CN110165852B - 一种双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机，包括一个动子和两个面对面、设置在动子两侧的单边定子。所述动子为聚磁式永磁体动子结构，所述永磁体沿着动子运动方向水平磁化，且相邻的两个永磁体磁化方向相反；单边定子中至少有一个存在绕组，且为相组集中绕线方式。且每个单边定子距动子有一定的气隙距离，两个气隙距离相等，两个单边定子沿动子的运动方向具一个定子齿宽度的偏移量。本公开拥有高功率密度和高输出推力，且有效地抑制磁阻力和推力波动。

Description

一种双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机

技术领域

本公开属于直线电机设计制造领域，特别涉及一种双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

直线电机与旋转电机相比，可以不借助任何中间转换机构直接实现电能与直线运动产生的机械能相互转化。因此，应用直线电机可以降低成本、减小设备体积、提高能量转化效率，同时还具有结构简单、精度高等优点。目前，直线电机已广泛应用于潮汐发电、轨道交通、火炮发射等领域。

但据发明人了解，传统直线电机虽然结构简单，但是存在漏磁较多、对气隙敏感度高、效率和功率因数低等问题。随着高性能永磁材料的出现，尤其稀土永磁体的应用，使得永磁直线电机可以拥有更高的推力密度、更高的效率、更低的损耗以及更加优良的动态性能。然而，稀土材料(如钕和镝)存在价格高并且供应有限的问题。价格的剧烈波动和稀土永磁体供应的潜在限制，给那些需要大量永磁电机和大规模生产的应用带来了严峻的挑战，比如大型直接驱动电机和汽车电器等。因此，少稀土或不含稀土永磁体的高性能电动机的研制有利于解决此问题。

目前少量或不使用稀土永磁体的电机设计成为研究热点，如研制高性能开关磁阻电机和铁氧体永磁电机，以及通过优化设计最大限度降低电动机稀土永磁体用量等。在这些电机替代方案中，铁氧体永磁电机通过综合考虑了转矩(功率)密度、效率、转矩脉动和生产成本，表现出极大的竞争优势。特别是具有磁通聚合效果的动子结构使得电机拥有较高的气隙磁通密度，提高了永磁电机电磁推力。同时对于直线电机来说，采用集中绕组不但可以削弱谐波电动势，抑制磁阻力，而且结构相对简单，线圈端部用铜少，铜耗小，提高了电机效率。另外，双定子直线电机比单边定子直线电机拥有更好的推力密度，并可以抵消法向推力分量。但是目前双定子永磁电机只是单边效果的简单叠加，没有充分发挥双定子永磁电机的性能。

聚磁式永磁体结构在铁氧体永磁直线电机中的应用，不仅提高了电机的电磁推力密度，而且带来了很大的磁阻力和电磁推力波动。电磁推力波动会引起不可接受的振动、声噪声、位置控制不良，甚至导致运行故障。高性能铁氧体永磁直线电机中，必须尽量减少电磁推力波动。然而，由于具有聚磁效果的动子结构相对复杂，对其降低电磁推力波动的技术研究目前相对较少，并且存在诸多问题。比如：永磁体最优极点设计可以降低电磁推力波动，但以精确的电弧参数计算和推力密度退化为代价；正弦化永磁体设计可以保持较高的输出推力，大大降低推力波动，但由于永磁体结构相对复杂，只能适用于低磁极电机。其他方法，如永磁体斜极，也不可避免地带来性能下降和制造困难。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机，本公开的电机具有高输出电磁推力，且有效地抑制磁阻力和推力波动。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机，包括一个动子和两个面对面、设置在动子两侧的单边定子，所述电机的动子为聚磁式永磁体结构，所述永磁体沿着动子运动方向水平磁化，且相邻的两个永磁体磁化方向相反；

所述单边定子中至少有一个设置有相组集中线圈绕组，且每个单边定子距动子有一定的气隙距离，两个气隙距离相等，两个单边定子沿动子的运动方向具一个定子齿宽度的偏移量。

上述技术方案中，采用具有磁通聚合效果的动子结构，即沿着动子运动方向铁氧体永磁体水平磁化，且动子中相邻的两个永磁体磁化方向相反，以此实现磁通聚合效果，进而实现铁氧体磁体电机的高性能；

