CN113300566B - 模块化横向磁通永磁同步直线电机 - Google Patents
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Abstract
模块化横向磁通永磁同步直线电机，属于永磁电机领域，本发明为解决现有横向磁通永磁同步直线电机永磁体利用率低、永磁体和电枢漏磁大、功率因数低的问题。本发明包括初级和次级，初级设置于次级外部；初级包括初级电枢，初级电枢为m相，各相沿轴向均匀分布且依次间隔2iτ±2τ/m，i＝0,1,2,…；每相包括k个电枢单元，且k个电枢单元沿圆周方向均布；k个电枢单元中绕组通过串联或者并联构成一相绕组；每个电枢单元由h个沿轴向方向均匀分布的U型电枢模块构成，相邻U型电枢模块的绕组反向串联，且每相中相邻U型电枢模块中心的轴向距离为τ。
Description
技术领域
本发明涉及永磁直线电机，具体涉及一种横向磁通永磁同步直线电机。
背景技术
直线电机不需要曲轴连杆等中间传动机构，直接形成直线运动，具有结构简单、精度高、传动效率高等优点，在直线运动领域受到越来越多的关注。其中，横向磁通永磁同步直线电机在磁路结构上与传统永磁同步直线电机不同，其电枢绕组平面与电机运动平面互相垂直，实现了电负荷与磁负荷的解耦，可以在一定范围内通过提高磁能变化率来提高电机推力密度。
传统的横向磁通永磁同步直线电机的主要问题是电机的功率因数低，这会导致电机的驱动电流、控制器容量、损耗等增加，从而限制了该类电机在实际中的应用。一方面，传统横向磁通直线电机的永磁体利用率很低，理想情况下最多为50％，同时永磁体间的漏磁问题非常严重。另一方面，传统的横向磁通直线电机一般每相采用一个集中电枢绕组，将所有的铁心单元环绕其中，这种电枢绕组结构虽然简单，但实际工作有效边很短，导致电枢绕组的漏磁严重。因此，如何提升向磁通永磁同步直线电机的永磁体利用率、降低该电机永磁体和电枢漏磁对提升横向磁通永磁同步直线电机的功率因数至关重要。
发明内容
本发明为了解决现有横向磁通永磁同步直线电机永磁体利用率低、永磁体和电枢漏磁大、功率因数低的问题，提出了一种模块化横向磁通永磁同步直线电机。
本发明所述模块化横向磁通永磁同步直线电机，包括初级和次级，初级设置于次级外部；初级包括初级电枢1，初级电枢1为m相，各相沿轴向均匀分布且依次间隔2iτ±2τ/m，i＝0,1,2,…；每相包括k个电枢单元2，且k个电枢单元2沿圆周方向均布；k个电枢单元2中绕组通过串联或者并联构成一相绕组；每个电枢单元2由h个沿轴向方向均匀分布的U型电枢模块3构成，相邻U型电枢模块3的绕组反向串联，且每相中相邻U型电枢模块3中心的轴向距离为τ，τ为永磁体轴向方向的极距。
优选地，U型电枢模块3包括一个U型铁心3-1和在2个U型铁心齿上绕制的绕组线圈，分别为第一绕组线圈3-2和第二绕组线圈3-3；第一绕组线圈3-2和第二绕组线圈3-3满足如下关系：如果第一绕组线圈3-2和第二绕组线圈3-3在U型铁心齿上绕制方向相同，则二者反向串联；如果第一绕组线圈3-2和第二绕组线圈3-3在U型铁心齿上绕制方向相反，则二者正向串联。
优选地，U型铁心3-1还设置有聚磁极靴3-4，聚磁极靴为沿四周方向延伸的凸台结构，且延伸距离不超过同一极下永磁体所对应的区域。
优选地，次级包括次级永磁体4和次级铁心5；次级永磁体4为固定在次级铁心5外圆表面的永磁体阵列，次级永磁体4沿圆周方向平均分为2k个区域，与初级中的U型电枢模块3分别一一对应；每相永磁体包括k个永磁体组4-1，每个永磁体组4-1由j个大小相同的N极和j个S极永磁体沿轴向并列排布构成，j>m×h，且所有相邻永磁体充磁方向相反，同一相中相邻的永磁体组4-1排布相同或者反向对称。
优选地，次级永磁体4的充磁方向为径向充磁或平行充磁。
