CN113765259A - 一种永磁电动悬浮式直线驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁电动悬浮式直线驱动装置，包括动子和定子,所述永磁直线驱动装置的动子采用三层特殊永磁体结构，通过两侧永磁体结构磁场产生闭环，提高了磁场内部的磁通密度，通过设于中间的横向充磁的永磁体将磁力线收束，增大了磁通密度沿横向的梯度，取得了较高的悬浮和导向刚度；所述永磁直线驱动装置的定子位于外侧和内侧的动子永磁体之间，所述定子含有按照一定的接线方式连接的悬浮导向线圈，可实现悬浮和导向功能；同时，输入Q轴电流可实现推进功能。通过将悬浮导向和推进功能集成于定子内的悬浮导向线圈上，免去了额外设置推进绕组所带来的物料成本。

Description

一种永磁电动悬浮式直线驱动装置

技术领域

本发明属于电磁悬浮领域，更具体地，涉及一种永磁电动悬浮式直线驱动装置。

背景技术

自二十世纪初Hermann Kemper提出磁悬浮列车的概念以来，全球范围内出现了各种磁悬浮列车技术，最具代表性的两类是德国研发的TRANSRAPID系列电磁悬浮列车和日本研发的MAGLEV系列超导电动悬浮列车。其中，MAGLEV列车通过车载超导线圈绕制成的磁体以一定速度经过轨道上铺设的长定子悬浮导向线圈时产生的D轴电流和斥力实现电动悬浮、导向功能，无需主动控制。除轨道交通领域外，磁悬浮直线驱动技术也应用在半导体加工设备、医疗器械用平面驱动装置等场合，以满足无接触和精确定位的要求。

MAGLEV系列超导电动悬浮列车采用超导线材绕制成的磁体作为磁浮系统中的磁场源。虽然该方案成功应用于高速轨道交通领域，但仍存在不少问题。首先，采用超导磁体无疑增加了研发成本。超导线材的价格昂贵，且在运行的过程中需要采用诸如单级管脉冲制冷机等设备将其冷却至-270～-243℃的低温方可保证其正常工作，在增加成本的同时也增加了驱动系统所占用的空间。其次，超导磁体产生的磁场无论在车辆内部、外部均呈发散分布，在实际运行时在车辆内部需对磁场进行屏蔽以免对车辆运行产生干扰，无疑增加了系统造价。

为解决上述关于成本和磁场屏蔽的问题，部分专利中采用HALBACH永磁体阵列替代超导磁体作为磁场源以实现悬浮导向功能。申请公布号为CN106143205A、CN109383303A、CN111942165A的三项专利便属于此类型的电动悬浮导向装置。上述三项专利采用永磁体代替MAGLEV列车直线电机中的超导磁体，降低系统成本，且将永磁体组成HALBACH阵列，避免磁场通过列车内部形成闭环，但仍存在以下不足：(1)单侧HALBACH永磁磁极在列车外侧形成磁场的磁通密度相比高安匝数的超导磁体形成磁场的磁通密度而言较低，致使系统悬浮、导向的刚度较低；(2)除实现悬浮、导向的线圈之外，至少另需一套三相绕组以实现推进功能。

发明内容

针对现有技术的磁通率低且需增设推进系统提高了生产成本的问题，本发明通过采用三层特殊永磁体结构用来提高动子内部磁通密度并增大磁通密度沿横向的梯度，取得了较高的悬浮和导向刚度，通过将设于定子内的悬浮导向线圈通过一定的接线方式形成三相绕组，输入Q轴电流实现推进功能，无需再增设推进系统。

