CN110138173B - 一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机 - Google Patents
一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,包括初级和次级。初级包括k*m*n个初级模块,m为相数,k、n为自然数;次级为齿槽结构。每个初级模块包括一个U形导磁材料和电枢绕组,以及设置于U形导磁材料槽口处的永磁体,永磁体充磁方向为水平充磁。次级为齿槽结构的导磁材料。本电机具有定位力小,功率密度高,次级结构简单,容错性能良好,成本低等特点,可用于作为电动机运行时,可以用于长距离轨道交通等领域,作为发电机运行时,可以应用于海浪发电等领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,属于电机制造技术领域。
背景技术
随着工业的发展,电机在各类场合应用越来越广泛。在轨道交通、垂直升降等领域,传统旋转电机需要依靠机械传动装置,将旋转力矩转换为黏着式推力,导致效率较低,并且输出推力受到轨道状况、摩擦系数等因素影响,因此其应用受到了一定的限制。与旋转电机相比,直线电机驱动系统直接产生电磁力,具有推力非黏着、体积小、功率密度高的优点,因此在轨道交通、垂直升降等领域应用前景光明。
近年来,直线感应电机在国内外轨道交通领域应用广泛。直线感应电机的次级仅由感应板与导磁板构成,初级由电枢绕组与铁心构成,具有结构简单,体积小,成本低的优点,但是直线感应电机涡流损耗较高,因此效率与功率因数较低,同时直线感应电机的控制较为复杂,因此其长期运营成本与系统成本较高。
传统永磁直线同步电机的效率、功率因数、功率密度均较高;然而该类电机的永磁体置于次级,沿轨道铺设,次级成本高昂,且定位力较大,同时,传统永磁电机的弱磁性能较差,难以实现高速下的恒功率控制,调速范围有限,这些缺点极大地限制了其在长行程领域的应用。
近年来,开关磁阻电机在轨道交通领域的应用受到了相关学者的关注。开关磁阻电机的次级仅由导磁材料构成,结构简单,初级仅由电枢绕组与导磁材料构成,不含永磁体,因此成本较低且容错性能较好。然而,开关磁阻电机的转矩波动较大,噪声较高,同时功率密度与功率因数较低,较高的能耗与高昂的系统成本限制了其在轨道交通领域的应用。
现有研究结果表明,初级混合励磁型电机兼具次级结构简单、功率密度高、功率因数高、便于调节励磁磁场、便于实现弱磁调速的优点,因此,研究初级混合励磁型直线电机具有重要意义。该类电机在长距离轨道交通、海浪发电、垂直升降等领域都有着广泛的应用前景。
发明内容
针对现有技术上存在的不足,本发明目的在于提供一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,该电机将永磁体置于初级,次级结构简单可靠,定位力小,且有效提高了电机的功率密度与功率因数,进而提高了其效率与功率因数。此外,本发明中的互补式结构可以有效降低电机的推力波动,进而降低电机运行时的噪声,提升其可靠性。
本发明提出一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,包括初级11和次级10,所述初级11与次级10之间具有气隙,所述初级11包括初级模块110,所述次级10为齿槽结构,包括次级齿(100);
每个所述初级模块110包括一个U形导磁材料111和电枢绕组112,以及设置于U形导磁材料111槽口处的永磁体113;
m*n个连续所述初级模块110构成一个初级模组115;所述初级模组115中,每连续n个所述初级模块110为同相初级模块110;连续k个所述初级模组115构成完整的电机;
相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离为λ1;相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离为λ2;当n≥2时,同一初级模组115中相邻两个同相初级模块110中轴线之间的距离为λ3,相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离为τs;其中λ1、λ2、λ3和τs满足如下关系:
a.
或
b.
