CN110311533A - 一种模块化横向磁通游标永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化横向磁通游标永磁直线电机，属于永磁电机领域，所述电机包括：电枢绕组、初级铁心轭部、初级铁心分裂齿、永磁磁极和次级铁心；电枢绕组环绕于初级铁心轭部；初级铁心轭部两侧均匀分布多个初级铁心分裂齿，构成电机初级铁心，且同一侧分裂齿对应的永磁磁极极性相同，不同侧分裂齿对应的永磁磁极极性相反；多个相同大小的永磁磁极均匀分布在次级铁心上，形成永磁体阵列，且相邻永磁磁极极性相反；电枢绕组、初级铁心轭部和初级铁心分裂齿共同组成电机初级模块；多个电机初级模块均匀分布在永磁体阵列上，且与永磁体阵列存在气隙。本发明消除了直线电机边端效应，降低了电机推力波动，提高了电机性能和容错能力。

Description

一种模块化横向磁通游标永磁直线电机

技术领域

本发明属于永磁电机技术领域，更具体地，涉及一种模块化横向磁通游标永磁直线电机。

背景技术

相较于旋转电机加滚珠丝杠形成直线运动的方案，采用直线电机直接产生直线运动的方案拥有更简单的结构、更高的效率和更好的稳定性。因而直线电机越来越受到需要直线运动的工业领域的青睐。直线电机分为直线感应电机和直线永磁电机两类。与直线感应电机相比，直线永磁电机具有更好的推力密度，功率因数和效率性能。而在众多直线电机拓扑中，采用了永磁体和游标电机原理的游标永磁直线电机兼具永磁电机结构简单、效率高的特点和游标电机低速大转矩的特点，因此近年来倍受关注。

传统游标永磁直线电机结构如图1(a)所示，由于电机磁路在两端断开，破坏了电机磁路在纵向方向上的周期性，使直线电机初级内部绕组所交链的磁通的磁路[如图1(b)所示]，与初级端部绕组所交链的磁通的磁路[如图1(c)所示]不同，造成了直线电机各相绕组之间的不对称；同时，端部磁路的断开也使电机端部的气隙磁密较内部较低，进一步增强了直线电机各相绕组之间的不对称性。这种由直线电机边端磁路断开而造成的各相绕组磁路的不对称，称为直线电机的边端效应。

直线电机的边端效应最终体现为直线电机各相绕组参数的不对称，电机运行过程中，在电机各相绕组中有一个反向旋转的电动势以及高次谐波，引入较大的推力波动的同时，降低电机的平均推力。受此影响，虽然普通的旋转永磁游标电机具有转矩出力波动非常小的特点。但受永磁直线电机固有的边端效应的影响，造成直线游标永磁电机的推力波动较大，且电枢绕组各相不平衡，对电机性能造成负面影响。

电机的某一相故障时，电机剩余相还能保证电机部分性能的能力，称为电机的容错能力。从传统游标永磁直线电机的磁路分布可知，每一相绕组的磁场不仅与该相绕组交链的同时，也与其他绕组交链。这让电机在某一相绕组故障时，影响到其他绕组磁场的分布，从而影响其他绕组的运行，即传统游标永磁直线电机的容错能力低。

总体来说，传统游标永磁直线电机由于存在边端效应，而造成电机推力波动较大、容错能力低的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于一种模块化横向磁通游标永磁直线电机，旨在解决传统游标永磁直线电机由于存在边端效应，而造成电机推力波动较大、容错能力低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种模块化横向磁通游标永磁直线电机，包括：电枢绕组、初级铁心轭部、初级铁心分裂齿、永磁磁极和次级铁心；

所述电枢绕组环绕于所述初级铁心轭部；所述初级铁心轭部两侧均匀分布多个初级铁心分裂齿，构成电机初级铁心，且同一侧分裂齿对应的永磁磁极极性相同，不同侧分裂齿对应的永磁磁极极性相反；多个相同大小的永磁磁极均匀分布在所述次级铁心上，形成永磁体阵列，且相邻永磁磁极极性相反；

