的工作原理，图3和图4给出了初级11在不同位置时的磁力线分布。当初级11动子以一定的速度运动到图3所在的位置时，双边次级的永磁体通过初级导磁齿提供的路径组成串联磁路，此时A相绕组中匝链的磁链为正的最大值，此时A相绕组中的反电势幅值降为零；当初级11动子继续以一定的速度运动S/4距离，S表示次级2的永磁体极距，A相绕组中匝链的磁链为零，则此时A相绕组的反电势为负的最大值；当初级11继续以一定速度运动S/4距离，A相绕组中匝链的磁链为负的最大值，并且A相绕组的反电势为零；当初级11继续以一定速度运动S/4距离，A相绕组中匝链的磁链为零，此时A相绕组的反电势为正的最大值；此时初级11动子运动了一个电周期360°(即移动S距离)，其磁链和反电势的变化近似为正弦波。
表1是无轭电机与有轭电机推力对比：
| 参数 | 极数 | 槽数 | 相电流(A) | 推力(N) |
| 无轭型 | 14 | 12 | 1.0 | 225.00 |
| 有轭型 | 14 | 12 | 1.0 | 156.32 |
表1
实施例一：
结合图5来说明本实施例，图5为一台无轭型永磁直线同步电机的模型，在图5所示电机的基础上增加次级23、24背铁，初级13导磁齿连接轭，22、23、13均由硅钢片叠压而成，次级21、22只有沿y方向充磁的永磁体,有轭永磁直线同步电机模型如图6所示。基于Flux软件对两台电机进行有限元数值分析，对比结果如表1所示，两台电机体积、极数、槽数、每相串联匝数、相电流均相同，相对于有轭永磁直线同步电机，无轭型永磁直线同步电机推力提升43.9％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (5)
1.初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机，它包括初级(1)和次级(2)，次级(2)包括上次级(21)和下次级(22)，上次级(21)设置在初级(1)的上方，下次级(22)设置在初级(1)的下方；其特征在于：初级(1)包括2M+1个导磁齿(11)和M个线圈(12)，2M+1个导磁齿(11)由左至右依次并排平行设置，且2M+1个导磁齿(11)由左至右依次编号为1号导磁齿、2号导磁齿、3号导磁齿、…….、2m+1号导磁齿，第m号导磁齿(11)上套装有线圈(12)，所述M为自然数，编号为1，2，3…….m，所述m为自然数的序列1，2，3…….m。
2.初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机，它包括初级(1)和次级(2)，次级(2)包括上次级(21)和下次级(22)，上次级(21)设置在初级(1)的上方，下次级(22)设置在初级(1)的下方；其特征在于：初级(1)包括2M+1个导磁齿(11)、2M个线圈(12)和2M个支架(13)，2M+1个导磁齿(11)由左至右依次并排平行设置，且2M+1个导磁齿(11)由左至右依次编号为1号导磁齿、2号导磁齿、3号导磁齿、…….、2m+1号导磁齿，第m号导磁齿(11)上套装有两个线圈(12)，相邻两个导磁齿(11)通过一个支架(13)连接，所述M为自然数，编号为1，2，3…….m，所述m为自然数的序列1，2，3…….m。
3.根据权利要求1或2所述初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机，其特征在于：上次级(21)由上左端永磁体(215)、多个上永磁体组件、上右端永磁体(216)首尾依次连接组成，每个所述上永磁体组件由上第一永磁体(211)、上第二永磁体(212)、上第三永磁体(213)、上第四永磁体(214)首尾依次连接组成；下次级(22)由下左端永磁体(225)、多个下永磁体组件、下右端永磁体(226)首尾依次连接组成，每个所述下永磁体组件由下第一永磁体(221)、下第二永磁体(222)、下第三永磁体(223)、下第四永磁体(224)首尾依次连接组成。
4.根据权利要求3所述初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机，其特征在于：上第一永磁体(211)和上第三永磁体(213)均是等腰梯形，上第二永磁体(212)上第四永磁体(214)均是倒置的等腰梯形，上第一永磁体(211)、上第二永磁体(212)、上第三永磁体(213)、上第四永磁体(214)首尾依次连接组成一个平行四边形，上左端永磁体(215)和上右端永磁体(216)均是倒置的直角梯形，上左端永磁体(215)、多个上永磁体组件、上右端永磁体(216)首尾依次连接组成一个长方形；下第一永磁体(221)和下第三永磁体(223)均是等腰梯形，下第二永磁体(222)和下第四永磁体(224)均是倒置的等腰梯形，下第一永磁体(221)、下第二永磁体(222)、下第三永磁体(223)、下第四永磁体(224)首尾依次连接组成一个平行四边形，下左端永磁体(225)和下右端永磁体(226)均是倒置的直角梯形，下左端永磁体(225)、多个下永磁体组件、下右端永磁体(226)首尾依次连接组成一个长方形。
5.根据权利要求1或2所述初级、次级无轭型双边次级结构的永磁直线同步电机，其特征在于：导磁齿(11)由多块硅钢片叠压组成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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