本发明提供一种永磁电动悬浮式直线驱动装置，包括：动子，其由永磁体阵列构成，包括沿纵向平行布设的第一动子、第二动子和第三动子；所述第一动子与第三动子结构相同且对称设于第二动子两侧，两者的永磁体阵列产生闭环磁场；所述第二动子上永磁体阵列沿横向充磁，其将闭环磁场内的磁力线进行收束，增大磁通密度沿横向的梯度；定子，其由多个悬浮导向线圈构成，包括沿纵向平行布设第一定子和第二定子；所述第一定子和第二定子分别耦合于第一动子、第二动子和第三动子间隔形成的凹槽内，所述第一定子和第二定子与凹槽的槽面之间留有气隙；所述第一定子和第二定子上对应的悬浮导向线圈通过导线连接电气节点形成悬浮导向回路，使动子悬浮并对其产生横向偏移时进行导向回使其复至中线位置；所述第一定子和第二定子上相邻的n个悬浮导向线圈构成一组线圈单元组，其中n为整数且大于或等于1，通过各相邻所述线圈单元组之间对应序号的悬浮导向线圈串联形成绕组，并通过导线与n相电源连接，通过输入Q轴电流，产生作用于动子的推力，推动动子沿纵向进行位移。。

进一步地，所述第二动子的永磁体阵列中单块永磁体与第一动子及第三动子上对应的充磁方向相同的单块永磁体中心轴线重合，且其纵向长度小于第一动子及第三动子上单块永磁体的纵向长度。

进一步地，所述悬浮导向线圈为“8”字形结构，包括线圈上半环、线圈下半环、第一连接导线及第二连接导线，线圈上半环与线圈下半环对称设置，两者通过第一连接导线及第二连接导线进行首尾连接形成悬浮回路。

进一步地，所述第一连接导线上并联设有第一引出导线，所述第二连接导线上并联设有第二引出导线,通过第一引出导线及第二引出导线的连接，所述第一定子和第二定子上对应的悬浮导向线圈之间形成悬浮导向回路。

进一步地，所述定子上相邻的三个悬浮导向线圈分为一组线圈单元组，其中三个悬浮导向线圈依次标识为悬浮导向线圈5A、悬浮导向线圈5B和悬浮导向线圈5C，相邻的线圈单元组中对应的悬浮导向线圈5A、悬浮导向线圈5B及悬浮导向线圈5C分别通过第一引出导线及第二引出导线依次串联，形成包含A相、B相、C相的三相绕组。

进一步地，所述A相绕组通过A向绕组电流输入线与三相电源的A相输出端连接，B相通过B向绕组电流输入线与三相电源B相输出端连接，所述C相绕组通过C向绕组电流输入线与三相电源C相输出端连接。

优先地，所述第一动子和第二动子的永磁体阵列中的永磁体沿横向充磁，相邻的永磁体充磁方向相反。

优先地，所述第一动子和第二动子采用永久磁体阵列的磁极的排列方式是HALBACH阵列永磁体。

优先地，所述第二动子两侧为利于将磁力线收束集中的形状，包括锥形。

优选地，所述第二动子为高磁导率材料制成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明的永磁电动悬浮式直线驱动装置通过采用动子三层特殊永磁体结构，首先使外层两侧永磁体的磁场形成闭环，提高了位于两者内部的悬浮导向线圈的磁通密度进而提高了驱动装置性能，并且通过内层的沿动子运动方向磁极长度小于外层的永磁体或高磁导率材料，提高了动子内部磁场沿横向的梯度，进而取得了较高的悬浮和导向刚度。

2.本发明的永磁电动悬浮式直线驱动装置按照一定方式连接悬浮导向线圈使之形成三相绕组，输入Q轴电流即可产生推进力，将悬浮导向和推进功能集成于一套定子线圈，免去了额外的、独立于悬浮导向线圈的三相绕组所带来的物料成本。

3.本发明一种永磁电动悬浮式直线驱动装置，可为高速磁悬浮列车运行提供牵引力、悬浮力和横向导向力，实现了集牵引、悬浮和侧向导向功能一体化；使磁悬浮列车的磁浮结构更加简单，减小了列车的重量，降低了设备安装的困难度，提高列车运行的可靠性；避免了端部效应的产生，提高了电机的牵引力和效率，降低了牵引力波动，提高了列车运行质量和运行效率。

