CN110690806A - 一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机，包括初级机构和次级机构，初级机构包括若干个结构相同的初级单元，每个初级单元包括n个U型初级导磁部件、n‑1个电枢绕组和n‑1个永磁体，n为大于1的整数；n个初级导磁部件顺序排成一行，n‑1个永磁体间隔位于相邻的初级导磁部件之间，且永磁体将相邻的初级导磁部件的相邻齿连接起来，形成一个磁极，该磁极上缠绕一个电枢绕组；所有初级单元顺序排列；所述次级机构包括若干个错开依次交替排列的次级导磁部件，各次级导磁部件均包含轭部，以及与轭部连接的n个齿部，所有齿部的方向相同。此种结构可实现永磁体和绕组同时位于初级侧并且各相隔离解耦，电磁相互独立，次级侧结构简单可靠的优良特性。

Description

一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机
技术领域
本发明属于电机设计技术领域，特别涉及一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机。
背景技术
直线电机在驱动直线运动负载时，省却了旋转电机的旋转到直线运动的转换机构，因而具有整体结构简单、位置精度高、响应速度快、噪声低等优势。使整个系统效率得到提高。近年来，随着直线驱动的应用越来越广泛，直线电机逐渐成为了研究与研发的热点之一，并且已经被广泛地应用于军事工业、航空航天、轨道交通、电磁弹射等领域。
横向磁通直线永磁电机的运动方向与电机磁场路径所在平面垂直，电机的电路和电机磁路相对较为独立，与传统电机相比，横向磁通电机具有转矩密度高、设计灵活、电磁负荷解耦、控制方便、低速特性优良等特点，其应用领域也日益扩展，尤其适合低速大功率驱动场合,横向磁通电机极大地缩短了磁路长度，减小了铁磁材料的用量和铁耗，在一定范围内提高了磁能变化率，进而提高了电机的出力。然而该永磁电机因为永磁体和绕组分别位于电机动定子上，导致电机结构不稳定，并且永磁体难于散热，限制了在高可靠性领域的应用。
近年来出现的定子永磁型电机，由于永磁体和绕组均置于电机的定子，而动子上既无绕组也无永磁体。因此，具有效率高、动子结构简单以及永磁体易于散热等优点。其中，尤以磁通切换永磁电机功率密度最高。已有研究表明，该电机虽具有一定程度的容错性能，但相间不具备磁隔离能力，故电机的容错能力有待进一步提高。克服相间耦合的弊端，研究容错式磁通切换永磁电机结构，已成为当前国内外相关领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机，其可实现永磁体和绕组同时位于初级侧并且各相隔离解耦，电磁相互独立，次级侧结构简单可靠的优良特性。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机，包括初级机构和次级机构，其中，初级机构包括若干个结构相同的初级单元，每个初级单元包括n个U型初级导磁部件、n-1个电枢绕组和n-1个永磁体，n为大于1的整数；其中，n个初级导磁部件顺序排成一行，n-1个永磁体间隔位于相邻的初级导磁部件之间，且永磁体将相邻的初级导磁部件的相邻齿连接起来，形成一个磁极，且该磁极上缠绕一个电枢绕组；所有初级单元顺序排列；
所述次级机构包括若干个错开依次交替排列的次级导磁部件，各次级导磁部件均包含轭部，以及与轭部连接的n个齿部，所有齿部的方向相同。
初级机构与次级机构的排列是：某一个次级导磁部件的第i个齿与初级单元中第i个初级导磁部件的一个齿在端部视图上相对齐，则与该次级导磁部件相邻的次级导磁部件的第i个齿与该初级单元中第i个初级导磁部件的另一个齿在端部视图上相对齐，i＝1，2，…，n。
上述初级单元的个数为电机相数的整数倍。
某一初级单元上的磁极多于1个时，该初级单元上相邻永磁体的充磁方向相反。
相邻初级单元间距ls与次级导磁部件间距lp的关系式为：
Figure RE-GDA0002298612290000021
其中， k＝0,1,2,3,…，M为电机相数。
上述次级导磁部件间距lp与次级导磁部件厚度τp的关系是lp≥τp。
上述初级和次级导磁部件由铁芯硅钢片叠压而成，或者由复合导磁材料塑造而成。
上述直线电机中，同相的初级单元中，电枢绕组相互串联或并联。
上述初级机构和次级机构互为固定部件和运动部件。
上述直线电机既能够作为发电机，也能够作为电动机。
采用上述方案后，本发明的有益效果为：
