CN112953159B - 一种高推力密度的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高推力密度的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机，包括初级绕组、初级铁心、次级铁心及辅助永磁体，设置平板形的次级铁心为高导磁材料，沿铁心中心线开设有镜像对称分布的多层矩形槽，相邻的两个多层矩形槽的距离为一个极距。辅助永磁体嵌放在一层或多层矩形槽内，且该内置的永磁体沿铁心中心线呈镜像对称分布，并在不同的磁路结构具有不同的充磁方向。本发明通过多层矩形槽以及辅助永磁体的设置，增大交、直轴的电抗的差值，提高电机的磁阻推力分量，在减小永磁体用量的情况下，令电机仍能保持高的推力密度，同时降低了制造成本，在长行程自动化生产线、电磁弹射等场合具有良好的应用前景。

Description

一种高推力密度的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机

技术领域

本发明涉及电机领域，具体涉及到一种高推力密度的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机。

背景技术

双边型直线电机可以实现高的推力密度，并具有强的设计灵活度，在长行程自动化生产线、电磁弹射等场合获得广泛的应用。常见双边型永磁直线同步电机由初级电枢和次级永磁体构成，电枢绕组通交流电产生电枢磁场，与次级永磁体的励磁磁场相互作用，产生电磁推力驱动次级作直线运动。近年来随着稀土价格的不断上涨，减小永磁体的用量成为双边型电机设计考虑的首要因素。在众多电机方案中，直线同步磁阻电机不采用永磁体，利用交、直轴的磁阻差异来产生磁阻力推动次级运行，具有结构简单，易于控制，温度适应性好，成本低等优点，因而备受关注。但直线同步磁阻电机是单激励源电机，存在的推力密度和功率因数偏低的问题，不能充分发挥双边型直线电机的优势，成为其应用范围的拓展的瓶颈。

发明内容

本发明为解决现有的双边型直线电机在设计过程中面临的推力密度提升与永磁体成本控制之间的矛盾，提出了一种高推力密度的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机，以期在减少永磁体用量的基础上，令电机仍具备较高的推力密度和功率因数，以实现双边型电机制造成本的有效控制。

本发明为达到上述发明目的采用如下技术方案：

本发明一种高推力密度的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机，包括初级绕组、初级铁心、次级铁心及辅助永磁体，其特点在于：

设置所述次级铁心为平板形结构，且采用高导磁材料，沿所述次级铁心的中心线开设有若干个镜像对称分布的多层矩形槽，相邻两个多层矩形槽的距离为一个极距；且多层矩形槽中每层矩形槽的宽度相同；

所述辅助永磁体沿铁心中心线呈镜像对称分布在多层矩形槽中的一层或若干层矩形槽内，所述辅助永磁体所在的各个矩形槽之间为连通结构，与所述辅助永磁体所在的矩形槽相邻的空矩形槽也为连通结构；

令所述辅助永磁体的充磁方向垂直于电机运动方向，同一个多层矩形槽内的辅助永磁体的充磁方向相同；相邻两个多层矩形槽内的辅助永磁体的N极和S极交替分布，令处于镜像对称位置的双边初级绕组中的电流方向相同，以形成串联磁路结构；

在串联磁路结构下，所述辅助永磁体的充磁方向长度等于所在矩形槽的高度，所述辅助永磁体的宽度小于所在矩形槽的宽度，使得多层矩形槽内在所在矩形槽的两端形成有空隙，并与所述辅助永磁体所在的矩形槽相邻的空矩形槽共同构成隔磁桥；

令所述辅助永磁体的充磁方向平行于电机运动方向，同一个多层矩形槽内的辅助永磁体的充磁方向相同；相邻两个多层矩形槽内的辅助永磁体的N极和S极交替分布，令处于镜像对称位置的双边初级绕组中的电流方向相反，以形成并联磁路结构；

在并联磁路结构下，所述辅助永磁体的充磁方向长度等于所在矩形槽的宽度，所述辅助永磁体的宽度等于所在矩形槽的高度，所述辅助永磁体所在的矩形槽相邻的空矩形槽作为隔磁桥。

本发明所述的高推力密度的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机的特点也在于，所述矩形槽的宽度d1、辅助永磁体的宽度d2、电机极距τ之间满足关系式：τ/2≤d2≤d1＜τ。