4.本发明的永磁电动悬浮式直线驱动装置为无铁芯结构，具有结构紧凑、质量相对较轻的特点，可方便地应用于包括磁悬浮轨道交通、半导体加工设备、医疗设备平面驱动装置等场合。

附图说明

图1为本发明实施例一种永磁电动悬浮式直线驱动装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一种永磁电动悬浮式直线驱动装置的水平截面示意图；

图3为本发明实施例装置中动子外侧永磁体本身为交替磁极的示意图；

图4为本发明实施例装置中动子外侧永磁体本身为交替磁极的磁场分布示意图；

图5为本发明实施例装置中动子外侧永磁体为90°HALBACH阵列的示意图；

图6为本发明实施例装置中动子外侧永磁体为90°HALBACH阵列的磁场分布示意图；

图7为本发明实施例装置中定子中“8”字型悬浮导向线圈结构示意图；

图8为本发明实施例装置中悬浮导向线圈实现悬浮功能的原理示意图；

图9为本发明实施例装置中悬浮导向回路实现导向功能的原理示意图；

图10为本发明实施例装置中一侧定子中悬浮导向线圈入Q轴电流时电流的流向示意图；

图11为本发明实施例装置中悬浮导向线圈组成三相绕组的结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-车体、2-轨道、3-动子紧固件31-第一动子紧固件、32-第二动子紧固件、33第三动子紧固件、4-动子、41-第一动子、42-第二动子、43-第三动子、5-定子、51-第一定子、52-第二定子、501-线圈上半环、502-线圈下半环、503-第一连接导线、504-第二连接导线、505-第一引出导线、506-第二引出导线、507-线圈上侧竖直边、508-线圈下侧竖直边、509-A相绕组电流输入线509、510-B相绕组电流输入线、511-C相绕组电流输入线。

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。

参照图1-11，本发明提供一种永磁电动悬浮式直线驱动装置,包括动子4和定子5,所述永磁直线驱动装置的动子4采用三层特殊永磁体结构用来提高动子4内部磁通密度并增大磁通密度沿横向的梯度，取得了较高的悬浮和导向刚度；所述永磁直线驱动装置的定子5位于外侧和内侧的动子永磁体之间，所述定子5通过将设于其内的悬浮导向线圈通过一定的接线方式形成三相绕组，输入Q轴电流实现推进功能；通过将悬浮导向和推进功能集成于定子5内的悬浮导向线圈上，免去了额外独立于悬浮导向线圈的三相绕组所带来的物料成本。

如图1-2所示，本发明装置适用于轨道交通领域的实施例，包括车体1、轨道2、设于所述车体1底部的动子紧固件3、设于所述动子紧固件3内的动子4及设于所述轨道2上的定子5，其中，位于车体1底部的动子紧固件3依次间隔相等地设有三组，包括设于两侧的第一动子紧固件31和第三动子紧固件33，设于两者中间的第二动子紧固件32，所述动子4参照动子紧固件3同样设有三组，包括设于第一动子紧固件31内的第一动子41，设于第二动子紧固件32内的第二动子42，设于第三动子紧固件33内的第三动子43。所述定子5设有两组，包括第一定子51和第二定子52，两者分别耦合于第一动子紧固件31、第二动子紧固件32及第三动子紧固件33间隔形成的凹槽内，第一定子51及第二定子52分别与凹槽的槽面之间留有气隙，所述气隙在竖直方向形成的气隙面平行于动子4；在水平截面上，所述第一动子41、第一定子51、第二动子42、第二定子52及第三动子43依次间隔相同距离进行布设。所述第一动子41、第二动子41及第三动子43沿垂直于车体1运行方向充磁，其产生的磁场与第一定子51和第二定子52内设有的悬浮导向线圈交链，形成多气隙的直线电机结构。