至少有一个定子上存在绕组，绕组方式是集中绕线方式，目的是提高绕组系数和减少端部绕线，提高电机效率，并且每相绕组采用模块化设计，提高电机容错能力；定子基于定子相组集中线圈绕组的结构设计，同时采用双定子错位技术，实现磁通交替聚合的效果，进一步提高电磁推力，同时两个气隙磁场产生的磁阻力相互抑制，以此来有效抑制电磁推力波动。

作为可选的一种实施方式，两个单边定子均由硅钢片叠成，两个定子上均上有电枢绕组，但无永磁体。

或，两个单边定子均由硅钢片叠成，其中一个定子上均上有电枢绕组，但无永磁体，另一个无电枢绕组，也无永磁体。

作为可选的一种实施方式，所述单边定子上同一相中，槽宽和齿宽相同，而两个不同相之间的槽宽大于同一相中的槽宽。

作为可选的一种实施方式，所述单边定子同一相内的槽宽与不同相之间的槽宽的比率为3/5。

作为可选的一种实施方式，所述单边定子的三相绕组为三相对称分布模式，相邻两相相位差的电角度为4π/3。

作为可选的一种实施方式，每个单边定子两端各有一个定子齿宽度的延伸以此来抑制直线电机的端部效应。

作为可选的一种实施方式，每个单边定子同一相内的相邻绕组线圈极性相反。考虑到永磁体中水平交替的磁化方向，每个绕组线圈的感应电动势将遵循相同的方向，从而产生最大的感应电动势矢量。

作为可选的一种实施方式，每个定子上每一相内的齿数为n₁，每个定子一相的组数为n₂，则各定子的定子齿的数量为Q＝3n₁n₂；

与定子等长的动子单元上永磁体的数目为P＝3n₁n₂+n₂。

作为可选的一种实施方式，所述动子为若干个结构相同的动子单元串联而成。

一种驱动机构/动力机构，包括上述永磁直线电机。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1)本公开电机采用聚磁式永磁体动子结构，具有磁通聚合效果，在保证电机高性能的同时可以采用低成本铁氧体永磁体，从而电机的生产制造成本大大降低；

2)本公开电机采用相组集中绕线方式，定子上每相绕组模块化设计，大大提高了电机的容错能力，采用集中绕组提高了绕组系数、降低了端部绕线，减小了铜耗，从而提高了电机效率。

3)本公开电机的两个单边定子采用错位技术，即两个定子沿动子运动方向偏移一个齿(槽)距离，实现了磁通交替聚合，改善了气隙磁密波形，提高了电机的电磁推力，同时降低了磁阻力，抑制了推力波动。本公开电机具有高推力密度、良好的效率的同时，具有低制造成本、低磁阻力和低电磁推力波动的优点。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例一的双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机的部分结构界面示意图；

图2为本实施例定子I槽与磁极对齐时磁路图；

图3为本实施例定子II槽与磁极对齐时磁路图；

图4为本实施例磁极与定子槽在非对齐任意位置时的磁路图；

图5(a)、图5(b)描绘了本实施例具有感应反EMF矢量的绕组配置；

图6是根据本公开实施例一的绕组磁链对比图；

图7是根据本公开实施例一的空载反电动势对比图；

图8是根据本公开实施例一的磁阻力对比图；

图9是根据本公开实施例一电磁推力对比图；

图10是根据本公开实施例二的绕组磁链对比图；

图11是根据本公开实施例二的空载反电动势对比图；

图12是根据本公开实施例二的磁阻力对比图；

图13是根据本公开实施例二电磁推力对比图；

图14是本公开实施例二的结构示意图；

图中，1是定子I，2是定子II，3是动子，4是电枢绕组，5是铁氧体永磁体，6是B相电枢绕组、7是A相电枢绕组、8是C相电枢绕组，永磁体上箭头方向为永磁体磁化方向。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1为本公开一实施例双定子聚磁式铁氧体永磁直线电机的部分结构界面示意图。所述电机是由定子I1、定子II2和动子3组成，两个定子与动子两边之间有气隙。定子长度短于动子长度，定子由凸极铁芯组成。