优选地，次级永磁体4为表贴式。
优选地，处于同一圆周面的k个U型电枢模块3相互独立，相邻两个U型电枢模块3之间设置有空隙。
优选地，处于同一圆周面的k个U型电枢模块3的轭部连接起来，形成一体的初级铁心模块。
优选地，所述电机为初级动子，次级定子结构。
优选地，所述电机为初级定子，次级动子结构。
本发明的有益效果：
(1)本发明电机中每个永磁体都与U型铁心对应，因此本发明电机中的永磁体利用率明显高于传统横向磁通电机，理想情况下，本发明横向磁通电机的永磁体利用率为100％，从而可大幅提升横向磁通电机功率因数。
(2)本发明电机中的每相绕组是由多个独立绕组线圈串联或并联形成，且每个独立绕组线圈都是绕制在U型铁心上，因此，绕组漏磁较传统横向磁通电机大幅降低，从而提升显著横向磁通电机的功率因数。
(3)初级U型铁心的聚磁极靴为沿四周方向延伸的凸台结构，可以将极靴覆盖下的永磁体磁通，都聚集到铁心齿部，大幅提高了永磁体利用率。同时，环绕在U型铁心的绕组线圈，在机电能量转换过程中均为有效边，与传统横向直线电机相比有效减小了电枢漏磁，提高了电枢绕组的利用率。
(4)初级U型铁心可以在不影响电机性能的情况下，有效降低电机的质量，有助于提高电机功重比。
(5)本发明所述的横向磁通圆筒型永磁直线同步电机采用模块化设计，各相之间相互独立，降低了相间电磁耦合，一相绕组发生故障不会干扰其他相，提高了电机的容错能力，电机各相之间没有互感，可以提高电机的控制精度；
(6)本发明所述电机提高了电枢绕组和永磁体的利用率，有效降低了电枢漏磁和永磁体漏磁，从而大幅提高了电机功率因数，解决了横向直线电机功率因数低的固有难题。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的模块化横向磁通永磁同步直线电机结构示意图；
图2是具体实施方式一的次级磁极展开图；
图3是具体实施方式一在t时刻的A-A剖面磁通路径图；
图4是具体实施方式一在t时刻的B-B剖面磁通路径图；
图5是具体实施方式一在t+τ/v时刻的A-A剖面磁通路径图；
图6是具体实施方式一在t+τ/v时刻的B-B剖面磁通路径图；
图7是具体实施方式二所述的模块化横向磁通永磁同步直线电机结构示意图；
图8是具体实施方式二的次级磁极展开图；
图9是图7的C-C剖面图；
图10是具体实施方式三所述的模块化横向磁通永磁同步直线电机结构示意图；
图11是图10的D-D剖面图；
图12是具体实施方式四所述的模块化横向磁通永磁同步直线电机结构示意图；
图13是图12的E-E剖面图。
具体实施方式
下面结合图1～图13对本发明作进一步说明。
具体实施方式一：下面结合图1～6说明本实施方式。
图1为本实施方式中的模块化横向磁通永磁同步直线电机的结构示意图。
本发明本实施方式一提供了一种模块化横向磁通永磁同步直线电机，包括初级电枢1，次级永磁体4和次级铁心5。
初级电枢1为m相，各相沿轴向均匀分布且依次间隔2iτ±2τ/m；每相包括k个电枢单元2，且k个电枢单元2沿圆周方向均布；k个电枢单元2中绕组可以通过串联或者并联构成一相绕组；每个电枢单元2由h个沿轴向方向均匀分布的U型电枢模块3构成，相邻U型电枢模块3的绕组反向串联，且相邻U型电枢模块3中心的轴向距离为τ，τ为永磁体轴向方向的极距。
U型电枢模块3包括一个U型铁心3-1和在2个U型铁心齿上绕制的绕组线圈，分别为第一绕组线圈3-2和第二绕组线圈3-3；第一绕组线圈3-2和第二绕组线圈3-3满足如下关系：如果第一绕组线圈3-2和第二绕组线圈3-3在U型铁心齿上绕制方向相同，则二者反向串联；如果第一绕组线圈3-2和第二绕组线圈3-3在U型铁心齿上绕制方向相反，则二者正向串联。
为了增加U型电枢模块3的聚磁效果，在每个U型铁心3-1上都设置有聚磁极靴3-4，聚磁极靴为沿四周方向延伸的凸台结构，且延伸距离不超过同一极下永磁体所对应的区域。