(1)电机采用横向磁通结构，同时电机永磁体和绕组均安装在初级部分，次级结构简单，既无绕组也无永磁体，同时还保持了横向磁通直线电机各相隔离解耦、电磁相互独立的优点，具有转矩密度高、设计灵活、电磁负荷解耦、控制方便、低速特性优良、效率高、次级结构简单以及永磁体易于散热等特点；
(2)电机结构简单紧凑，组装方便容易，空间利用率高；
(3)每个初级单元都是相互独立的，电机可靠性高、容错能力强，利于模块化制造安装。
附图说明
图1(a)是本发明的一种三相初级单元一磁极平板型初级永磁式横向磁通直线电机的整体结构示意图；
图1(b)是本发明的一种三相初级单元一磁极平板型初级永磁式横向磁通直线电机的端部视图结构示意图；
图2(a)是本发明的一种三相初级单元一磁极平板型初级永磁式横向磁通直线电机的初级结构俯视示意图；
图2(b)是本发明的一种三相初级单元一磁极平板型初级永磁式横向磁通直线电机的次级结构俯视示意图；
图3(a)是本发明的一种三相初级单元一磁极平板型初级永磁式横向磁通直线电机初级单元导磁材料结构示意图；
图3(b)是本发明的一种三相初级单元一磁极平板型初级永磁式横向磁通直线电机初级单元结构示意图；
图4(a)是本发明的一种三相初级单元一磁极平板型初级永磁式横向磁通直线电机的次级排列结构示意图；
图4(b)是本发明的一种三相初级单元一磁极平板型初级永磁式横向磁通直线电机的次级导磁部件结构示意图；
图5(a)是本发明的一种三相初级一磁极平板型初级永磁式横向磁通直线电机次级导磁部件5与初级单元对齐时的磁通流向示意图；
图5(b)是本发明的一种三相初级一磁极平板型初级永磁式横向磁通直线电机次级导磁部件4与初级单元对齐时的磁通流向示意图；
图6(a)是本发明的一种三相初级三磁极平板型初级永磁式横向磁通直线电机的整体结构示意图；
图6(b)是本发明的一种三相初级三磁极平板型初级永磁式横向磁通直线电机的端部视图结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1(a)所示为一种三相初级一磁极平板型初级永磁式横向磁通直线电机结构示意图，包括初级和次级两部分，初级部分包括若干个结构相同的初级单元，每个初级单元由U型初级导磁部件1、电枢绕组3和永磁体2组成，次级部分由依次排列的导磁部件4、5组成；初级和次级导磁材料可以由铁芯硅钢片叠压而成，也可以由复合导磁材料塑造而成，次级导磁部件依次错开沿着运动方向排列。图1(b)是本发明的一种三相初级单元一磁极平板型初级永磁式横向磁通直线电机的端部视图结构示意图；该电机磁极由两个导磁部件齿1-1-2、1-2-1和永磁体 2组成，电枢绕组3缠绕在磁极上，初级单元两端还有齿1-1-1和1-2-2。次级导磁部件4、5交替排列，次级导磁部件由齿和轭部组成，导磁部件4上的齿4-1 和4-2分别与初级单元上的齿1-1-1和1-2-1对齐；导磁部件5上的齿5-1和5-2 分别与初级单元上的齿1-1-2和1-2-2对齐；随着电机初次级的相对运动，初级单元导磁材料中磁通变化，绕组内磁链交替变化，产生感应电动势。本发明既可作为电动机也可作为发电机。
图1(a)、图1(b)中示意性的画出该电机的一种初级一磁极三相结构，初级单元相互间隔120°电角度形成电机各相。电机的初级单元个数和次级导磁部件个数不限于此，可根据电机相数长度等实际情况增加或减少，同相的初级单元绕组相互串联或并联同一初级单元中的绕组可相互串联或并联。
由图2(a)所示为电机初级排列视图，沿电机运动方向，电机初级单元间距ls及电机初级单元厚度τs由电机容量、次级导磁部件间距等决定。图2(b)所示为电机次级导磁部件排列示意图，沿电机运动方向，导磁部件厚度为τp和相邻导磁部件的间距为lp。如电机为M相，则电机初级单元个数N＝KM；其中K为大于零的整数。初级单元间距，次级导磁部件的间距，电机的相数之间的关系可由下式决定：
Figure RE-GDA0002298612290000051
其中k＝0,1,2,3...。
图3(a)、图3(b)所示为该电机初级单元结构示意图。其中图3(a)为初级单元导磁部件结构示意图，主要为导磁铁芯1-1、1-2和永磁体2。导磁铁芯1-1包括两个齿1-1-1、1-1-2，导磁铁芯1-2包括两个齿1-1-1、1-2-2，其中1-1-2、永磁体2和1-2-1形成一个磁极；图3(b)为初级单元结构示意图，除包含初级单元导磁部件还有缠绕在磁极上的电枢绕组3组成。