其中,m为相数,n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数,i、j、p为自然数,k为初级模组115数,h为通过b类结构消除的推力谐波次数。
进一步地,同一所述初级模块110内的电枢绕组112绕线方向相反,且属于同相。
进一步地,永磁体113水平充磁,相邻永磁体113的充磁方向相同。
更进一步地,当λ1、λ2、λ3和τs满足a类关系时,k个所述初级模组115串联构成一个整体或分开控制。
更进一步地,当λ1、λ2、λ3和τs满足b类关系时,电机形成互补结构,所述k个连续初级模组115分开控制,相邻初级模组115的供电相差1/(2h)个电周期。
作为一种优选,该电机还包括在相邻所述初级模块110间的连接桥114,所述连接桥114为导磁或非导磁材料。
作为上述电机的一种变换形式,该电机以所述次级10下边沿或初级11上边沿为轴垂直翻转,构成双边平板结构电机。
作为一种优选,所述电枢绕组112为铜或超导材料。
作为上述电机的一种变换形式,所述一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机为发电机或电动机。
本发明电机主要存在如下优点:
本发明提出的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,具有次级结构简单,便于维护,定位力较小的特点。本发明改善了传统开关磁阻电机效率、功率因数较低的缺点,通过初级永磁式结构有效提升了电机的功率密度、效率与功率因数,进而降低了电机长期运行成本与系统成本。此外,通过不同初级模组之间的分开控制,本发明实现了指定次数的推力谐波进行消除,进而有效减小电机推力波动与噪声,提升其可靠性,降低对系统要求。同时,本发明作为电动机运行时,适用于对电机功率密度与效率有一定要求的场合,例如轨道交通与垂直升降驱动电机。作为发电机运行时,该电机适合于海浪发电等领域。
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本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图;
图2本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图;
图3本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图;
图4本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图;
图5本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图;
其中,10-次级,11-初级,100-次级齿,110-初级模块,111-U形导磁材料,112-电枢绕组,113-永磁体,114-连接桥,115-初级模组。
具体实施方式
本发明提供一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,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。
本发明提出一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,包括初级11和次级10,所述初级11与次级10之间具有气隙,所述初级11包括初级模块110,所述次级10为齿槽结构;
每个所述初级模块110包括一个U形导磁材料111和电枢绕组112,以及设置于U形导磁材料111槽口处的永磁体113;
m*n个连续所述初级模块110构成一个初级模组115;所述初级模组115中,每连续n个所述初级模块110为同相初级模块110;连续k个所述初级模组115构成完整的电机;
相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离为λ1;相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离为λ2;当n≥2时,同一初级模组115中相邻两个同相初级模块110中轴线之间的距离为λ3;相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离为τs;其中λ1、λ2、λ3和τs满足如下关系:
a.
或
b.
其中,m为相数,n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数,i、j、p为自然数,k为初级模组115数,h为通过b类结构消除的推力谐波次数。
进一步地,同一所述初级模块110内的电枢绕组112绕线方向相反,且属于同相。
进一步地,永磁体113水平充磁,相邻永磁体113的充磁方向相同。
更进一步地,当λ1、λ2、λ3和τs满足a类关系时,k个所述初级模组115串联构成一个整体或分开控制。
更进一步地,当λ1、λ2、λ3和τs满足b类关系时,电机形成互补结构,所述k个连续初级模组115分开控制,相邻初级模组115的供电相差1/(2h)个电周期。
作为一种优选,该电机还包括在相邻所述初级模块110间的连接桥114,所述连接桥114为导磁或非导磁材料。
作为上述电机的一种变换形式,该电机以所述次级10下边沿或初级11上边沿为轴垂直翻转,构成双边平板结构电机。
作为一种优选,所述电枢绕组112为铜或超导材料。
作为上述电机的一种变换形式,所述一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机为发电机或电动机。
实施例1
参见图1,本发明的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,λ1、λ2、λ3和τs满足a类关系,
本实施例中,m=3,n=1,k=2,i=2,(1)式中正负号取负。因此,λ1=5/3τs,λ2=3λ1=5τs。其中,m为相数,n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数,k为完整初级11具有的初级模组115数,λ1为相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离;λ2为相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离;当n≥2时,λ3为同一初级模组115中相邻两个同相初级模块110中轴线之间的距离;τs为相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离。
