CN109980888A - 次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机，包括初级和次级，初级为齿槽结构，其导磁齿上交替设置集中电枢绕组和集中励磁绕组，相邻集中励磁绕组绕向相反；每个设有集中励磁绕组的导磁齿表面贴有两块永磁体，永磁体之间留有导磁桥；同一导磁齿表面的永磁体充磁方向相同，均为竖直充磁，相邻导磁齿表面的永磁体充磁方向相反；初级导磁齿上设有2*m*k*n个集中电枢绕组和2*m*k*n+1个集中励磁绕组；所述次级设有分段导磁块，次级与初级极距之比等于或约等于4*m*k/(2*m*k±1)。本发明电机有无刷、次级结构简单、每相反电动势对称且近似正弦、推力脉动小、初级励磁、功率密度高、效率高等特点，可用于城市轨道交通驱动系统、垂直提升系统、电磁弹射系统等领域；也适用于海浪发电等场合，通过调节励磁电流的大小，从而达到变速恒压输出及恒速变压输出的效果。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种初级混合励磁直线电机，具体涉及的是次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机，属于电机制造技术领域。
背景技术
随着工业的发展，直线电机得到广泛的应用。各个领域对驱动电机及系统的要求越来越高，采用旋转电机和机械转换装置将旋转运动转换为直线运动的驱动方式越来越不能满足相应要求，而采用直线电机驱动可以降低成本，减小系统体积，减小噪声。在如轨道交通、高层楼宇电梯、工厂运输等场合，采用旋转电机会出现驱动复杂、成本高、动态响应慢等问题。因此，采用直线电机代替旋转电机这一技术手段，可以克服旋转电机在应用上的上述缺点，提高整个系统的效率。
目前直线感应电机已经在广州地铁线路中得到应用。直线感应电机结构简单，维护方便，系统成本低，在城市轨道交通驱动中发挥重要作用。但是，直线感应电机效率和功率因数低，调速性能不佳，控制复杂，性能仍然无法与直流电机相比。
直线永磁同步电机没有励磁绕组，具有效率高、功率密度高等优点。但是，传统直线永磁同步电机的绕组和永磁体分别放置在电机的初级和次级，在轨道交通等长定子应用场合中永磁体或电枢绕组沿轨道铺设会带来成本过大、维护不便的问题。而且永磁体为稀有材料，价格昂贵，性能对环境温度、机械振动等因素敏感，不容易实现弱磁控制，控制系统复杂，在轨道交通应用场合存在许多缺点。
初级永磁型无刷直线电机的电枢绕组、永磁体均置于初级，具有次级结构简单、功率密度、效率高的优点，但是由于该类电机采用永磁体进行励磁，弱磁能力较差，在高速运行时难以实现恒功率调速，并且调速范围较窄，在轨道交通等对调速要求较高的领域的应用收到了极大的限制。
发明内容
所要解决的技术问题：
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种电枢绕组、励磁绕组与永磁体均置于初级且可以单独控制，反电势近似正弦的磁路互补型混合励磁直线电机。
技术方案：
为了实现以上功能，本发明提供了一种次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机，包括初级11和次级10，所述初级11和次级10都为导磁材料且二者之间具有气隙，所述初级11上设有导磁齿110，导磁齿110上交替设置集中电枢绕组111和集中励磁绕组112，相邻集中励磁绕组112绕向相反，每个设有集中励磁绕组112的导磁齿110表面贴有两块永磁体113，永磁体113之间留有导磁桥114，同一导磁齿110表面的永磁体113充磁方向相同，均为竖直充磁，相邻导磁齿110表面的永磁体113充磁方向相反，其特征在于，
所述初级11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*k*n+1，相邻两导磁齿110中心线距离为初级11极距τp；所述导磁齿110上绕有2*m*k*n+1个集中励磁绕组112和2*m*k*n个集中电枢绕组111，，设置集中励磁绕组112的导磁齿110称为励磁绕组导磁齿，设置集中电枢绕组111的导磁齿110称为电枢绕组导磁齿，所述次级10设有分段导磁块，相邻两分段导磁块中心线距离为次级极距τs，τs/τp＝4*m*k/(2*m*k±1)或τs/τp≈4*m*k/(2*m*k±1)；
其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中任意一相电枢绕组串联的集中电枢绕组111对数。
进一步的，每个电机单元中的集中励磁绕组112为串联连接，构成励磁绕组单元，各电机单元之间的励磁绕组单元串联或并联联接。
进一步的，每个电机单元中任意一相电枢绕组由k对集中电枢绕组111串联组成，从第一个集中电枢绕组111起有k个置于相邻的电枢绕组导磁齿上的集中电枢绕组111属于同一相，其后在电枢绕组导磁齿上依次交替设置属于相邻相的k个集中电枢绕组111，按照上述排列方式，属于同相的2k个集中电枢绕组111形成k对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两个集中电枢绕组111与次级10的相对位置相差半个次级10极距，对应为180度电气角度，二者具有互补特性。