图4(a)所示为该电机次级机构示意图，其包含导磁部件4和导磁部件5，导磁部件4、5结构相同，依次错开排列，使次级运行时电机绕组磁通发生变化。图4(b)为次级导磁部件5的结构示意图，导磁部件5包括导磁轭部和齿部，齿部由5-1、5-2组成，次级导磁部件4与导磁部件5结构相同。次级结构简单，没有永磁体，制作方便。
由图5(a)所示为次级导磁部件5与初级单元对齐时的磁通流向示意图，图5(b) 所示为次级导磁部件4与初级单元对齐时的磁通流向示意图。从图5(a)、图5(b) 可以看出，次级运动时，从导磁部件5与初级单元对齐到导磁部件4与初级单元对齐时，绕组磁链方向，电机内部磁通流向均发生变化。说明该电机原理可行，结构可靠。
图6(a)所示为本发明的整体结构示意图，图6(b)所示为该电机的端部视图结构示意图；从图可知，通过增加初级单元磁极个数可以达到增加电机功率的目的。
本发明的工作原理为：当次级沿着运动方向移动时，相邻两个次级导磁部件的齿部分别与初级单元中导磁齿对齐，从而使通过初级磁极上的绕组的磁链交替变化，使绕组感应出相应的感应电动势，当在初级绕组上施加变化电流时就会产生推力。通过合理安排初级单元间间距和次级导磁部件的间距，通过根据初次级之间在运动方向上的相对位置，合理给初级单元的各相绕组通电，可产生持续的推力。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机，其特征在于：包括初级机构和次级机构，其中，初级机构包括若干个结构相同的初级单元，每个初级单元包括n个U型初级导磁部件、n-1个电枢绕组和n-1个永磁体，n为大于1的整数；其中，n个初级导磁部件顺序排成一行，n-1个永磁体间隔位于相邻的初级导磁部件之间，且永磁体将相邻的初级导磁部件的相邻齿连接起来，形成一个磁极，且该磁极上缠绕一个电枢绕组；所有初级单元顺序排列；
所述次级机构包括若干个错开依次交替排列的次级导磁部件，各次级导磁部件均包含轭部，以及与轭部连接的n个齿部，所有齿部的方向相同。
2.如权利要求1所述的一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机，其特征在于：初级机构与次级机构的排列是：某一个次级导磁部件的第i个齿与初级单元中第i个初级导磁部件的一个齿在端部视图上相对齐，则与该次级导磁部件相邻的次级导磁部件的第i个齿与该初级单元中第i个初级导磁部件的另一个齿在端部视图上相对齐，i＝1，2，…，n。
3.如权利要求1所述的一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机，其特征在于：所述初级单元的个数为电机相数的整数倍。
4.如权利要求1所述的一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机，其特征在于：某一初级单元上的磁极多于1个时，该初级单元上相邻永磁体的充磁方向相反。
5.如权利要求1所述的一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机，其特征在于：相邻初级单元间距ls与次级导磁部件间距lp的关系式为：
Figure FDA0002171291860000011
其中，k＝0,1,2,3,…，M为电机相数。
6.如权利要求1所述的一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机，其特征在于：所述次级导磁部件间距lp与次级导磁部件厚度τp的关系是lp≥τp。
7.如权利要求1所述的一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机，其特征在于：所述初级和次级导磁部件由铁芯硅钢片叠压而成，或者由复合导磁材料塑造而成。
8.如权利要求1所述的一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机，其特征在于：所述直线电机中，同相的初级单元中，电枢绕组相互串联或并联。
9.如权利要求1所述的一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机，其特征在于：所述初级机构和次级机构互为固定部件和运动部件。
10.如权利要求1所述的一种平板型初级永磁式横向磁通直线电机，其特征在于：所述直线电机既能够作为发电机，也能够作为电动机。
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