本实施例中的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,包括初级11和次级10,初级11与次级10之间具有气隙。初级11包括初级模块110,次级10为齿槽结构。每个初级模块110包括一个U形导磁材料111和电枢绕组112,以及设置于U形导磁材料111槽口处的永磁体113。永磁体113采用水平充磁,相邻永磁体113充磁方向相同,均为向左。每个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反,且属于同一相。本实施例中,初级模块110的电枢绕组自左向右为A相-B相-C相循环。适用于传统开关磁阻电机的驱动方式同样适用于本发明,本实施例中的2个初级模组115可采用串联供电或分开控制。
本实施例中m=3,即电机为三相电机,包含A、B、C三相,每m*n=3个初级模块110组成一个初级模组115,每个初级模组115中每相仅由n=1个初级模块110构成,因此,λ3不具实际意义,k=2个初级模组115构成完整的初级11。
本实施例的结构特点如下:第一,对比传统开关磁阻电机,本发明为初级永磁式结构,功率密度以及功率因数更高;第二,对比传统永磁电机,本发明在空载时永磁体磁路由U型导磁材料短路,几乎不经过气隙,因此定位力较小,同时,永磁体的利用率也更高;第三,次级仅为齿槽结构的导磁材料,结构简单,便于维护,成本较低;第四,电机采用模块化结构,便于生产制造。
实施例2
图2也为一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,λ1、λ2、λ3和τs满足a类关系,
本实施例中,m=3,n=2,k=1,i=4,p=2,(1)式中正负号取正。因此,λ1=13/3τs,λ3=2τs。其中,m为相数,n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数,k为完整初级11具有的初级模组115数,λ1为相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离;λ2为相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离;当n≥2时,λ3为同一初级模组115中相邻两个同相初级模块110中轴线之间的距离;τs为相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离。
本实施例与实施例1的不同之处在于,本实施例中,每m*n=6个初级模块110组成一个初级模组115,每个初级模组115中每相由连续n=2个初级模块110构成,本实施例中k=1,单初级模组115即为完整的初级11,故λ2不具实际意义。
本实施例中,永磁体113采用水平充磁,相邻永磁体113充磁方向相同,均为向左。每个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反,且属于同一相。本实施例中,初级模块110的电枢绕组自左向右为A相-A相-C相-C相-B相-B相。适用于传统开关磁阻电机的驱动方式同样适用于本发明。
本实施例的结构特点如下:第一,与实施例1相比,本实施例中的同相初级模块连续设置,可使各相供电更为紧凑,在大功率场合,降低供电设备设置的复杂程度,提高系统容错性;第二,一般情况下,针对(1)式或(4)式中正负号取正的情况,与不采用连续同相初级模块的结构相比,本实施例可以有效减小初级的长度,减小初级的体积,进而提升电机的功率密度。
实施例3
图3也为一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,λ1、λ2、λ3和τs满足b类关系,
本实施例中,m=3,n=1,k=2,i=2,j=0,h=1,(4)式中正负号取负。因此,λ1=5/3τs,λ2=5.5τs。其中,m为相数,n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数,k为完整初级11具有的初级模组115数,λ1为相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离;λ2为相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离;当n≥2时,λ3为同一初级模组115中相邻两个同相初级模块110中轴线之间的距离;τs为相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离。
本实施例与实施例1的不同之处在于,相邻初级模组115与次级10的相对位置不同,错开1/(2h)个电周期,由此可以消除h次的推力谐波。
本实施例也为三相电机,包含A、B、C三相,本实施例中采用了互补式结构,每m*n=3个初级模块110组成一个初级模组115,每个初级模组115中每相仅由n=1个初级模块110构成,因此,λ3不具实际意义,k=2个初级模组115构成完整的初级11。
本实施例中,永磁体113采用水平充磁,相邻永磁体113充磁方向相同,均为向左。每个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反,且属于同一相。本实施例中,初级模块110的电枢绕组自左向右为A相-B相-C相循环。适用于传统开关磁阻电机的驱动方式同样适用于本发明。本实施例中的2个初级模组115由控制器分开控制。
本实施例的结构特点如下:通过采用互补式空间分布的模组,可以实现针对某次推力谐波的消除,进而降低推力波动,降低噪音,提升系统稳定性。
实施例4
图4也为一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机。本实施例与实施例1的不同之处在于,本实施例为一台五相电机,并且相邻初级模块110之间设有连接桥114。本实施例中,连接桥114的材料与U形导磁材料111相同,因此在制造时可直接制造整个初级。λ1、λ2、λ3和τs满足a类关系,