具体的，定子I1、定子II2是由基于定子相组集中绕线方式的特定结构设计，由硅钢片叠成，两个定子上均上有电枢绕组，但无永磁体。同一相内槽和齿宽设计均设计为π/2·τ(τ为基准宽度，根据电机的具体规格确定)，而两个不同相之间的槽宽为5π/6·τ，用于产生三相平衡反电动势。一组同一相内的齿距与不同相之间的齿距的比率定义为σ＝w₁/w₂＝(π/2·τ)/(5π/6·τ)＝3/5，其中w₁为一个相组内的齿距，w₂为两个不同相之间的齿距。即定子上相组内齿距和不同相之间的齿距尺寸应满足以上比例关系。

对于定子I1、定子II2，每一相内相邻线圈具有相反的极性，他们的矢量角为π(电角度)。因此，考虑到永磁体的反转磁化方向，它们电角度矢量角相差为2π(电角度)，每个线圈的感应电动势会是同向的。

三相绕组为三相对称分布模式，相邻两相相位差的电角度为4π/3(电角度)，因此可以产生三相平衡反电动势。

定子上没有永磁体但有电枢绕组，电枢绕组为相组集中绕线方式，如图1所示，●与×符号表示的电流方向相反。

具有相同槽/齿布置的两个定子采用双定子错位技术，即沿动子运动方向偏移一个定子齿宽度，以实现磁通交替聚合的目的，因为两个定子对动子的磁阻力可以相互抑制，所以动子上的磁阻力已大大减小。

定子I1、定子II2均采用相组集中绕线方式，可以实现高绕组分布系数和低端部绕线。

优选的，本公开电机的动子由硅钢片叠成，采用具有磁通聚合效果的动子结构，其中磁体沿水平方向磁化并且磁化方向从一个磁体到相邻磁体的极性交替反转。即相邻两个永磁体的磁化方向相反。

优选的，在每个定子上每一相内的齿数为n₁，每个定子一相的组数为n₂，则定子I1、定子II2上齿的数量Q分别为Q＝3n₁n₂。

优选的，考虑到定子端部的磁路，每个定子两端各有一个齿的延伸。

双定子分布在动子两侧，定子优先选用开槽型用于磁通聚合。动子为固定端，动子为运动端，可以在水平方向上自由运动。本公开所述实例取相组线圈数n1为4，每相组数n2为2；即每个定子单元上有12个齿，绕组采用相组集中绕线方式缠绕在齿上，每4个齿属于一相，如图所示从左到右依次为B相、A相、C相；齿宽和槽宽相等，单相内的槽宽和相间的槽宽比例为3:5，以此产生三相平衡反电动势。两个定子沿着动子运动方向偏移一个槽宽的距离，实现磁通交替聚合。

动子非永磁体部分由硅钢片叠压而成，本实例中与定子等长动子部分为一动子单元，动子单元上的铁氧体永磁体的数量为P＝3n₁n₂+n₂＝26，永磁体的分布情况如图1所示，磁化方向如图1中永磁体上箭头方向所示。

在其它实施例中，本公开电机可以设计为应用于电动机和发电机。

本公开电机选用的永磁体为低成本铁氧体，但不限于此，选用其他永磁体均可；

定子绕组的设计证明可以实现最大的感应电动势矢量，从而提高功率密度和效率。这是因为一相内的相邻绕组线圈被设计成极性相反的事实，考虑到永磁体中水平交替的磁化方向，每个绕组线圈的感应电动势将遵循相同的方向，从而产生最大的感应电动势矢量。

综上，为了实现铁氧体磁体电机的高性能，本电机采用具有磁通聚合效果的动子结构，即沿着动子运动方向铁氧体永磁体水平磁化，且动子中相邻的两个永磁体磁化方向相反，以此实现磁通聚合效果；定子绕组是集中绕线方式，目的是提高绕组系数和减少端部绕线，提高电机效率，并且每相绕组采用模块化设计，提高电机容错能力；定子由基于定子相组集中线圈绕组的特定结构设计，采用双定子错位技术，实现磁通交替聚合的效果，提升电机的输出推力，同时两个气隙磁场产生的磁阻力相互抑制，以此来有效抑制电磁推力波动。