所述模块化横向磁通永磁同步直线电机的次级，次级包括次级永磁体4和次级铁心5；次级永磁体4为固定在次级铁心5外圆表面的永磁体阵列，次级永磁体4沿圆周方向平均分为2k个区域，与初级中的U型电枢模块3分别一一对应；每相永磁体包括k个永磁体组4-1，每个永磁体组4-1由j个大小相同的N极和j个S极永磁体沿轴向并列排布构成，j>m×h，且所有相邻永磁体充磁方向相反，同一相中相邻的永磁体组4-1排布相同。
其中，τ为永磁体轴向方向的极距且为正实数，m，k，h为正整数。
下面以图3、图4、图5和图6为例来说明本发明电机的工作原理，本实施例中m＝3，k＝6，h＝4，j＝14；初级包括3个沿轴向并列排布的相结构，分别为A相、B相、C相，A相结构沿周向均布k＝6个电枢单元2，每个电枢单元2包括h＝4个U型电枢模块3，相邻U型电枢模块3的绕组反向串联(比如A1-1、A1-2两个相邻)，且相邻U型电枢模块3中心的轴向距离为τ。A相第一个电枢单元A1-1、A1-2、A1-3、A1-4、A1-5、A1-6，A相第二个电枢单元A2-1、A2-2、A2-3、A2-4、A2-5、A2-6，以此类推，其它的电枢单元结构可获知。
在t时刻，一相中每个U型电枢模块3和与其对应的永磁体排布如图3和图4所示。从图中可以看出，此时所有的永磁体都在U型电枢模块绕组中铰链了磁通，也就是说所有永磁体都在独立线圈中产生了磁链。在t+τ/v时刻，一相中每个U型电枢模块3和与其对应的永磁体排布如图5和图6所示。从图中可以看出，此时所有的永磁体都在U型电枢模块绕组中也铰链了磁通，且磁通方向与图3和图4中的磁通方向正好相反。综述所述，在直线电机运动过程中，每个独立线圈中都有变化的磁链，也就产生变化的反电动势。由于各相绕组间沿轴向相差360°/m电角度，从而电机产生了多相反电动势；对应的通入一定的电流，就会产生推力。
此外，当本发明所述电机以m相电机为例时，各相的相位θ1、θ2、θ3……之间互差360°/m电角度，每相定位力可以分解为傅里叶级数形式如下：
m相合成后的总定位力FcogT可表示为：
式中FA、FB、FC、FC——A、B、C、…m相的定位力；
Fm、F2m、F3m——m次、2m次和3m次的谐波幅值；
τ——电机的极距。
本发明所述示例的三相横向磁通直线电机的总定位力只有m的倍数次谐波分量，各相定位力的基波分量和其他次谐波分量均相互抵消，电机的总定位力得到大幅降低。当采用更多相结构时，将更大程度减少本发明电机的定位力。
本发明所述电机既可以采用动初级结构，也可采用动次级结构。可以根据需要，将模块化电机单元扩充为任意相电机，所述横向电机相数越多，各相定位力相互抵消的就越多，电机的推力波动也会得到改善。本发明所述电机具有永磁体利用率高，容错能力强，推力密度高，功率因数高，动态响应快等优点，可以应用于伺服系统，舰船电磁弹射，抽油机、电梯、以及自由活塞发电系统等直线运动场合，具有广阔的应用前景。
具体实施方式二：结合图7～9说明本实施方式。
图7和图9为本实施方式中的模块化横向磁通永磁同步直线电机的结构示意图和电机剖面图。
图8为本实施方式中的模块化横向磁通永磁同步直线电机的次级永磁体平面展开图。
与本实施方式一不同之处仅在于：
同一相中相邻的永磁体组4-1排布相同或者反向对称。
本实施方式的优点是减小永磁体周向漏磁，提高永磁体利用率，进而提高电机功率因数。
具体实施方式三：结合图10和图11说明本实施方式。
图10和图11为本实施方式中的模块化横向磁通永磁同步直线电机的结构示意图和电机剖面图。
与本实施方式一不同之处仅在于：出于机械强度，加工和安装工艺的考虑，将相互独立的U型电枢模块3的轭部连接起来，形成一体的初级铁心模块。
