CN113922625A - 一种环形结构长初级永磁同步电机 - Google Patents

一种环形结构长初级永磁同步电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环形结构长初级永磁同步电机，包括初级铁心、绕组、次级永磁体组件、固定分离式背铁组件、次级连接板、转轴组件和承重板；初级铁心由内外开多个槽的硅钢片叠合成环形结构；三相环形的绕组绕制在初级铁心的槽中；次级永磁体组件包括一号永磁体装置及与一号永磁体装置呈180°布置的二号永磁体装置；所述固定分离式背铁组件包括内侧环形背铁及外侧环形背铁，所述次级连接板为板状或杆状结构，其两端分别固定连接一号永磁体装置和二号永磁体装置；转轴组件包括转轴及转轴支承柱体；承重板位于最底端，其上端面与初级铁心及转轴支承柱体的下端面均固定连接；具备体积小，所需功率等级小，相对无齿槽结构推力密度较大的优点。

Description

一种环形结构长初级永磁同步电机
技术领域
本发明属于同步电机领域，具体涉及一种环形结构长初级永磁同步电机。
背景技术
直线电机在物流输送系统、工业自动化设备、交通运输系统、民用及军工等行业和领域具有广泛的应用与发展前景。城市轨道交通领域中，现代城市轨道交通车辆要求有更强的爬坡能力、更小的转弯半径及全天候的运行性能，直线电机以其直驱、结构简单与性能可靠等特点提高了车辆的性能，但由于弓网关系的约束，车辆的速度及过曲线能力受到了一定限制，这对直线电机的结构提出了新的要求；
对于类似汽车碰撞试验等高速应用场合，多采用直线电机拖动或者机车驱动，加速到碰撞速度需要的行程较长，且成本高、占地大，并且无法进行多次碰撞和共性研究；
考虑上述情况，有必要对直线电机结构型式、性能特点进行深入研究同时降低成本及占地空间。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种环形结构长初级永磁同步电机，可以在进行电磁式水平冲击加速度模拟时，对长初级永磁直线同步电机性能及可行性验证的同时解决直线型结构占地空间较大、制造成本较高的缺点，具有较高的实用价值。
为了实现上述目的，本发明涉及一种环形结构长初级永磁同步电机，其特征在于：包括初级铁心、绕组、次级永磁体组件、固定分离式背铁组件、次级连接板、转轴组件和承重板；
所述初级铁心由内外开多个槽的硅钢片叠合成环形结构；
所述三相环形的绕组以环形绕组形式绕制在初级铁心的槽中；
所述次级永磁体组件包括一号永磁体装置及与一号永磁体装置呈180°布置的二号永磁体装置，所述一号永磁体装置包括倒U型磁体固定外壳，所述倒U型磁体固定外壳倒扣在初级铁心上且下端悬空，磁体固定外壳下部两边固定设置有数量不少于两个的磁体；初级铁心两侧的磁体数量相等；所述二号永磁体装置的结构和一号永磁体装置相同；
所述固定分离式背铁组件包括位于次级永磁体组件内侧的内侧环形背铁及位于级永磁体组件外侧的外侧环形背铁，内侧环形背铁和外侧环形背铁整体形成供次级永磁体组件旋转的环形槽道；
所述次级连接板为板状或杆状结构，其两端分别固定连接一号永磁体装置和二号永磁体装置的倒U型磁体固定外壳的上端面；
所述转轴组件包括转轴及转轴支承柱体，转轴上端还固定设置次级连接板承托板，次级连接板承托板上端面和次级连接板中部固定连接；
所述承重板位于最底端，其上端面与初级铁心、及转轴支承柱体的下端面均固定连接；
进一步的，所述磁体固定外壳下部两边固定设置的磁体数量为4或8个。
进一步的，为方便铁心叠片定位，初级铁心每隔一个固定角度β有一个不嵌线圈槽；同时对不嵌线圈槽对应磁动势相同的对应槽加大尺寸并增加所绕线圈数量。
进一步的，所述固定角度β为60度或120度。
进一步的，转轴上安装有用以检测动子位置的旋转变压器。
