CN112271902B - 一种同性极混合励磁直线同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同性极混合励磁直线同步电机，包括初级、次级以及初级和次级之间形成的两个气隙；初级包括初级铁芯、初级电枢绕组、励磁铁芯、环形励磁绕组、永磁体，次级包括次级背轭铁芯和铁芯齿极阵列，铁芯齿极阵列分为四组，同组中相邻的两个铁芯齿间距为τ，τ为极距，两组的铁芯齿交错设置，错开的间距为τ，电角度相差180度。本发明次级结构简单，涡流损耗小、效率高，加工成本低，可实现自悬浮，无机械接触，混合励磁的结构使得气隙磁场强、灵活可变，推力大且调节方便，控制系统也容易实现，通过调节励磁电流即可保证气隙长度，适合较大气隙的场合，如高速磁悬浮列车领域，使得对轨道的要求降低。

Description

一种同性极混合励磁直线同步电机

技术领域

本发明属于直线同步电机领域，更具体地，涉及一种同性极混合励磁直线同步电机。

背景技术

随着直线电机技术的探索与发展，直线电机作为驱动装置在交通运输领域的应用越来越多。直线电机省去了中间传动联结装置，相比于旋转电机有着很大的优势。随着人类对速度追求，磁悬浮列车成为交通领域研究热点。采用直线同步电机作为的磁悬浮列车的驱动有着一定的优势，直线同步电机能够同时产生推力和悬浮力，无需单独设置实现悬浮的支撑装置，使得装置结构变得简单。但是，目前直线同步电机的气隙磁场为交变磁场，在次级中会产生较大的涡流损耗，为减小涡流损耗会使得次级结构的加工工艺变得复杂，成本增加。此外，电励磁直线同步电机存在励磁损耗高，温升大的问题，永磁直线同步电机存在永磁体成本高、励磁不可调的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种同性极混合励磁直线同步电机，综合永磁和电励磁直线同步电机的优点，并减小直线电机次级中产生的涡流损耗，使得次级结构可以采用实心铁芯，加工工艺变得简单，解决直线同步电机次级涡流损耗大，加工成本较高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

同性极混合励磁直线同步电机，所述电机为混合励磁的双边电机，包括初级、次级以及初级和次级之间形成的气隙；初级包括第一初级铁芯、第二初级铁芯、初级电枢绕组、环形励磁绕组、第一永磁体、第二永磁体以及第一励磁铁芯、第二励磁铁芯、第三励磁铁芯；初级电枢绕组绕制在第一初级铁芯和第二初级铁芯上；第一永磁体、第二永磁体分别设置于第一初级铁芯和第二初级铁芯外端，并与第一初级铁芯和第二初级铁芯的上端平齐；第一励磁铁芯、第二励磁铁芯和第三励磁铁芯分别设置于第一永磁体的外侧、第一初级铁心和第二初级铁心之间以及第二永磁体的外侧；环形励磁绕组集中设置在第二励磁铁芯上；次级包括第一次级轭部铁芯、第二次级轭部铁芯和第三次级轭部铁芯和第一铁芯齿极阵列、第二铁芯齿极阵列、第三铁芯齿极阵列、第四铁芯齿极阵列；第一次级轭部铁芯、第二次级轭部铁芯和第三次级轭部铁芯横向等间距设置于初级的下方；第一铁芯齿极阵列、第二铁芯齿极阵列、第三铁芯齿极阵列、第四铁芯齿极阵列分别设置于第一次级轭部铁芯的内侧、第二次级轭部铁芯的两侧以及第三次级轭部铁芯的内侧；第一铁芯齿极阵列和第三铁芯齿极阵列横向相对，第二铁芯齿极阵列和第四铁芯齿极阵列横向相对，相邻的两组均交错设置。

作为本发明的一种优选方案，每组铁芯齿极阵列均包含N个铁芯齿，N为≥2的正整数，相邻两组交错设置错开的间距为τ，电角度相差180度，每组中相邻的两个铁芯齿间距也为τ，τ为极距。