所述电枢绕组、初级铁心轭部和初级铁心分裂齿共同组成电机初级模块；多个所述电机初级模块均匀分布在所述永磁体阵列上，且与所述永磁体阵列存在气隙。

进一步地，所述永磁磁极极对数P_m、初级铁心分裂齿的个数n_s与电枢绕组极对数P_a满足：P_a＝min{|iP_m±n_s|/2,i＝1,2,3...}。

进一步地，所述电枢绕组极对数P_a为1。

进一步地，各个所述电机初级模块分布间距为2τ/n+2kτ，其中，n为电机初级模块数量，τ为永磁磁极之间极距，k＝1,2,3…。

可选地，所述电机初级铁心为动子铁心，所述次级铁心为定子铁心。

可选地，所述电机初级铁心为定子铁心，所述次级铁心为动子铁心。

进一步地，所述永磁磁极为海尔贝克阵列充磁的永磁体阵列，或交替极结构的永磁体。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明所提出的电机结构实现了电机各相绕组、磁路的独立，从原理上消除了直线电机由于各相磁路不对称引起的边端效应，很大程度降低了电机的推力波动，进而有效提高了电机性能；且由于各相磁路相互独立，一相绕组故障对其余相绕组的影响很小，因此本发明提供的电机具有较高的容错能力。

(2)本发明设置模块化的电机初级，适用于三相或多相电机方案，因每相磁路独立，易于实现多相(五相，九相等)模块化电机结构，且电机相数越多，各相初级模块的定位力相互抵消，从而有利于降低整个电机的推力波动，同时由于各初级模块所采用的铁心和绕组结构完全相同，降低了电机的设计难度，便于生产、制造与控制。

(3)本发明采用分裂齿结构的初级铁心，能够增强每相磁路的有效磁通，从而增强电机电磁性能。

附图说明

图1(a)为一种典型的传统游标永磁直线电机的结构；

图1(b)为传统游标永磁直线电机内部槽绕组所交链磁通的磁路；

图1(c)为传统游标永磁直线电机边端槽绕组所交链磁通的磁路；

图2为本发明提出的低推力波动模块化横向磁通永磁游标直线电机的三维结构示意图；

图3(a)和图3(b)分别为初级铁心轭部两侧分布的初级铁心分裂齿的磁路分布；

图4(a)-图4(c)为可应用于本发明的分裂齿结构；

图5(a)为普通永磁磁极结构；

图5(b)为引入交替极的永磁磁极结构；

图5(c)为海尔贝克永磁阵列；

图6本发明提出的三个电机初级模块组成的三相永磁游标直线电机；

其中：1为电枢绕组，2为初级铁心轭部，3为初级铁心分裂齿，4为永磁磁极，5为次级铁心。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图2，本发明实施例提供了一种模块化横向磁通游标永磁直线电机，包括：电枢绕组1、初级铁心轭部2、初级铁心分裂齿3、永磁磁极4和次级铁心5；电枢绕组1环绕于所述初级铁心轭部2；初级铁心轭部2两侧均匀分布多个初级铁心分裂齿3，构成电机初级铁心，且同一侧分裂齿对应的永磁磁极极性相同，不同侧分裂齿对应的永磁磁极极性相反；多个相同大小的永磁磁极4均匀分布在所述次级铁心5上，形成永磁体阵列，且相邻永磁磁极极性相反；电枢绕组1、初级铁心轭部2和初级铁心分裂齿3共同组成电机初级模块；多个电机初级模块均匀分布在永磁体阵列上，且与永磁体阵列存在气隙。各个电机初级模块分布间距为2τ/n+2kτ，其中，n为电机初级模块数量，τ为永磁磁极之间极距，k＝1,2,3…。

本发明中的分裂齿可以看作永磁磁极的调制块，实现磁场调制的功能。依据游标电机磁场调制的基本原理，永磁磁极和初级铁心分裂齿调制产生的磁场极对数为1，且由于永磁磁极横向互相错位，所产生的磁场经过初级铁心闭合，形成一个横向的磁通，与电枢绕组进行耦合并产生电磁能量转换。电机初级模块对应的有效永磁磁极极对数P_m、初级铁心分裂齿的个数n_s与电枢绕组极对数P_a之间满足游标电机原理，即：