如图3-4所示，所述第一动子41与第三动子43均为多个永磁体组成的阵列构成，两者结构相同且对称设置，两者的磁场产生闭环，提高了磁场内部的磁通密度。其中永磁体沿车体1行进方向极性交错地组成永磁体阵列，即相邻的永磁体充磁方向相反，具体排列方式可以是等间距平行排列方式↑↓↑↓......，所述的永磁体充磁方向与气隙平面垂直。所述第二动子42采用的永磁体阵列中，单块永磁体横向长度小于第一动子41与第三动子43上的单块永磁体横向长度，且三者的中心轴线重合，充磁方向一致。通过设有第二动子42，可使两侧第一动子41和第三动子43的永磁体阵列产生的磁场在中间位置进行收束，进而使动子第二42分别与第一动子41及动子第三43之间的横向磁场加强，即磁场沿永磁体充磁方向的梯度显著增加，当车体1的动子4切割定子5内的悬浮导向线圈时，悬浮导向线圈的磁链之差和电势之差显著增加，可提高水平导向刚度。

优选的，为提高第二动子42在磁场中导通磁力线的能力，可选用高磁导率材料制成第二动子42，进一步地，可将第二动子42两侧制成锥形或其它有利于将磁力线收束集中的形状，从而获得横向梯度较大的磁场。

如图5-6所示，在本发明的另一实施例中，所述第一动子41与第三动子43采用永久磁体阵列的磁极的排列方式是HALBACH阵列永磁体，即磁场沿车体1行进方向的充磁方向为→↓←↑→......，此时，第二动子42采用的永磁体阵列中，单块永磁体与HALBACH阵列中充磁方向垂直于气隙面的永磁体中心轴线重合，即平行位于图中充磁方向为↓或↑永磁体的中心处，第二动子42采用永磁体阵列中的单块永磁体与第一动子41与第三动子43中对应的永磁体充磁方向一致。由于Halbach磁环分解后的平行磁场与径向磁场的相互叠加使得一侧的磁场强度大幅度提升，其磁场主要分量的方向朝向所述定子5内的悬浮导向线圈，经动子2进行收束后，横向磁场梯度显著增加，进一步提高了水平导向刚度。

如图7所示，所述定子5包括多个沿导轨2并行布设的悬浮导向线圈，其中单个的悬浮导向线圈为“8”字形，悬浮导向线圈由线圈上半环501、线圈下半环502、第一连接导线503及第二连接导线504组成，线圈上半环501与线圈下半环502对称设置，两者通过第一连接导线503及第二连接导线504进行首尾连接形成悬浮回路。所述第一连接导线503上并联设有第一引出导线505，所述第二连接导线504上并联设有第二引出导线506,通过第一引出导线505及第二引出导线506的连接，悬浮导向线圈之间形成功能回路，可使车体1悬浮并对其进行驱动。

如图7所示，当所述动子4(为方便说明，只画出第二动子42)经过线圈时，切割悬浮导向线圈上的线圈上侧竖直边507和线圈下侧竖直边508使两者产生切割电势(图中

)。正常行驶时，由于列车车体1由于自重而下坠，使动子4与线圈下侧竖直边508交链的长度更大，故线圈下半环502的切割电势高于线圈上半环501的切割电势，产生如图7所示的电流(图8中→)与磁场(图8中→)，悬浮导向线圈的线圈上半环501产生与永磁体充磁方向同向的磁场，而线圈下半环502产生与永磁体充磁方向反向的磁场，故永磁体总体上受悬浮力(图8中