进一步的，所述次级连接板承托板与次级连接板连接处还设有三角形的加强材。
进一步的，所述外侧环形背铁上面还固定设置有用于安全防护的透明盖板。
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)本发明提供的环形结构长初级永磁同步电机，采用环形初级结构。避免采用直线形式时为满足试验或训练或医学研究的末加速度和速度要求所需的电机直线行程很大，导致电机体积较大且制造成本较高的问题，相较于直线结构，采用环形结构时加速时间和加速行程在理论上不受限，且理论上只要产生的推力大于摩擦力和空气阻力即可最终达到期望的末加速度和速度。因此相较于直线形式，环形结构具备体积小，所需功率等级小优点，所需功率的减小又会进一步带来机械振动和热力学等方面的优势，为适用于电磁式水平冲击加速度系统的直线电机的选型设计提供试验环境。
(2)本发明提供的环形结构长初级永磁同步电机，采用内外开槽的初级铁心结构(“背靠背”形式)，采用背靠背的初级铁心结构，可以认为铁心的轭部增大，初级铁心的磁饱和程度得到改善，电机转矩相应增大，损耗相应减小。初级铁心采用有齿槽结构，相对无齿槽结构推力密度较大，而且绕组线圈固定方便，电机结构强度高。为了方便绕组嵌线，采用开口槽。
(3)本发明提供的环形结构长初级永磁同步电机，采用环形绕组结构。采用环形绕组形式避免了常规绕组布置时线圈端部伸出电机铁心较高的缺点，进一步减小了电机体积，且绕组用线少，制造成本较常规叠绕组低，且电机铜耗降低。同时，采用环形绕组绕线简单，电机制造成本下降。
(4)本发明提供的环形结构长初级永磁同步电机，动子分为空间上互差180°的两段对称分布。更好地保证了动子的同心度，有效地降低了机械损耗。
(5)本发明提供的环形结构长初级永磁同步电机，采用转轴结构，在转轴上安装一个与动子相连的连接板，连接板除了起到固定永磁体的作用，还能抵消部分法向力与离心力，当电机在高速旋转发生故障时，连接板可防止永磁体飞出。此外，在转轴上安装旋转变压器可用以检测动子位置，便于进行电机控制，转轴测速取代了昂贵的光栅等测速传感器的使用，电机制造成本下降。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的整体结构示意图；
图2为本发明较佳实施例的初级铁心结构示意图；
图3为图2虚线处放大的结构示意图；
图4为本发明较佳实施例的绕组的结构示意图；
图5为图4A-A的剖面结构示意图；
图6为本发明较佳实施例的磁体的布置示意图；
图7为图1的中纵剖面结构示意图；
图8为本发明较佳实施例的不同背铁厚度情况下的转矩波形图；
图9为本发明较佳实施例不嵌线槽的对应示意图(改变箭头对面槽的槽尺寸及线圈匝数，槽内方块表示线圈)；
图10为本发明较佳实施例带透明盖板的结构示意图为(为清楚表达上部结构，部分内部结构未在图中示出)；
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-初级铁心，2-绕组，3-次级永磁体组件，31-一号永磁体装置，311-倒U型磁体固定外壳，312-磁体，32-二号永磁体装置，4-固定分离式背铁组件、41-背铁、42-外侧环形背铁、5-次级连接板，6-转轴组件，61-转轴、62-转轴支承柱体、63-次级连接板承托板、7-承重板、8-旋转变压器、9-透明盖板、10-加强材。
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。
请参考图1，本发明的实施例提供一种环形结构长初级永磁同步电机，包括初级铁心1、绕组2、次级永磁体组件3、固定分离式背铁组件4、次级连接板5、转轴组件6和承重板7。