作为一种优选，所述集中励磁绕组112和集中电枢绕组111为铜或超导材料。
作为一种优选，该电机还包括在初级11两端各增加一个附加导磁齿115。
作为一种优选，该电机还设有一个运动部件，所述初级11和次级10一个为固定部件，以所述初级11或次级10为固定部件，另一个为运动部件，以初级11上边沿或次级10下边沿为轴垂直翻转，构成双边平板结构的电机。
作为一种优选，所述次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机是电动机或发电机。
有益效果：
本发明提供的次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机是电动机或发电机，作为电动机运行时，通过改变励磁电流的大小可以提高恒功率运行速度范围，作为发电机运行时，通过改变励磁电流的大小，可以得到不同速度下恒定的反电动势。
本发明作为驱动电机用时，特别适合宽调速驱动场合，例如城市轨道交通驱动直线电机等需要宽调速范围的应用场合；本发明还特别适合作为发电机使用，用于海浪发电等场合，该电机结构简单，次级仅由导磁块组成，重量轻，电枢绕组、励磁绕组与永磁体均置于初级，通过调节励磁电流的大小，从而达到变速恒压输出以及恒速变压输出特性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1本发明次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机实施例1电机结构示意图；
图2本发明次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机实施例2电机结构示意图；
图3本发明次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机实施例3电机结构示意图；
图4本发明次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机实施例4电机结构示意图；
图5本发明次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机实施例5电机结构示意图；
图6本发明次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机实施例5另一电机结构示意图；
图7本发明次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机实施例6电机结构示意图；
其中，10-次级，11-初级，110-基导磁齿，111-集中电枢绕组，112-集中励磁绕组，113-永磁体，114-导磁桥，115-附加齿。
具体实施方式
本发明提供一种次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参见图1，本发明的次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机包括初级11和次级10，初级11和次级10都为导磁材料且二者之间具有气隙，初级11上设有导磁齿110，导磁齿110上交替设置集中励磁绕组112和集中电枢绕组111，每个设有集中励磁绕组112的导磁齿110表面贴有两块永磁体113，永磁体113之间留有导磁桥114。永磁体113充磁方向如箭头所示。本实施例电机中，m＝3，k＝1，n＝1，其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中一相电枢绕组串联的集中电枢绕组对数。即，该电机为三相电机，具有A、B、C三相，包含有1个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组。所以初级11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*k*n+1＝13，导磁齿110设有集中励磁绕组112的个数为2*m*k*n+1＝7，设有集中电枢绕组111的个数为2*m*k*n＝6；次级10与初级11极距之比为τs/τp＝4*m*k/(2*m*k±1)或τs/τp≈4*m*k/(2*m*k±1)，可取τs/τp＝12/5，12/7或τs/τp≈12/5，12/7，本实施例取τs/τp＝12/7。集中励磁绕组112和集中电枢绕组111交替设置在初级导磁齿110上，同一导磁齿110上的集中励磁绕组112产生的磁场可根据实际运行时的要求设置为均与永磁体113相同或相反以达到调节磁场的作用。