本实施例中,m=5,n=1,k=2,i=2,(1)式中正负号取负。因此,λ1=9/5τs,λ2=5λ1=9τs。其中,m为相数,n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数,k为完整初级11具有的初级模组115数,λ1为相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离;λ2为相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离;当n≥2时,λ3为同一初级模组115中相邻两个同相初级模块110中轴线之间的距离;τs为相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离。
本实施例为五相电机,包含A、B、C、D、E三相,本实施例中采用了互补式结构,每m*n=5个初级模块110组成一个初级模组115,每个初级模组115中每相仅由n=1个初级模块110构成,因此,λ3不具实际意义,k=2个初级模组115构成完整的初级11。
本实施例中,永磁体113采用水平充磁,相邻永磁体113充磁方向相同,均为向左。相邻初级模块110之间不设连接桥114,每个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反,且属于同一相。本实施例中,初级模块110的电枢绕组自左向右为A相-B相-C相-D相-E相循环。适用于传统开关磁阻电机的驱动方式同样适用于本发明。本实施例中的2个初级模组115可串联控制或分开控制。
实施例5
图5也为一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机。本实施例与实施例1的不同之处在于,本实施例为双边平板式电机。
以实施例1中电机的次级10下边沿为轴进行垂直翻转,构成的双边平板结构电机即为本实施例。本实施例中,永磁体113采用水平充磁,相邻永磁体113充磁方向相同,均为向左。相邻初级模块110之间不设连接桥114,每个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反,且属于同一相。本实施例中,初级模块110的电枢绕组自左向右为A相-B相-C相循环。适用于传统开关磁阻电机的驱动方式同样适用于本发明。本实施例中的一侧的2个初级模组可以串联或分开控制,同时,本实施例的上下两边也可以串联或并联控制。
本实施例的结构特点如下:电机采用双边结构,可以有效提升电机的功率输出,适用于如垂直升降、长距离驱动等大功率场合。
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 (9)
1.一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,包括初级(11)和次级(10),所述初级(11)与次级(10)之间具有气隙,所述初级(11)包括初级模块(110),所述次级(10)为齿槽结构,包括次级齿(100),其特征在于,
每个所述初级模块(110)包括一个U形导磁材料(111)和电枢绕组(112),以及设置于U形导磁材料(111)槽口处的永磁体(113);
m*n个连续所述初级模块(110)构成一个初级模组(115);所述初级模组(115)中,每连续n个所述初级模块(110)为同相初级模块(110);连续k个所述初级模组(115)构成完整的电机;
相邻两相所述初级模块(110)中轴线之间的距离为λ1;相邻两个所述初级模组(115)中轴线之间的距离为λ2;当n≥2时,同一初级模组(115)中相邻两个同相初级模块(110)中轴线之间的距离为λ3;相邻两个所述次级齿(100)中轴线之间的距离为τS;其中λ1、λ2、λ3和τS满足如下关系:
a.
或
b.
其中,m为相数,n为初级每个初级模组(115)中同相的初级模块(110)数,i、j、p为自然数,k为初级模组(115)数,h为通过b类结构消除的推力谐波次数。
2.根据权利要求1所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,其特征在于,同一所述初级模块(110)内的电枢绕组(112)绕线方向相反,且属于同相。
3.根据权利要求1所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,其特征在于,永磁体(113)水平充磁,相邻永磁体(113)的充磁方向相同。
4.根据权利要求1所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,其特征在于,当λ1、λ2、λ3和τS满足a类关系时,k个所述初级模组(115)串联构成一个整体或分开控制。
5.根据权利要求1所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,其特征在于,当λ1、λ2、λ3和τS满足b类关系时,电机形成互补结构,连续k个所述初级模组(115)分开控制,相邻初级模组(115)的供电相差1/(2h)个电周期。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,其特征在于,该电机还包括在相邻所述初级模块(110)间的连接桥(114),所述连接桥(114)为导磁或非导磁材料。
7.根据权利要求1至5任一项所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,其特征在于,以所述次级(10)下边沿或初级(11)上边沿为轴垂直翻转,构成双边平板结构电机。
8.根据权利要求1至5任一项所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,其特征在于,所述电枢绕组(112)为铜或超导材料。
9.根据权利要求1至5任一项所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机,其特征在于,所述一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机为发电机或电动机。
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CN110138173A (zh) | 2019-08-16 |
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