请参考图2-图3，所述初级铁心1由内外开多个槽(“背靠背”形式)的硅钢片叠合成环形结构；该种结构初级铁心的轭部增大，初级铁心的磁饱和程度得到改善，电机转矩相应增大，损耗相应减小；初级铁心采用有齿槽结构，相对无齿槽结构推力密度较大，而且绕组线圈固定方便，电机结构强度高；为了方便绕组嵌线，采用开口槽；
请参考图4-图5，所述三相环形的绕组2以环形绕组形式绕制在初级铁心1的槽中；采用环形绕组形式避免了常规绕组布置时线圈端部伸出电机铁心较高的缺点，进一步减小了电机体积，且绕组用线少，制造成本较常规叠绕组低，且电机铜耗降低；
请参考图6-图7，所述次级永磁体组件3包括一号永磁体装置31及与一号永磁体装置呈180°布置的二号永磁体装置32，所述一号永磁体装置31包括倒U型磁体固定外壳311，所述倒U型磁体固定外壳311倒扣在初级铁心1上且下端悬空，磁体固定外壳下部两边固定设置有数量不少于两个的磁体312；初级铁心1两侧的磁体数量相等；所述二号永磁体装置32的结构和一号永磁体装置31相同；
永磁体采用两段对称分布结构；动子分为空间上互差180°的两段对称分布；更好地保证了动子的同心度，有效地降低了机械损耗，次级连接板32除了起到固定永磁体的作用，还能抵消部分永磁体法向力，当电机在高速旋转时发生故障，连接板可防止永磁体飞出；次级连接板中心与轴固定，可根据轴的转速计算次级速度；
所述固定分离式背铁组件4用于闭合磁回路，包括位于次级永磁体组件内侧的内侧环形背铁41及位于级永磁体组件外侧的外侧环形背铁42，内侧环形背铁41和外侧环形背铁42整体形成供次级永磁体组件旋转的环形槽道；一般的单边直线电机，为了保证磁回路闭合，需要在动子上添加导磁材料背铁；但背铁的存在会导致动子质量增大，动子达到预期加速度所需的推力增大，电机功率等级增大，电机制造成本增大，并加剧机械振动、噪声和发热问题；将永磁体与背铁分离从而减轻了动子质量，使得电机的动态性能有所提高；图9通过过有限元仿真优化了背铁尺寸，从图中可以看到背铁厚度为20mm、30mm对应转矩大致相等，考虑成本，背铁厚度优选为20mm。
所述次级连接板5为板状或杆状结构，其两端分别固定连接一号永磁体装置和二号永磁体装置的倒U型磁体固定外壳的上端面；
所述转轴组件6包括转轴61及转轴支承柱体62，转轴61上端还固定设置次级连接板承托板63，次级连接板承托板63上端面和次级连接板中部固定连接；
所述承重板7位于最底端，其上端面与初级铁心、及转轴支承柱体的下端面均固定连接；
在环形绕组中通入三相对称电流进而产生旋转的行波磁场，初级电枢电流产生的行波磁场与永磁体固有磁场的相互作用产生电磁推力，动子以行波磁场的速度运动。
为了减小励磁电流、增大基波推力、提高功率因数和效率的同时避免次级导电板受热膨胀或受到机械应力发生形变导致的与初级发生机械碰撞的可能性，气隙长度优选为：磁体312与内侧环形背铁41及外侧环形背铁42之间距离与电机气隙长度相同，同时削弱了谐波磁场产生的脉振推力和附加损耗及其引起的速度波动、发热、噪声等问题。
电机的推力是由两个相互作用的磁场使其磁轴对齐的趋势产生的，它与两个磁动势的叉积成正比，即
Figure BDA0003264235760000071
式中
Figure BDA0003264235760000072
Fs、Fr和δsr分别为初级磁动势矢量、次级磁动势矢量、初级磁动势幅值、次级磁动势幅值以及初次级磁动势矢量之间的相角差，比例因子由电机磁设计的几何形状决定。本结构电机推力公式可表示为
Figure BDA0003264235760000081
其中μ0、p、D、g、λp分别为空气的磁导率、极对数、电机深度、气隙距离和磁极对之间的距离。因此，可以通过修改电机参数来优化电机性能。在有限元软件中对电机参数λp、g进行参数化扫描，得到推力波动较小的电机参数，实现电机的优化。