本发明电机的每个电机单元中，集中励磁绕组112和集中电枢绕组111交替设置在初级导磁齿110上，集中励磁绕组112的个数为2*m*k*n+1，集中电枢绕组111的个数为2*m*k*n，任意一相电枢绕组所串联的集中电枢绕组111的对数为k，设置集中电枢绕组111的导磁齿110称为电枢绕组导磁齿，设置集中励磁绕组112的导磁齿110称为励磁绕组导磁齿；m相电枢绕组在空间上的排列方式具有如下特点，从第一个集中电枢绕组111起有k个置于相邻的电枢绕组导磁齿上的集中电枢绕组111属于同一相，其后在电枢绕组导磁齿上依次交替设置属于相邻相的k个集中电枢绕组111，按照上述排列方式，属于同相的2k个集中电枢绕组111形成k对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两个集中电枢绕组111与次级10的相对位置相差半个次级10极距，对应为180度电气角度，串联组成一相绕组时，互补的集中电枢绕组中的反电势谐波相互抵消，相电势比较正弦。n个电机单元的相电枢绕组的链接方式相同，每个电机单元中的励磁绕组串联组成励磁绕组单元，n个电机单元的励磁绕组为串联或并联联接。
由于本实施例中k＝1，因此交替设置在初级导磁齿上110的集中电枢绕组111的个数为6，集中励磁绕组112的个数为7，其中属于不同相的电枢绕组A，B，C依次交替置于电枢绕组导磁齿110上，属于同相的2个集中电枢绕组111形成1对互补集中电枢绕组，两个集中电枢绕组111与次级10的相对位置相差半个次级10极距，对应电磁特性在空间上相差180度电气角度。如图1中A相两集中电枢绕组A1和A2，此时，集中电枢绕组A1所在的初级11齿中心线正对着次级10模块中心线，而集中电枢绕组A2所在的初级11齿中心线正对着两次级10模块之间的中心线，二者与次级10的相对位置相差半个次级10极距，二者在空间上相差180度电气角度。通过合理设置A1，A2绕线，可使二者反电势相互叠加。因此，集中励磁绕组112通入直流电后，集中电枢绕组A1和A2串联组成A相绕组的反电势基波值约为每个集中电枢绕组中反电势基波值的2倍。但是，当初级11移动一个电气周期360°(即，移动一个次级10极距)过程中，A相集中电枢绕组A1和A2与次级10相对位置存在磁路上的差异。如图1所示位置时，如假定此时集中电枢绕组A1中的磁链近似为零，称为第一平衡位置，此时集中电枢绕组A2中的磁链也近似为零，由于集中电枢绕组A2与A1相对次级10的位置不同，相差半个次级10极距，因此该位置称为第二平衡位置。在初级11向右移动一个电气周期过程中，A相集中电枢绕组A1中磁链幅值变化过程为：第一平衡位置——正最大幅值——第二平衡位置——负最大幅值——第一平衡位置；而A相集中电枢绕组A2中磁链幅值变化过程为：第二平衡位置——正最大幅值——第一平衡位置——负最大幅值——第二平衡位置。因此，两部分电枢绕组中的磁链变化趋势对称互补。A相集中电枢绕组A1和A2中产生的磁链都为双极性磁链(即，有正有负)，此特点与传统的双凸极电励磁直线电机不同。A相集中电枢绕组A1和A2中产生的反电势波形也具有对称性，串联组成A相绕组后，其谐波分量相互抵消，得到的相反电势具有较好的正弦特性，从而减小了推力波动。
B，C两相同样具有A相的特点，三相之间相位互差120°电角度。
当电机需要运行在高速时，减小直流励磁电流的大小，从而减小电机的励磁磁场强度，达到调速目的。低速时需要增加电机推力时，可以增加直流励磁电流，提高推力。
实施例2
图2也为一台次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机。本实施例中，k＝1，n＝2，m＝3，即，该电机为三相电机，包含有2个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组。所以，其初级11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*k*n+1＝25，导磁齿110设有集中电枢绕组111的个数为2*m*k*n＝12，设有集中励磁绕组112的个数为2*m*k*n+1＝13；次级与初级极距之比为τs/τp＝4*m*k/(2*m*k±1)或τs/τp≈4*m*k/(2*m*k±1)，可取τs/τp＝12/5，12/7或τs/τp≈12/5，12/7，本实施例取τs/τp＝12/7。
本实施例中，永磁体113的充磁方式与实施例1相同，初级11两端的永磁体113向下充磁，相邻导磁齿110间永磁体113充磁方向相反，同一导磁齿110上的集中励磁绕组112磁场可根据实际运行时的要求设置为均与永磁体113相同或相反以达到调节磁场的作用，为清晰地显示电机结构，本实施例附图中略去了充磁方向的标记。
初级11中第一电机单元中的励磁绕组串联联接组成第一励磁绕组单元，A相电枢绕组由两个集中电枢绕组A1，A2串联组成。集中电枢绕组A1和A2与次级10的相对位置互差半个次级10极距，对应180度电气角度。因此，集中电枢绕组A1和A2具有互补特性，二者串联组成A相绕组时，其中所产生的反电势谐波含量相互抵消，相反电势较正弦。同样，第二电机单元中的集中励磁绕组112和集中电枢绕组A3和A4也具有第一电机单元的特性，因此，集中电枢绕组A3和A4之间也具有互补特性。第一励磁绕组单元和第二励磁绕组单元可串联或并联组成励磁绕组，当两电机单元中的集中电枢绕组A1，A2，A3和A4串联组成A相绕组时，集中绕组中产生的反电势高次谐波相互抵消，A相绕组反电势基波幅值近似为集中绕组A1，A2，A3和A4基波幅值的四倍，具有较好的正弦特性。