本实施方式的优点是在电机性能基本不变的情况下，减小初级电枢模块的个数，提高电机的机械强度。
具体实施方式四：下面结合图12和图13说明本实施方式。
图12和图13为本实施方式中的横向磁通圆筒型永磁直线同步电机的结构示意图和电机剖面图。
与实施方式二不同之处仅在于：出于机械强度，加工和安装工艺的考虑，将相互独立的U型电枢模块3的轭部连接起来，形成一体的初级铁心模块。
本实施方式的优点是在电机性能基本不变的情况下，减小初级电枢模块的个数，提高电机的机械强度。
以上所述仅为本发明的几个实施案例，并不用以限制本发明，凡是在发明的基础上所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.模块化横向磁通永磁同步直线电机，其特征在于，包括初级和次级，初级设置于次级外部；初级包括初级电枢(1)，初级电枢(1)为m相，各相沿轴向均匀分布且依次间隔2iτ±2τ/m，i＝0,1,2,…；每相包括k个电枢单元(2)，且k个电枢单元(2)沿圆周方向均布；k个电枢单元(2)中绕组通过串联或者并联构成一相绕组；每个电枢单元(2)由h个沿轴向方向均匀分布的U型电枢模块(3)构成，相邻U型电枢模块(3)的绕组反向串联，且每相中相邻U型电枢模块(3)中心的轴向距离为τ，τ为永磁体轴向方向的极距；次级的永磁体都与U型电枢模块(3)对应，所有的永磁体都在U型电枢模块(3)上的绕组中铰链了磁通，进而所有永磁体都在独立线圈中产生磁链；
次级包括次级永磁体(4)和次级铁心(5)；次级永磁体(4)为固定在次级铁心(5)外圆表面的永磁体阵列，次级永磁体(4)沿圆周方向平均分为2k个区域，与初级中的U型电枢模块(3)分别一一对应；每相永磁体包括k个永磁体组(4-1)，每个永磁体组(4-1)由j个大小相同的N极和j个S极永磁体沿轴向并列排布构成，j>m×h，且所有相邻永磁体充磁方向相反，同一相中相邻的永磁体组(4-1)排布相同或者反向对称。
2.根据权利要求1所述模块化横向磁通永磁同步直线电机，其特征在于，U型电枢模块(3)包括一个U型铁心(3-1)和在2个U型铁心齿上绕制的绕组线圈，分别为第一绕组线圈(3-2)和第二绕组线圈(3-3)；第一绕组线圈(3-2)和第二绕组线圈(3-3)满足如下关系：如果第一绕组线圈(3-2)和第二绕组线圈(3-3)在U型铁心齿上绕制方向相同，则二者反向串联；如果第一绕组线圈(3-2)和第二绕组线圈(3-3)在U型铁心齿上绕制方向相反，则二者正向串联。
3.根据权利要求2所述模块化横向磁通永磁同步直线电机，其特征在于，U型铁心(3-1)还设置有聚磁极靴(3-4)，聚磁极靴为沿四周方向延伸的凸台结构，且延伸距离不超过同一极下永磁体所对应的区域。
4.根据权利要求1所述模块化横向磁通永磁同步直线电机，其特征在于，次级永磁体(4)的充磁方向为径向充磁或平行充磁。
5.根据权利要求1所述模块化横向磁通永磁同步直线电机，其特征在于，次级永磁体(4)为表贴式。
6.根据权利要求1所述模块化横向磁通永磁同步直线电机，其特征在于，处于同一圆周面的k个U型电枢模块(3)相互独立，相邻两个U型电枢模块(3)之间设置有空隙。
7.根据权利要求1所述模块化横向磁通永磁同步直线电机，其特征在于，处于同一圆周面的k个U型电枢模块(3)的轭部连接起来，形成一体的初级铁心模块。
8.根据权利要求1所述模块化横向磁通永磁同步直线电机，其特征在于，所述电机为初级动子，次级定子结构。
9.根据权利要求1所述模块化横向磁通永磁同步直线电机，其特征在于，所述电机为初级定子，次级动子结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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