CN110690808B - 一种次级短磁路双边型初级永磁式横向磁通直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种次级短磁路双边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，初级机构包括两组结构相同的初级单元，每个初级单元包括n+1个U型初级导磁部件、n个电枢绕组和n个永磁体，初级导磁部件顺序排成一行，n个永磁体间隔位于相邻的初级导磁部件之间，且永磁体将相邻初级导磁部件的齿连接起来，形成一个磁极，磁极上缠绕电枢绕组；两组初级单元相对设置；所述次级机构包括若干个次级导磁部件，所有次级导磁部件位于两组初级单元之间并沿电机运动方向依次交错排列。此种直线电机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，转矩密度高，设计灵活，控制方便，次级侧结构简单可靠的优良特性。

Description

一种次级短磁路双边型初级永磁式横向磁通直线电机

技术领域

本发明属于电机结构技术领域，特别涉及一种次级短磁路双边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。

将传统旋转电机展开得到的直线电机通常为单边结构，动定子之间存在法向力即单边磁拉力，单边磁拉力通常较大，会使动子与定子之间产生较大的摩擦力，增加动定子轴承负担影响电机性能和寿命，因此通常会有双边结构，双边结构理论上可以减小法向磁拉力。但如果仅仅采用传统双边对称结构，出现磁路对称，次级出现导磁轭部，并且轭部铁芯所占比重较大，材料消耗较多。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种次级短磁路双边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，转矩密度高，设计灵活，控制方便，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：

一种次级短磁路双边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，初级机构包括两组结构相同的初级单元，每组包含初级单元的个数相同，每个初级单元包括n+1个U型初级导磁部件、n个电枢绕组和n个永磁体， n为自然数，其中，n+1个初级导磁部件顺序排成一行，n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；两组初级单元相对设置，且相对设置的初级单元中的永磁体充磁方向相反，位于同一组的初级单元沿电机运动方向顺序排列；

所述次级机构包括若干个次级导磁部件，每个次级导磁部件包括n+1个导磁块和n个连桥，n+1个导磁块顺序排列，n个连桥的两端分别连接在相邻两个导磁块的中部；所有次级导磁部件位于两组初级单元之间并沿电机运动方向依次交错排列，当某一个次级导磁部件的第i个导磁块与初级单元中第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个导磁块与该初级单元中第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+1。

上述次级导磁部件还包括n个连桥，n个连桥的两端分别连接在相邻两个导磁块的中部。

上述次级机构还包括若干连桥，用于将沿电机运动方向上位于同一条直线上的导磁块两两连接起来。

上述每组包含初级单元的个数为电机相数的整数倍。

位于同一组的相邻初级单元间距l_s与次级导磁部件间距l_p的关系式为：

其中，k＝0,1,2,3,…，M为电机相数。

上述次级导磁部件的间距l_p与导磁块厚度τ_p的关系是l_p≥τ_p。

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。

上述直线电机中，初级单元磁极个数不受电机相数、次级导磁部件在运动方向厚度、初级单元间距、次级导磁部件间距限制且为整数。

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，次级上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，使次级侧结构简单可靠，组装方便容易，空间利用率高，容错能力强；

(3)采用双边结构，没有单边磁拉力，导轨轴承负担小，使用寿命长；

(4)次级磁路短，结构简单，所需导磁材料少。

附图说明

图1(a)是本发明的整体结构示意图；

图1(b)是本发明的端部视图结构示意图及永磁体的一种充磁方向示意图；

图1(c)是本发明的整体结构示意图；

图1(d)是本发明的另一种端部视图结构示意图及永磁体的一种充磁方向示意图；

图2(a)是本发明的初级结构示意图；

图2(b)是本发明的次级结构俯视示意图；

图3(a)是本发明的初级单元导磁材料结构示意图；

图3(b)是本发明的初级单元结构示意图；

图4(a)是本发明的次级结构示意图；

图4(b)是本发明的次级导磁部件结构示意图；

图5(a)是本发明的次级导磁部件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)是本发明的整体结构示意图；