实施例3
图3也为一台次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机。本实施例中，k＝2，n＝1，m＝3，即该电机为三相电机，包含有1个电机单元，每个电机单元中有k＝2对集中电枢绕组，所以初级11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*k*n+1＝25，导磁齿110设有集中电枢绕组111的个数为2*m*k*n＝12，设有集中励磁绕组112的个数为2*m*k*n+1＝13；次级与初级极距之比为τs/τp＝4*m*k/(2*m*k±1)或τs/τp≈4*m*k/(2*m*k±1)，可取τs/τp＝24/11，24/13或τs/τp≈24/11，24/13，本实施例取τs/τp＝24/13。
本实施例中，永磁体113的充磁方式与实施例1相同，初级11两端的永磁体113向下充磁，相邻导磁齿110间永磁体113充磁方向相反，同一导磁齿110上的集中励磁绕组112磁场可根据实际运行时的要求设置为均与永磁体113相同或相反以达到调节磁场的作用，为清晰地显示电机结构，本实施例附图中略去了充磁方向的标记。
可见，本实施例电机的集中励磁绕组112和集中电枢绕组111交替设置在初级导磁齿110上，任意一相电枢绕组所串联的集中电枢绕组111的对数为k＝2，三相电枢绕组在空间上的排列方式具有以下特点，从第一个集中电枢绕组起，有k＝2个置于两相邻的电枢绕组导磁齿上集中电枢绕组属于同一相(如图3中集中电枢绕组A1，A1’属于A相)，其后在电枢绕组导磁齿上依次交替设置属于相邻相的k个集中电枢绕组，按照上述排列方式，三相集中电枢绕组的排列方式为：A1A1’-B1B1’-C1C1’-A2A2’-B2B2’-C2C2’。属于同相的2k＝4个集中电枢绕组形成k＝2对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两个集中电枢绕组(如集中电枢绕组A1与A2或A1’与A2’)与次级的相对位置相差半个次级极距，对应为180度电气角度，形成互补结构，串联组成一相绕组时，互补的集中电枢绕组中的反电势谐波相互抵消，相电势比较正弦。值得说明的是，由于集中电枢绕组A1和A1’，A2和A2’与次级10的相对位置较接近，集中绕组A1，A1’，A2和A2’串联组成A相绕组时，A相绕组反电势幅值稍小于集中绕组A1，A1’，A2和A2’基波幅值的四倍。
实施例4
图4为一台五相次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机。本实施例中，k＝1，n＝1，m＝5，即该电机为五相电机，包含有1个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组，所以初级11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*k*n+1＝21，导磁齿110设有集中电枢绕组111的个数为2*m*k*n＝10，设有集中励磁绕组112的个数为2*m*k*n+1＝11；次级与初级极距之比为τs/τp＝4*m*k/(2*m*k±1)或τs/τp≈4*m*k/(2*m*k±1)，可取τs/τp＝20/9，20/11或τs/τp≈20/9，20/11，本实施例取τs/τp＝20/11。
本实施例中，永磁体113的充磁方式与实施例1相同，初级11两端的永磁体113向下充磁，相邻导磁齿110间永磁体113充磁方向相反，同一导磁齿110上的集中励磁绕组112磁场可根据实际运行时的要求设置为均与永磁体113相同或相反以达到调节磁场的作用，为清晰地显示电机结构，本实施例附图中略去了充磁方向的标记。
本实施例五相电机中，每相绕组由两集中电枢绕组串联组成，如A相绕组由两集中电枢绕组A1和A2组成，此时，集中电枢绕组A1所在的初级齿中心线正对着次级模块中心线，而集中电枢绕组A2所在的初级齿中心线正对着两次级模块之间的中心线。因此，该电机同样具有本发明所提出的磁路互补特性，每相电枢绕组中所产生的反电势谐波分量被抵消，反电势正弦度好，推力脉动小。
实施例5