本公开所实施例的工作原理是：

当A相绕组通入电流时，当动子上磁极运动到与定子I的槽对齐时，A相磁路如图2所示，依据磁阻最小原则，上气隙达到最大磁通量。同样，当动子上磁极运动到与定子II上的槽对齐时，磁路如图3所示，依据磁阻最小原则，此时下气隙达到最大磁通量。因此，每个气隙中的磁通量密度得到改善。参考图4，电机动子运动到磁极与定子齿非对齐状态的任意位置时电机的磁路形态，此时会在定子I与动子、定子II与动子之间同时形成磁路。因为本直线电机在定子结构与动子结构上的尺寸关系、定子齿槽数与动子数量的关系，当一相处于定子槽与磁极对齐时，其余两相必定处于磁极与定子槽非对齐状态。

综合考虑一相内的相邻线圈具有相反的极性，考虑到永磁体中的交替磁化方向，每个线圈的感应电动势将遵循相同的方向，从而产生最大的感应电动势矢量，如图5(a)和图5(b)。假设绕组通过正弦电流时，可以获得比基本模型更高的合成输出转矩。

同时该实例电机的两套定子绕组可以分别独立控制，采用双三相控制策略，可以进一步提高电机的容错能力。

因为在定子上三相绕组在水平方向上距离4π/3电角度，因此动子在水平方向运动时会在三相绕组中产生三相平衡的感应电动势。同理在定子绕组中通入三相平衡的电流，动子会在水平方向做直线运动。

图6是根据本公开实施例一双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机(曲线1)和相同结构的传统双定子未采用双定子错位技术直线电机(曲线2)的绕组磁链对比图。曲线1为本公开双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机的A相磁链，曲线2为传统双定子未采用双定子错位技术直线电机的A相磁链，由图可以看到，由于磁通交替聚合的特点，本公开所述电机的绕组磁链较大。

图7是根据本公开实施例一双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机(曲线3)和相同结构的传统双定子未采用双定子错位技术直线电机(曲线4)的空载反电动势对比图。其中曲线3为本公开双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机的A相绕组空载反电动势，曲线4为传统双定子未采用双定子错位技术直线电机的A相绕组空载反电动势；由图可得，本公开所述电机的空再反电动势波形正弦度更好，有效值也更大。

图8是根据本公开实施例一双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机(曲线5)和相同结构的传统双定子未采用双定子错位技术直线电机(曲线6)的磁阻力对比图。其中曲线5为本公开双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机的磁阻力，曲线6为传统双定子未采用双定子错位技术直线电机的磁阻力；由图可知，本公开所述电机磁阻力更小。

图9是根据本公开实施例一双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机(曲线7)和相同结构的传统双定子未采用双定子错位技术直线电机(曲线8)的电磁推力对比图。曲线7为本公开双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机的电磁推力，曲线8为传统双定子未采用双定子错位技术直线电机的电磁推力，由图可知，本公开所述电机电磁推力更大，且波动更小。

如图14所示，本公开的实施例二，提供一种电机是由定子1、辅助定子2和动子3组成，两个定子与动子两边之间有气隙。定子长度短于动子长度，定子由凸极铁芯组成。和上述实施例的区别在于，两个定子分别为主定子和辅助定子，且每个定子距动子有一定的气隙距离，两个气隙距离相等。

主定子是由基于定子相组集中绕线方式的特定结构设计，由硅钢片叠成，主定子上有电枢绕组，但无永磁体。辅助定子上无电枢绕组，也无永磁体。在主定子同一相中，槽和齿宽设计均设计为π/2·τ(τ为基准宽度，根据电机规格不同而不同)，而两个不同相之间的槽宽为5π/6·τ，用于产生三相平衡反电动势。一组同一相内的齿距与不同相之间的齿距的比率定义为σ＝w₁/w₂＝(π/2·τ)/(5π/6·τ)＝3/5，其中w₁为一个相组内的齿距，w₂为两个不同相之间的齿距。即定子上相组内齿距和不同相之间的齿距尺寸应满足以上比例关系。