)，实现车体1的悬浮功能。

如图9所示，所述第一定子51与第二定子52对称设于第二动子42两侧，第一定子51与第二定子52内对应的悬浮导向线圈的通过第一引出导线505及第二引出导线506实现跨轨道连接并形成线圈组，即悬浮导向回路，通过所述悬浮导向回路，第一定子51与第二定子52内对应的悬浮导向线圈电势出现偏差时，电势高的一侧向电势低的一侧输送电流，如图9中所示车体1向左偏移时，第二动子42靠近左侧悬浮导向线圈，使左侧悬浮导向线圈磁通量增大，相应的右侧悬浮导向线圈磁通量减小，悬浮导向线圈切割动子4磁场后，左侧悬浮导向线圈产生的电势高于右侧悬浮导向线圈，其输出电流(图9中→)经第二引出导线506流向右侧线圈，经第一引出导线505流入左侧悬浮导向线圈形成回路，根据右手定则，电流流入右侧悬浮导向线圈其产生的磁场方向与第二动子42磁场方向相同，对第二动子42产生向右的吸力，电流流入左侧悬浮导向线圈其产生的磁场方向与第二动子42磁场方向相反，对第二动子42产生向右的斥力，即车体1向左偏移时，通过悬浮导向回路产生向右的推力，使车体1在轨道2中回复到中线位置。通过设有悬浮导向回路，在车体1产生偏移时，悬浮导向线圈切割磁场产生与偏移方向相反的推力使车体1回复到中线位置，而且偏离距离越大推力越大，达到自动水平导向的效果。

如图10-11所示，将定子5上相邻的三个悬浮导向线圈上分为一组线圈单元组，其中三个悬浮导向线圈依次标识为悬浮导向线圈5A、悬浮导向线圈5B和悬浮导向线圈5C，相邻的线圈单元组中的悬浮导向线圈5A、悬浮导向线圈5B及悬浮导向线圈5C分别通过第一引出导线505及第二引出导线506依次串联，形成三相绕组，通过接入三相激励电源，即相邻线圈单元组中悬浮导向线圈5A串联形成的绕组通过A相绕组电流输入线509与三相电源的A相输出端连接，相邻线圈单元组中悬浮导向线圈5B串联形成的绕组通过B相绕组电流输入线510与三相电源B相输出端连接，相邻线圈单元组中悬浮导向线圈5C串联形成的绕组通过C相绕组电流输入线511与三相电源C相输出端连接。通过定子51、定子52对称设置，两组对称的三相绕组与动子4中永磁体构成的磁场交链，组成4极三槽直线电机，输入Q轴电流，即可产生推进力推动车体1沿轨道2运行。

应当理解的是，图7仅是本发明中A、B、C三相的一种可能的排布与接线方式，根据电机行业的公共基础知识可知，在不同的槽极配合、Q轴电流大小需求以及直线电机尺寸要求的条件下，可以令A、B、C三相的相对位置、连接方式等有所改变。

在本发明实施例中，因悬浮和导向功能产生的电流本质上属于“8”字型悬浮导向线圈内部产生的D轴电流和线圈组内部的D轴电流，抵抗车载永磁体在自身产生磁链的变化，故两者与外部输入用于产生推力的Q轴电流之间在功能上互不干扰。

本发明实施例所述的一种永磁电动悬浮式直线驱动装置，可为高速磁悬浮列车运行提供牵引力、悬浮力和横向导向力，实现了集牵引、悬浮和侧向导向功能一体化；使磁悬浮列车的磁浮结构更加简单，减小了列车的重量，降低了设备安装的困难度，提高列车运行的可靠性；避免了端部效应的产生，提高了电机的牵引力和效率，降低了牵引力波动，提高了列车运行质量和运行效率。

本发明的永磁电动悬浮式直线驱动装置为无铁芯结构，具有结构紧凑、质量相对较轻的特点，可方便地应用于包括磁悬浮轨道交通、半导体加工设备、医疗设备平面驱动装置等场合。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种永磁电动悬浮式直线驱动装置，其特征在于，包括：

动子(4)，其由永磁体阵列构成，包括沿纵向平行布设的第一动子(41)、第二动子(42)和第三动子(43)；所述第一动子(41)与第三动子(43)结构相同且对称设于所述第二动子(42)两侧，两者的永磁体阵列产生闭环磁场；所述第二动子(42)上永磁体阵列沿横向充磁，其将所述闭环磁场内的磁力线进行收束，增大磁通密度沿横向的梯度；