作为本发明的一种优选方案，所述初级的铁芯均由铁磁材料制成，次级为实心结构，也由铁磁材料制成。

作为本发明的一种优选方案，所述第一初级铁心和第二初级铁心共用一套电枢绕组，电枢绕组采用双层集中绕组的方式绕制。

作为本发明的一种优选方案，所述永磁体由钕铁硼材料制成，两侧永磁体均为横向单方向向充磁，充磁方向相同。

本发明所采取的技术方案能够取得下列有益效果：

1、本发明提出的同性极混合励磁直线电机一个铁芯下的气隙磁场为单极性，通过转子铁芯的磁通方向不会发生交变，使得转子铁芯产生很小的涡流损耗，这样降低电机损耗，减少了电机的发热，提高了电机的效率；相邻两铁芯的气隙磁场相反，与电枢绕组交链的合成气隙磁场仍然是交变的，保证了输出电机推力密度。

2、混合励磁的结构使得气隙磁场灵活可变,推力大且调节方便。采用永磁体来提供大部分励磁磁场，可以减小供电设备的容量。气隙长度也可以适当增加，使得系统安全性提高，降低了对轨道加工精度的要求，降低了制造难度，控制系统也更容易实现。

3、本发明提出的同性极直线电机次级可采取实心结构，无需采用硅钢片叠制，机械强度更高，加工更为简单，加工成本更低。

附图说明

图1为本发明混合励磁同性极直线同步电机的三维结构示意图；

图2为本发明混合励磁同性极直线同步电机中次级的结构示意图；

图3为本发明混合励磁同性极直线同步电机环形励磁绕组和永磁体的励磁磁路示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1—初级，2—次级，3-1—第一初级铁芯，3-2第二初级铁芯，3-3第三初级铁芯，4—初级电枢绕组，5—环形励磁绕组，6-1—第一永磁体，6-2—第二永磁体，7-1—第一励磁铁芯，7-2—第二励磁铁芯，7-3—第三励磁铁芯，8-1—第一次级轭部铁芯，8-2—第二次级轭部铁芯，8-3—第三次级轭部铁芯，9-1—第一铁芯齿极阵列，9-2—第二铁芯齿极阵列，9-3—第三铁芯齿极阵列，9-4—第四铁芯齿极阵列。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种同性极混合励磁直线同步电机，所述电机为混合励磁的双边电机，包括初级1、次级2以及初级和次级之间形成的气隙；初级1包括第一初级铁芯3-1、第二初级铁芯3-2、初级电枢绕组4、环形励磁绕组5、第一永磁体6-1、第二永磁体6-2以及第一励磁铁芯7-1、第二励磁铁芯7-2、第三励磁铁芯7-3；初级电枢绕组4采用双层结构集中绕制在第一初级铁芯3-1和第二初级铁芯3-2上；第一永磁体6-1、第二永磁体6-2分别设置于第一初级铁芯3-1和第二初级铁芯3-2外端，并与第一初级铁芯3-1和第二初级铁芯3-2的上端平齐；第一励磁铁芯7-1、第二励磁铁芯7-2和第三励磁铁芯7-3分别设置于第一永磁体6-1的外侧、第一初级铁心3-1和第二初级铁心3-2之间以及第二永磁体6-2的外侧；环形励磁绕组5集中设置在第二励磁铁芯7-2上；次级2包括第一次级轭部铁芯8-1、第二次级轭部铁芯8-2和第三次级轭部铁芯8-3和第一铁芯齿极阵列9-1、第二铁芯齿极阵列9-2、第三铁芯齿极阵列9-3、第四铁芯齿极阵列9-4；第一次级轭部铁芯8-1、第二次级轭部铁芯8-2和第三次级轭部铁芯8-3横向等间距设置于初级1的下方；第一铁芯齿极阵列9-1、第二铁芯齿极阵列9-2、第三铁芯齿极阵列9-3、第四铁芯齿极阵列9-4分别设置于第一次级轭部铁芯8-1的内侧、第二次级轭部铁芯8-2的两侧以及第三次级轭部铁芯8-3的内侧；第一铁芯齿极阵列9-1和第三铁芯齿极阵列9-3横向相对，第二铁芯齿极阵列9-2和第四铁芯齿极阵列9-4横向相对，相邻的两组均交错设置。