主定子上的绕组采用相组集中绕线方式，可以削弱高次谐波电势、抑制磁阻力，同时具有高绕组分布系数和低端部绕线的优点，减少绕组端部用铜量，降低铜耗，提高电机效率。

该实例主定子和辅助定子采用错位技术，辅助定子的作用使得磁阻力和电磁推力波动大大降低。

因此在定子上三相绕组各相在水平方向上距离4π/3电角度，因此转子在水平方向运动时会在三相绕组中产生三相平衡的感应电动势。同理在定子绕组中通入三相平衡的电流，转子会在水平方向做直线运动。

图10是根据本公开实施例二带辅助定子的聚磁式永磁直线电机(曲线1)和相同结构的传统单边定子聚磁式永磁直线电机(曲线2)的A相绕组磁链对比图。由图可知本公开所述电机绕组磁链正弦度更好。

图11是根据本公开实施例二带辅助定子的聚磁式永磁直线电机(曲线3)和相同结构的传统单边定子聚磁式永磁直线电机(曲线4)的A相绕反电动势对比图。由图可得，本公开所述电机的空再反电动势波形正弦度更好，但是有效值略有减小。

图12是根据本公开实施例二带辅助定子的聚磁式永磁直线电机(曲线5)和相同结构的传统单边定子聚磁式永磁直线电机(曲线6)的磁阻力对比图。由图可知，本公开所述电机磁阻力大大减小。

图13是根据本公开实施例二带辅助定子的聚磁式永磁直线电机(曲线7)和相同结构的传统单边定子聚磁式永磁直线电机(曲线8)的A相电磁力波动对比图。由图可知，本公开所述电机电磁推力平均值略有减小，但是波动大大减小。

以上所述仅为本公开的优选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机，其特征是：包括一个动子和两个面对面、设置在动子两侧的单边定子，所述动子为聚磁式永磁体动子结构，所述永磁体采用铁氧永磁体；所述永磁体沿着动子运动方向水平磁化，且相邻的两个永磁体磁化方向相反；动子磁极宽度和定子齿宽相等；

所述单边定子中至少有一个存在绕组，绕组为相组集中绕线方式，所述单边定子上同一相中，槽宽和齿宽相同，而两个不同相之间的槽宽大于同一相中的槽宽；所述单边定子同一相内的槽宽与不同相之间的槽宽的比率为3/5；且每个单边定子距动子有一定的气隙距离，两个气隙距离相等，两个单边定子沿动子的运动方向具一个定子齿宽度的偏移量。

2.如权利要求1所述的一种双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机，其特征是：两个单边定子均由硅钢片叠成，两个定子上均上有电枢绕组，但无永磁体；

或，两个单边定子均由硅钢片叠成，其中一个定子上均上有电枢绕组，但无永磁体，另一个无电枢绕组，也无永磁体。

3.如权利要求1所述的一种双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机，其特征是：所述单边定子的三相绕组为三相对称分布模式，相邻两相相位差的电角度为4π/3。

4.如权利要求1所述的一种双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机，其特征是：每个单边定子两端各有一个定子齿宽度的延伸。

5.如权利要求1所述的一种双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机，其特征是：每个单边定子同一相内的相邻绕组线圈极性相反。

6.如权利要求1所述的一种双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机，其特征是：定子上的绕组采用模块化设计，同一相的绕组作为一个模块。

7.如权利要求1所述的一种双定子相组集中绕线聚磁式永磁直线电机，其特征是：每个定子上每一相内的齿数为n₁，每个定子一相的组数为n₂，则各定子的定子齿的数量为Q＝3n₁n₂；

或/和，与定子长度对应动子单元上永磁体的数目为P＝3n₁n₂+n₂；

或，所述动子为若干个结构相同的动子单元串联而成。

8.一种驱动机构/动力机构，其特征是：包括权利要求1-7中任一项所述的永磁直线电机。

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