在一个极距内，矩形槽的槽数N与内置的辅助永磁体的个数M满足关系式：M+2≤N，其中M为自然数。

所述辅助永磁体通过两侧的铁心肋条固定在所述次级铁心上，且所述铁心肋条关于中心线对称分布，单侧的铁心肋条的宽度d3≤τ/4。

若多层矩形槽间隔两个极距放置辅助永磁体，则所有辅助永磁体的充磁方向相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明次级铁心开设有镜像对称分布的多层矩形槽，增大了交、直轴磁路之间差异，可以形成更大的磁阻推力，增大了电磁推力中的磁阻推力分量，补偿了因永磁体减少而损失的永磁推力分量，令电机保持较高的推力密度。另外，在次级作为动子的双边直线电机中，次级铁心开槽可以减小动子重量，提高了电机的动态性能。

2、本发明次级中引入了辅助永磁体，电机具有双侧激励源，减小了激磁电流分量，可以提高电机的功率因数。多层矩形槽的宽度相同，具有规整性，便于批量和自动化生产，且不会额外增加较多的电机制造成本。

3、本发明多层矩形槽以及辅助永磁体具有多种组合形态，可根据系统力能和成本指标来选择合理的方案，设计灵活性强，是双边型直线电机中具有突出优势的结构方案。

附图说明

图1为本发明N＝3，M＝1的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机结构示意图；

图2为本发明M为奇数(大于1)的永磁体的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机；

图3a为本发明串联磁路的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机；

图3b为本发明并联磁路的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机；

图4为本发明M为偶数的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机；

图5为本发明连续极的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机；

图6为本发明不等矩形槽高的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机；

图7为本发明长次级短初级的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机；

图8为本发明双边型永磁辅助直线同步磁阻电机次级和初级的组合方式二；

图中标号：1初级铁心；2初级绕组；3次级铁心；4辅助永磁体；5多层矩形槽；6铁心肋条；7中心线；8运动方向；9空隙；10电流方向；11串联磁路结构；12并联磁路结构。

具体实施方式

本实施例中，结合图1和图2，一种高推力密度的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机为平板形结构，包括初级绕组2、初级铁心1、次级铁心3及辅助永磁体4。当矩形槽数N＝3，辅助永磁体4个数M＝1时，沿次级铁心3的中心线7开设有若干个镜像对称分布的多层矩形槽5，相邻两个多层矩形槽5的距离为一个极距；且多层矩形槽5中每层矩形槽的宽度相同，高度相同。具体实施中，矩形槽的宽度d1、辅助永磁体4的宽度d2、电机极距τ之间满足关系式：τ/2≤d2≤d1＜τ。辅助永磁体4嵌放在矩形槽内，通过两侧的铁心肋条6固定在次级铁心3上，且铁心肋条6关于中心线7对称分布，单侧的宽度d3≤τ/4。

结合图3a和图3b来阐述本发明的基本工作原理：双边型永磁直线同步磁阻电机的次级与初级之间可以形成两种推力分量：永磁推力和磁阻推力。其中永磁推力分量是辅助永磁体4与初级绕组2电流形成的电枢磁场相互作用形成。磁阻推力是由于铁心矩形槽的开设令电机的q轴磁路为高导磁的铁心，而d轴磁路中辅助永磁体4和空气的磁导率相对较小，d轴和q轴产生磁阻差异，磁力线流动遵循磁阻最小原理，产生磁阻推力。在减小辅助永磁体4用量的前提下，增加的磁阻推力分量补偿了永磁推力的损失，令电机维持较高的推力密度。

在不同的磁路结构中，双边型直线同步磁阻电机的辅助永磁体4充磁方向不同。在图3a中，令辅助永磁体4的充磁方向垂直于电机运动方向8，处于镜像对称位置的双边初级绕组2中的电流方向10相同，以形成串联磁路结构11；在一个极距范围内，辅助永磁体4的充磁方向长度等于所在矩形槽的高度，辅助永磁体4的宽度小于所在矩形槽的宽度，使得多层矩形槽5内在所在矩形槽的两端形成有空隙9，并与辅助永磁体4所在的矩形槽相邻的空矩形槽共同构成隔磁桥，以减小辅助永磁体4的漏磁场。

在图3b中，令辅助永磁体4的充磁方向平行于电机运动方向8，处于镜像对称位置的双边初级绕组2中的电流方向10相反，以形成并联磁路结构12，在一个极距范围内，辅助永磁体4的充磁方向长度等于所在矩形槽的宽度，辅助永磁体4的宽度等于所在矩形槽的高度，辅助永磁体4所在的矩形槽相邻的空矩形槽作为隔磁桥，以减小辅助永磁体4的漏磁场。