具体地，每组铁芯齿极阵列均包含N个铁芯齿，N为≥2的正整数，相邻两组交错设置错开的间距为τ，电角度相差180度，每组中相邻的两个铁芯齿间距也为τ，τ为极距。

具体地，初级的铁芯均由铁磁材料制成，次级2为实心结构，也由铁磁材料制成。

具体地，第一初级铁芯3-1和第二初级铁芯3-2共用一套电枢绕组4，电枢绕组采用双层集中绕组的方式绕制。

具体地，永磁体由钕铁硼材料制成，两侧永磁体均为横向单方向向充磁，充磁方向相同。

实施例

如图1所示，本发明提供的双边混合励磁同性极直线同步电机，包括初级1、次级2以及初级和次级之间形成的两个气隙。初级铁芯由第一初级铁芯3-1、第二初级铁芯3-2组成，单边铁芯齿槽数为25，第一初级铁芯3-1和第二初级铁芯3-2共用一套电枢绕组4，电枢绕组节距为1，采取双层结构集中绕制在初级铁芯上。第一永磁体6-1、第二永磁体6-2设置于第一初级铁芯3-1、第二初级铁芯3-2外端，并与初级铁芯上端平齐，两侧永磁体均为横向单方向充磁，充磁方向相同。励磁铁芯包括三段，分别设置于第一永磁体6-1的左侧、第一初级铁心3-1和第二初级铁心3-2之间以及第二永磁体6-2的右侧，分别为第一励磁铁芯7-1、第二励磁铁芯7-2和第三励磁铁芯7-3。环形励磁绕组5集中设置在第二励磁铁芯7-2上。如图2所示，次级2包括次级轭部铁芯和铁芯齿极阵列，次级轭部铁芯有三段，横向等间距设置于初级的正下方，分别为第一次级轭部铁芯8-1、第二次级轭部铁芯8-2和第三次级轭部铁芯8-3。铁芯齿极阵列分为4组，分别设置于第一次级轭部铁芯8-1的右侧、第二次级轭部铁芯8-2的左侧和右侧以及第三次级轭部铁芯8-3的左侧，依次称为第一铁芯齿极阵列9-1、第二铁芯齿极阵列9-2、第三铁芯齿极阵列9-3、第四铁芯齿极阵列9-4，每组均包含4个铁芯齿，每组中相邻的两个铁芯齿间距为τ，τ为极距，第一铁芯齿极阵列9-1和第三铁芯齿极阵列9-3横向相对，第二铁芯齿极阵列9-2和第四铁芯齿极阵列9-4横向相对，相邻的两组均交错设置，错开的间距为τ，电角度相差180度。电机采用短初级长次级结构，初级作为动子进行直线运动。

双边混合励磁同性极直线同步电机的工作原理：如图3所示，在环形励磁绕组5中通入直流励磁电流后，励磁磁通可分为两部分永磁体励磁磁通和电励磁磁通。以电机结构的右侧部分为例说明，左侧是相对称的，其中永磁体励磁磁通所形成的磁路为：第二永磁体6-2→第一初级铁芯3-2→气隙→第四铁芯齿极阵列9-4→第三次级轭部铁芯8-3→第三励磁铁芯7-3→第二永磁体6-2；电励磁磁通所形成的的磁路为：第二励磁铁芯7-2→第一初级铁芯3-1→气隙→第二铁芯齿极阵列9-2→第二次级轭部铁芯8-2→第三铁芯齿极阵列9-3→气隙→第二初级铁芯3-2→第二励磁铁芯7-2。第二永磁体6-2产生的磁通形成的磁路只经过了一次气隙，均经由第四铁芯齿极阵列9-4闭合，电励磁产生得磁通形成的磁路经过两次气隙，经由第二芯齿极阵列9-2，第三铁芯齿极阵列9-3闭合。同一组铁芯齿极阵列的磁通方向是相同的，为单向的，因此右侧由永磁体和励磁线圈叠加产生的合成气隙磁场仍然为单极性的。电枢绕组通入三相正弦交流电后产生的行波磁场与励磁线圈、永磁体产生的合成磁场相互作用产生推力和悬浮力。采用混合励磁的方式，通过调节励磁电流的大小和方向即可平滑调节气隙磁场的，使电机的控制变得简单。