考虑次级太长难以加工，且短次级结构的端部效应影响较小，因此永磁体选用极数不宜过多，所述磁体固定外壳下部两边固定设置的磁体数量优选为4或8个，如果数量太多无法保证同心度，而且重量重。
请参考图9，为方便铁心叠片定位，初级铁心1每隔一个固定角度β(60度或120度)。有一个不嵌线圈槽；为了在减少嵌线的情况下，不影响电机性能，同时对不嵌线圈槽对应磁动势相同的对应槽加大尺寸并增加所绕线圈数量，加大槽面积优选为原槽面积的2倍。
所述转轴61上安装有用以检测动子位置的旋转变压器，旋转变压器转轴测速取代了昂贵的光栅等测速传感器的使用，电机制造成本下降。
请参考图10，所述次级连接板承托板63与次级连接板连接处还设有用于加强结构的加强材。
所述外侧环形背铁42上面还固定设置有用于安全防护的透明盖板。
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 (7)

1.一种环形结构长初级永磁同步电机，其特征在于：包括初级铁心(1)、绕组(2)、次级永磁体组件(3)、固定分离式背铁组件(4)、次级连接板(5)、转轴组件(6)和承重板(7)；
所述初级铁心(1)由内外开多个槽的硅钢片叠合成环形结构；
所述三相环形的绕组(2)以环形绕组形式绕制在初级铁心(1)的槽中；
所述次级永磁体组件(3)包括一号永磁体装置(31)及与一号永磁体装置呈180°布置的二号永磁体装置(32)，所述一号永磁体装置(31)包括倒U型磁体固定外壳(311)，所述倒U型磁体固定外壳(311)倒扣在初级铁心(1)上且下端悬空，磁体固定外壳下部两边固定设置有数量不少于两个的磁体(312)；初级铁心(1)两侧的磁体数量相等；所述二号永磁体装置(32)的结构和一号永磁体装置(31)相同；
所述固定分离式背铁组件(4)包括位于次级永磁体组件内侧的内侧环形背铁(41)及位于次级永磁体组件外侧的外侧环形背铁(42)，内侧环形背铁(41)和外侧环形背铁(42)整体形成供次级永磁体组件旋转的环形槽道；
所述次级连接板(5)为板状或杆状结构，其两端分别固定连接一号永磁体装置和二号永磁体装置的倒U型磁体固定外壳的上端面；
所述转轴组件(6)包括转轴(61)及转轴支承柱体(62)，转轴(61)上端还固定设置次级连接板承托板(63)，次级连接板承托板(63)上端面和次级连接板中部固定连接；
所述承重板(7)位于最底端，其上端面与初级铁心、及转轴支承柱体的下端面均固定连接。
2.根据权利要求1所述的环形结构长初级永磁同步电机，其特征在于，所述磁体固定外壳下部两边固定设置的磁体数量为4或8个。
3.根据权利要求1所述的环形结构长初级永磁同步电机，其特征在于，初级铁心(1)每隔一个固定角度β有一个不嵌线圈槽；同时对不嵌线圈槽对应磁动势相同的对应槽加大尺寸并增加所绕线圈数量。
4.根据权利要求3所述的环形结构长初级永磁同步电机，其特征在于，所述固定角度β为60度或120度。
5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的环形结构长初级永磁同步电机，其特征在于，所述转轴(61)上安装有用以检测动子位置的旋转变压器(8)。
6.根据权利要求1-4任一权利要求所述的环形结构长初级永磁同步电机，其特征在于，所述次级连接板承托板(63)与次级连接板连接处还设有三角形的加强材(10)。
7.根据权利要求1-4任一权利要求所述的环形结构长初级永磁同步电机，其特征在于，所述外侧环形背铁(42)上面还固定设置有用于安全防护的透明盖板(9)。
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