定子(5)，其由多个悬浮导向线圈构成，包括沿纵向平行布设第一定子(51)和第二定子(52)；所述第一定子(51)和第二定子(52)分别耦合于第一动子(41)与第二动子(42)以及第二动子(42)与第三动子(43)间隔形成的凹槽内，所述第一定子(51)和第二定子(52)与所述凹槽的槽面之间留有气隙；所述第一定子(51)和第二定子(52)上对应的悬浮导向线圈通过导线连接电气节点形成悬浮导向回路，使动子(4)悬浮并对其产生横向偏移时进行导向使其回复至中线位置；所述第一定子(51)和第二定子(52)上相邻的n个悬浮导向线圈构成一组线圈单元组，其中n为整数且大于或等于1，通过各相邻所述线圈单元组之间对应序号的悬浮导向线圈串联形成绕组，并通过导线与n相电源连接，通过输入Q轴电流，产生作用于动子的推力，推动动子沿纵向进行位移。

2.根据权利要求1所述的永磁电动悬浮式直线驱动装置，其特征在于，所述第二动子(42)的永磁体阵列中单块永磁体与所述第一动子(4)及第三动子(43)上对应的充磁方向相同的单块永磁体中心轴线重合，且其纵向长度小于所述第一动子(4)及第三动子(43)上单块永磁体的纵向长度。

3.根据权利要求1所述的永磁电动悬浮式直线驱动装置，其特征在于，所述悬浮导向线圈为“8”字形结构，包括线圈上半环(501)、线圈下半环(502)、第一连接导线(503)及第二连接导线(504)，所述线圈上半环(501)与线圈下半环(502)对称设置，两者通过所述第一连接导线(503)及第二连接导线(504)进行首尾连接形成悬浮回路。

4.根据权利要求3所述的永磁电动悬浮式直线驱动装置，其特征在于，所述第一连接导线(503)上并联设有第一引出导线(505)，所述第二连接导线(504)上并联设有第二引出导线(506),通过第一引出导线(505)及第二引出导线(506)的连接，所述第一定子(51)和第二定子(52)上对应的悬浮导向线圈之间形成悬浮导向回路。

5.根据权利要求4所述的永磁电动悬浮式直线驱动装置，其特征在于，所述定子(5)上相邻的三个悬浮导向线圈分为一组线圈单元组，其中三个悬浮导向线圈依次为悬浮导向线圈5A、悬浮导向线圈5B和悬浮导向线圈5C，相邻的线圈单元组中对应的悬浮导向线圈5A、悬浮导向线圈5B及悬浮导向线圈5C分别通过第一引出导线(505)及第二引出导线(506)依次串联，形成包含A相、B相、C相的三相绕组。

6.根据权利要求5所述的永磁电动悬浮式直线驱动装置，其特征在于，所述A相绕组通过A相绕组电流输入线(509)与三相电源的A相输出端连接，B相通过B向绕组电流输入线(510)与三相电源B相输出端连接，所述C相绕组通过C相绕组电流输入线(511)与三相电源C相输出端连接。

7.根据权利1-6中任一项所述的永磁电动悬浮式直线驱动装置，其特征在于，所述第一动子(41)和第二动子(43)的永磁体阵列中的永磁体沿横向充磁，相邻的永磁体充磁方向相反。

8.根据权利1-6中任一项所述的永磁电动悬浮式直线驱动装置，其特征在于，所述第一动子(41)和第二动子(43)采用永久磁体阵列的磁极的排列方式是HALBACH阵列永磁体。

9.根据权利1-6中任一项所述的永磁电动悬浮式直线驱动装置，其特征在于，所述第二动子(42)两侧为利于将磁力线收束集中的形状，包括锥形。

10.根据权利1-6中任一项所述的永磁电动悬浮式直线驱动装置，其特征在于，所述第二动子(42)为高磁导率材料制成。

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