以上所述实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种同性极混合励磁直线同步电机，所述电机为混合励磁的双边电机，其特征在于，包括初级(1)、次级(2)以及初级和次级之间形成的气隙；

所述初级(1)包括第一初级铁芯(3-1)、第二初级铁芯(3-2)、初级电枢绕组(4)、环形励磁绕组(5)、第一永磁体(6-1)、第二永磁体(6-2)以及第一励磁铁芯(7-1)、第二励磁铁芯(7-2)、第三励磁铁芯(7-3)；所述初级电枢绕组(4)绕制在第一初级铁芯(3-1)和第二初级铁芯(3-2)上；所述第一永磁体(6-1)、第二永磁体(6-2)分别设置于第一初级铁芯(3-1)、第二初级铁芯(3-2)的外端；所述第一励磁铁芯(7-1)、第二励磁铁芯(7-2)和第三励磁铁芯(7-3)分别设置于第一永磁体(6-1)的外侧、第一初级铁心(3-1)和第二初级铁心(3-2)之间以及第二永磁体(6-2)的外侧；所述环形励磁绕组(5)设置在第二励磁铁芯(7-2)上；

所述次级(2)包括第一次级轭部铁芯(8-1)、第二次级轭部铁芯(8-2)和第三次级轭部铁芯(8-3)和第一铁芯齿极阵列(9-1)、第二铁芯齿极阵列(9-2)、第三铁芯齿极阵列(9-3)、第四铁芯齿极阵列(9-4)；所述第一次级轭部铁芯(8-1)、第二次级轭部铁芯(8-2)和第三次级轭部铁芯(8-3)依次设置于初级(1)的下方；所述第一铁芯齿极阵列(9-1)、第二铁芯齿极阵列(9-2)、第三铁芯齿极阵列(9-3)、第四铁芯齿极阵列(9-4)分别设置于第一次级轭部铁芯(8-1)的内侧、第二次级轭部铁芯(8-2)的两侧以及第三次级轭部铁芯(8-3)的内侧；第一铁芯齿极阵列(9-1)和第三铁芯齿极阵列(9-3)横向相对，第二铁芯齿极阵列(9-2)和第四铁芯齿极阵列(9-4)横向相对，相邻的两组均交错设置。

2.根据权利要求1所述的同性极混合励磁直线同步电机，其特征在于，所述第一永磁体(6-1)、第二永磁体(6-2)分别与第一初级铁芯(3-1)和第二初级铁芯(3-2)的上端平齐。

3.根据权利要求1所述的同性极混合励磁直线同步电机，其特征在于，每组铁芯齿极阵列均包含N个铁芯齿，N为≥2的正整数，相邻两组交错设置，错开的间距为τ，电角度相差180度，每组中相邻的两个铁芯齿间距也为τ，τ为极距。

4.根据权利要求1所述的同性极混合励磁直线同步电机，其特征在于第一初级铁心(3-1)和第二初级铁心(3-2)共用一套电枢绕组，电枢绕组采用双层集中绕组的方式绕制。

5.根据权利要求1所述的同性极混合励磁直线同步电机，其特征在于，第一初级铁芯(3-1)、第二初级铁芯(3-2)以及次级(2)均由铁磁材料制成。

6.根据权利要求1所述的同性极混合励磁直线同步电机，其特征在于，第一永磁体(6-1)和第二永磁体(6-2)由钕铁硼材料制成。

7.根据权利要求6所述的同性极混合励磁直线同步电机，其特征在于，第一永磁体(6-1)和第二永磁体(6-2)均为横向单方向充磁，充磁方向相同。

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