结合图4，辅助永磁体4的个数M为偶数，为保证双边结构的磁路对称性，若矩形槽的数目为奇数，则铁心的中间矩形槽不填充辅助永磁体4。

结合图5，多层矩形槽5间隔两个极距来放置辅助永磁体4，即相邻极距的对应位置为铁心，不开槽。相邻两个极距的磁路状态不一致，所有辅助永磁体4的充磁方向相同。由于辅助永磁体4产生的磁力线通过相邻的极距区域，将对应位置的铁心磁化，也可形成磁极。该实施方式可以进一步减小辅助永磁体4的用量。

结合图6，多层矩形槽5的宽度相同，高度不同，形成不等矩形槽高的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机。距离辅助永磁体4较近的矩形槽高度较小，较远的矩形槽高度较大，增强辅助永磁体4的聚磁能力，改变交、直轴的磁路状态，可通过该实施方式匹配永磁推力和磁阻分量的比重，增强电机设计的灵活性。

结合图7，电机为短初级长次级结构，此时短初级作为动子来运动。

结合图8，次级铁心3分成两组，位于电机两侧，而初级绕组2和初级铁心1位于中间。永磁体和矩形槽的分布关于铁心中心线7呈镜像对称分布。

Claims (4)

1.一种高推力密度的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机，包括初级绕组(2)、初级铁心(1)、次级铁心(3)及辅助永磁体(4)，其特征在于：

设置所述次级铁心(3)为平板形结构，且采用高导磁材料，沿所述次级铁心(3)的中心线(7)开设有若干个镜像对称分布的多层矩形槽(5)，相邻两个多层矩形槽(5)的距离为一个极距，且多层矩形槽(5)中每层矩形槽的宽度相同；

所述辅助永磁体(4)沿铁心中心线(7)呈镜像对称分布在多层矩形槽(5)中的一层或若干层矩形槽内，所述辅助永磁体(4)所在的各个矩形槽之间为连通结构，与所述辅助永磁体(4)所在的矩形槽相邻的空矩形槽也为连通结构；

所述矩形槽的宽度d1、辅助永磁体(4)的宽度d2、电机极距τ之间满足关系式：τ/2≤d2≤d1＜τ；

当所述辅助永磁体(4)的充磁方向垂直于电机运动方向(8)时，同一个多层矩形槽(5)内的辅助永磁体(4)的充磁方向相同；相邻两个多层矩形槽(5)内的辅助永磁体(4)的N极和S极交替分布，令处于镜像对称位置的双边初级绕组(2)中的电流方向(10)相同，以形成串联磁路结构(11)；

在串联磁路结构(11)下，所述辅助永磁体(4)的充磁方向长度等于所在矩形槽的高度，所述辅助永磁体(4)的宽度小于所在矩形槽的宽度，使得多层矩形槽(5)内在所在矩形槽的两端形成有空隙(9)，并与所述辅助永磁体(4)所在的矩形槽相邻的空矩形槽共同构成隔磁桥；

当所述辅助永磁体(4)的充磁方向平行于电机运动方向(8)时，同一个多层矩形槽(5)内的辅助永磁体(4)的充磁方向相同；相邻两个多层矩形槽(5)内的辅助永磁体(4)的N极和S极交替分布，令处于镜像对称位置的双边初级绕组(2)中的电流方向(10)相反，以形成并联磁路结构(12)；

在并联磁路结构(12)下，所述辅助永磁体(4)的充磁方向长度等于所在矩形槽的宽度，所述辅助永磁体(4)的宽度等于所在矩形槽的高度，所述辅助永磁体(4)所在的矩形槽相邻的空矩形槽作为隔磁桥。

2.根据权利要求1所述的高推力密度的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机，其特征在于：在一个极距内，矩形槽的槽数N与内置的辅助永磁体(4)的个数M满足关系式：M+2≤N，其中M为自然数。

3.根据权利要求1所述的高推力密度的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机，其特征在于：所述辅助永磁体(4)通过两侧的铁心肋条(6)固定在所述次级铁心(3)上，且所述铁心肋条(6)关于中心线(7)对称分布，单侧的铁心肋条(6)的宽度d3≤τ/4。

4.根据权利要求1所述的高推力密度的双边型永磁辅助直线同步磁阻电机，其特征在于：若多层矩形槽(5)间隔两个极距放置辅助永磁体(4)，则所有辅助永磁体(4)的充磁方向相同。

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