图5和图6都为一台三相双边次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机，本实施例图5电机可由两个相同的实施例1电机翻转演化得到，翻转演化步骤如下：将一个实施例1电机以初级11上边沿为轴向上做垂直翻转，将两个电机的初级11轭部重合，减小或去除初级11轭部，即可得到一种初级无轭部次级双边混合励磁直线电机。上下初级11相对应的励磁导磁齿110上的励磁电流方向一致，励磁磁场经励磁绕组所在导磁齿110、气隙、次级导磁块及电枢绕组所在导磁齿110构成串联磁路。本实施例特点是初级11受到双边次级10的法向吸力相互抵消，从而减小系统的摩擦损耗；省去初级11轭部材料，降低系统成本，提高动态性能。本实施例图6电机也可由两个相同的实施例1电机翻转演化得到，翻转演化步骤如下：将一个实施例1电机以次级10下边沿为轴向下做垂直翻转，将两个电机的次级10合并，同时将上下初级11相对应的励磁导磁齿110上的励磁电流方向相反，每一边的励磁磁场经其励磁绕组所在导磁齿110、初级轭部、气隙、次级导磁块及其电枢绕组所在导磁齿110构成并联磁路，即可得到一种双边次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机。此外，由多个本实施例电机，按照实施例2、3和4的方法也可以得到多个新的电机模组，本发明不再详述。
实施例6
图7也为一台三相磁路互补型混合励磁直线电机，本实施例与实施例1电机的不同之处仅在于，本实施例的初级11两边各增加一个附加导磁齿115，因此本实施例电机同样具备本发明电机的特点。
本发明的磁路互补型混合励磁直线电机的初级和次级一个为固定部件，另一个为运动部件，其结构为边平板结构，或构成双边平板结构，可以运行在电动机或发电机状态。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机，包括初级(11)和次级(10)，所述初级(11)和次级(10)都为导磁材料且二者之间具有气隙，所述初级(11)上设有导磁齿(110)，导磁齿(110)上交替设置集中电枢绕组(111)和集中励磁绕组(112)，相邻集中励磁绕组(112)绕向相反，每个设有集中励磁绕组(112)的导磁齿(110)表面贴有两块永磁体(113)，永磁体(113)之间留有导磁桥(114)，同一导磁齿(110)表面的永磁体(113)充磁方向相同，均为竖直充磁，相邻导磁齿(110)表面的永磁体(113)充磁方向相反，其特征在于，
所述初级(11)导磁齿(110)的个数为Ns＝4*m*k*n+1，相邻两导磁齿(110)中心线距离为初级(11)极距τp；所述导磁齿(110)上绕有2*m*k*n+1个集中励磁绕组(112)和2*m*k*n个集中电枢绕组(111)，设置集中励磁绕组(112)的导磁齿(110)称为励磁绕组导磁齿，设置集中电枢绕组(111)的导磁齿(110)称为电枢绕组导磁齿，所述次级(10)设有分段导磁块，相邻两分段导磁块中心线距离为次级极距τs，τs/τp＝4*m*k/(2*m*k±1)或τs/τp≈4*m*k/(2*m*k±1)；
其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中任意一相电枢绕组串联的集中电枢绕组(111)对数。
2.根据权利要求1所述的次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机，其特征在于，每个电机单元中的集中励磁绕组(112)为串联连接，构成励磁绕组单元，n个电机单元之间的励磁绕组单元串联或并联联接。
3.根据权利要求1所述的次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机，其特征在于，每个电机单元中任意一相电枢绕组由k对集中电枢绕组(111)串联组成，从第一个集中电枢绕组(111)起有k个置于相邻的电枢绕组导磁齿上的集中电枢绕组(111)属于同一相，其后在电枢绕组导磁齿上依次交替设置属于相邻相的k个集中电枢绕组(111)，按照上述排列方式，属于同相的2k个集中电枢绕组(111)形成k对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两个集中电枢绕组(111)与次级(10)的相对位置相差半个次级(10)极距，对应为180度电气角度，二者具有互补特性。
4.根据权利要求1所述的次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机，其特征在于，所述集中励磁绕组(112)和集中电枢绕组(111)为铜或超导材料。
5.根据权利要求1所述的次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机，其特征在于，该电机还包括在初级(11)两端各增加一个附加导磁齿(115)。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机，其特征在于，以所述初级(11)或次级(10)为固定部件，另一个为运动部件，以初级(11)上边沿或次级(10)下边沿为轴垂直翻转，构成双边平板结构的电机。
7.根据权利要求1至5任意一项所述的次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机，其特征在于，所述次级分段式磁路互补型混合励磁直线电机是电动机或发电机。
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