P_a＝min{|iP_m±n_s|/2,i＝1,2,3...}

图2所示模块化横向磁通游标永磁直线电机中，分裂齿数为3，初级所对应的有效永磁体极数为5，根据游标永磁直线电机的原理，可知永磁磁场经由分裂齿调制后产生的空间磁场极对数为|5-3|/2＝1，与电枢绕组进行耦合。经过调制的磁场如图3(a)和图3(b)所示，电机任意一相磁场只和该相绕组交链，不和其他相绕组交链。本发明中的分裂齿数不固定为3，可以是2、3、4......，分别如图4(a)-图4(c)所示，分裂齿数主要影响游标电机的极比进而影响电机性能，对不同运行状态下(如运行速度，电流频率等)的电机，根据电机最佳的推力、运行频率和速度变比等因素，选择电机初级的分裂齿数。

本发明中电机初级铁心可为动子铁心，相应地，次级铁心为定子铁心；电机初级铁心也可为定子铁心，相应地，次级铁心为动子铁心；此外，本发明的永磁磁极4可为图5(a)所示的常规永磁磁极结构，也可如图5(b)所示引入交替极结构，或为如图5(c)所示的海尔贝克永磁体阵列。

本发明提出的电机为短初级长次级结构，可根据需要利用独立的电机初级模块扩充为任意相电机，如图6所示，三个独立的电机初级模块装配成为三相电机，电机相数越多，各相初级模块的定位力相互抵消，有利于降低整个电机的推力波动；同时模块化的初级结构也降低了电机的设计难度。本发明提供的电机可在包括但不限于传送系统、伺服系统、抽油机、电磁弹射装置、绘图仪、电梯、波浪能发电系统等需要大推力或高动态响应的直线运动的场合中应用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模块化横向磁通游标永磁直线电机，其特征在于，包括：电枢绕组(1)、初级铁心轭部(2)、初级铁心分裂齿(3)、永磁磁极(4)和次级铁心(5)；

所述电枢绕组(1)环绕于所述初级铁心轭部(2)；所述初级铁心轭部(2)两侧均匀分布多个初级铁心分裂齿(3)，构成电机初级铁心，且同一侧分裂齿对应的永磁磁极极性相同，不同侧分裂齿对应的永磁磁极极性相反；多个相同大小的永磁磁极(4)均匀分布在所述次级铁心(5)上，形成永磁体阵列，且相邻永磁磁极极性相反；

所述电枢绕组(1)、初级铁心轭部(2)和初级铁心分裂齿(3)共同组成电机初级模块；多个所述电机初级模块均匀分布在所述永磁体阵列上，且与所述永磁体阵列存在气隙。

2.根据权利要求1所述的一种模块化横向磁通游标永磁直线电机，其特征在于，所述电机初级模块对应的有效永磁磁极极对数P_m、初级铁心分裂齿的个数n_s与电枢绕组极对数P_a满足：

P_a＝min{|iP_m±n_s|/2,i＝1,2,3...}。

3.根据权利要求2所述的一种模块化横向磁通游标永磁直线电机，其特征在于，所述电枢绕组极对数P_a为1。

4.根据权利要求1所述的一种模块化横向磁通游标永磁直线电机，其特征在于，各个所述电机初级模块分布间距为2τ/n+2kτ，其中，n为电机初级模块数量，τ为永磁磁极之间极距，k＝1,2,3…。

5.根据权利要求4所述的一种模块化横向磁通游标永磁直线电机，其特征在于，所述电机初级铁心为动子铁心，所述次级铁心为定子铁心。

6.根据权利要求4所述的一种模块化横向磁通游标永磁直线电机，其特征在于，所述电机初级铁心为定子铁心，所述次级铁心为动子铁心。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种模块化横向磁通游标永磁直线电机，其特征在于，永磁磁极为海尔贝克阵列充磁的永磁体阵列，或交替极结构的永磁体。