图6(b)是本发明的端部视图结构示意图；

图7是本发明的一种纵向连接桥的整体结构示意图。

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单元磁极次级短磁路双边型初级永磁式横向磁通直线电机的整体结构示意图，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，每个初级单元由初级导磁部件1、电枢绕组3和永磁体2 组成，初级单元对称排列在次级两侧，次级部分由导磁材料组成导磁块4、5依次交错排列组成；初级和次级导磁部件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。图1(b)是本发明的一种三相初级单元磁极次级短磁路双边型初级永磁式横向磁通直线电机的端部视图结构示意图及永磁体的一种充磁方向示意图；该电机为双边对称结构，有两个对称磁极，两个磁极分别由两个导磁部件齿1-1-2、1-2-1和永磁体2-1，1-3-2、1-4-1和永磁体2-2组成，绕组3-1、 3-2分别缠绕在两磁极上，初级单元两端由辅助齿1-1-1、1-2-2、1-3-1、1-4-2组成。从端部视图上看，导磁块4分别与初级单元上的齿1-1-1、1-3-1，1-2-1、1-4-1 对齐；导磁块5分别与初级单元上的齿1-1-2、1-3-2，1-2-2、1-4-2对齐。图1(c)、图1(d)分别是该电机中导磁块采用连桥相连时的电机整体结构示意图和端部示意图。导磁块还可以通过运动方向上对齐的导磁块采用连桥相连的结构，如图7 所示。随着电机初次级的相对运动，导磁块4和导磁块5分别与上述的初级单元上的齿对齐，使初级单元中磁通变化，绕组内磁链交替变化，产生感应电动势。本发明双边初级永磁式横向磁通直线电机既可作为电动机也可作为发电机。

每个初级单元包括初级导磁部件1、永磁体2和电枢绕组3；次级部分包括导磁块4、5。图1(a)、图1(b)中示意性地画出该电机的一种初级单元一磁极三相结构，初级单元间相互间隔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，同时也可以扩展或减少初级单元的磁极数来改变电机输出，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l_s及电机初级单元厚度τ_s由电机容量、次级导磁部件间距等决定，由于是双边结构初级单元呈对称分布。图2(b)所示为电机中导磁块采用连桥连接的排列示意图，沿电机运动方向，导磁部件厚度为τ_p，相邻次级导磁部件的间距为l_p。如电机为 M相，则电机初级单元个数N＝2K M；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：

其中k＝0,1,2,3...。

由图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)为初级单元导磁材料结构示意图，主要为导磁铁芯1-1、1-2、1-3、1-4和永磁体2-1、2-2 形成对称的两个初级磁极，每个磁极由两个导磁铁芯的各一个齿和一个永磁绕组线圈组成；图3(b)为初级单元结构示意图，除包含初级单元导磁材料还有缠绕在各个磁极上的绕组线圈3-1、3-2组成。

由图4(a)所示为该电机次级结构示意图，其包含导磁块4和导磁块5以及连接导磁块的连桥6，导磁块4、5的结构相同，沿运动方向交错排列，使电机运行时电机绕组磁通发生变化。图4(b)为导磁块4(5)及连桥结构示意图。次级结构简单，没有永磁体，制作方便。

由图5(a)所示为导磁块5与初级单元对齐时的磁通流向示意图，图5(b)所示为导磁块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，从导磁块4与初级单元对齐到导磁块5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)所示为本发明一种三相初级三磁极次级短磁路双边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)所示为该三相初级三磁极双边型初级永磁式横向磁通直线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也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 (8)

1.一种次级短磁路双边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，初级机构包括两组结构相同的初级单元，每组包含初级单元的个数相同，每个初级单元包括n+1个U型初级导磁部件、n个电枢绕组和n个永磁体，n为自然数，其中，n+1个初级导磁部件顺序排成一行，n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；两组初级单元相对设置，且相对设置的初级单元中的永磁体充磁方向相反，位于同一组的初级单元沿电机运动方向顺序排列；所述每组包含初级单元的个数为电机相数的整数倍；

所述次级机构包括若干个次级导磁部件，每个次级导磁部件包括n+1个导磁块，n+1个导磁块顺序排列；所有次级导磁部件位于两组初级单元之间并沿电机运动方向依次交错排列，当某一个次级导磁部件的第i个导磁块与初级单元中第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个导磁块与该初级单元中第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+1；

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。

2.如权利要求1所述的一种次级短磁路双边型初级永磁式横向磁通直线电机，其特征在于：所述次级导磁部件还包括n个连桥，n个连桥的两端分别连接在相邻两个导磁块的中部。

3.如权利要求1所述的一种次级短磁路双边型初级永磁式横向磁通直线电机，其特征在于：所述次级机构还包括若干连桥，用于将沿电机运动方向上位于同一条直线上的导磁块两两连接起来。

4.如权利要求1所述的一种次级短磁路双边型初级永磁式横向磁通直线电机，其特征在于：位于同一组的相邻初级单元间距l _s 与次级导磁部件间距l _p 的关系式为：l _s = kl _p +2l _p /M，其中，k =0,1,2,3,…，M为电机相数。

5.如权利要求1所述的一种次级短磁路双边型初级永磁式横向磁通直线电机，其特征在于：所述次级导磁部件的间距l _p 与导磁块厚度τ _p 的关系是l _p ≥τ _p 。

6.如权利要求1所述的一种次级短磁路双边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。

7.如权利要求1所述的一种次级短磁路双边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。

8.如权利要求1所述的一种次级短磁路双边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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