CN113922626A - 一种模块化双边式动次级永磁直线同步电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化双边式动次级永磁直线同步电机，包括次级永磁体组件及数量不少于一个并依次对接的初级模块，所述次级永磁体组件包括倒U型连接板及固定在倒U型连接板内外侧面上的N极或S极相间隔排列的永磁体；所述初级模块包括双开槽铁心、绕组及固定分离式背铁；所述双开槽铁心由两侧开多个槽的矩形硅钢片叠压成长矩形结构；所述绕组绕制在初级铁心的槽中；所述固定分离式背铁包括固定设置于倒U型连接板两侧的一号分离式背铁及二号分离式背铁；具备推力密度较大、可初级模块化组合，降低了动子质量使得可以承载的载荷质量增大的优点。
Description
技术领域
本发明属于直线同步电机领域，具体涉及一种模块化双边式动次级永磁直线同步电机。
背景技术
直线电机以其直接传动的特点在伺服系统、交通运输车辆牵引、工业自动化设备、传送与搬运装置中具有广阔的应用前景。在伺服进给系统中，直线驱动取消了丝杠等机械传动原件，从而消除了传动间隙与转换误差，使传动刚度、定位精度和响应速度提高。在交通运输方面，直线电机适宜作为城际或市内中、高速地铁或轻轨列车的牵引动力，由于其产生的电磁推力不受轮轨之间摩擦力的影响，因此车辆运行的环境适应能力较强。在高速大推力应用场合，直线电机以其无传动结构直线加速的特点在汽车碰撞试验中也具有较大的优势。随着现代军事技术的发展，电磁弹射系统将会取代现在用于航母舰载机发射的蒸汽弹射。
在现代海洋军事较量中，航空母舰不仅在体积复杂性和威力方面有着强大的优势，能够发挥出超强的作战实力，还能为舰载机提供起飞和降落的支持。弹射装置作为航母舰载机起飞的重要组成部分，随着舰载机质量、性能、飞行速度的提高，对弹射技术也提出了更高的要求。由于蒸汽弹射系统太过庞大、笨重且维护和操作成本高昂，电磁弹射系统成为各国关注的焦点。
目前电磁发射装置主要采用永磁直线同步电机；就永磁直线同步电机本身而言，该类电机存在着很大的优势，比如效率高，体积小，有很大的研究空间。
虽然国内外对永磁直线同步电机已有一定的研究基础，但是对于电磁弹射这种周期瞬态工况需要巨大的电磁推力，且需要较高的速度，而目前国内外对该种高速大推力瞬态工况下的永磁直线同步电机的研究还较少，相关研究仅局限在低速、高精度、周期稳态工况下的永磁直线同步电机。因此有必要设计一种满足高速大推力瞬态工况的直线电机结构，为适用于电磁式水平冲击加速度系统的优良的直线电机的选择奠定基础。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种模块化双边式动次级永磁直线同步电机结构，满足高速、大推力及模块化组装的设计需要。
本发明提供了一种模块化双边式动次级永磁直线同步电机，包括次级永磁体组件及数量不少于一个并依次对接的初级模块，
所述次级永磁体组件包括倒U型连接板及固定在倒U型连接板内外侧面上的N极或S极相间隔排列的永磁体，倒U型连接板下端布置滚轮或滑轨；
所述初级模块包括双开槽铁心、绕组及固定分离式背铁；
所述双开槽铁心由两侧开多个槽的矩形硅钢片叠压成长矩形结构；所述绕组绕制在初级铁心的槽中；
所述固定分离式背铁包括固定设置于倒U型连接板两侧的一号分离式背铁及二号分离式背铁。
进一步的，所述绕组采用单层集中绕组形式。
进一步的，所述倒U型连接板采用铝板制作。
进一步的，所述双开槽铁心采用径向充磁方式，上下次级永磁体充磁方向均指向初级铁心，磁力线由N极沿气隙经由背铁和气隙返回同侧S极以构成并联回路，由此可增大次级永磁体磁场与初级绕组的交链进而提高电磁推力。
所述一号分离式背铁及二号分离式背铁为大小相同的长方体结构。
进一步的，所述永磁体采用烧结钕铁硼35SH制作。
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)本发明提供的模块化双边式动次级永磁直线同步电机，采用两边开槽的初级铁心结构，采用背靠背的初级铁心结构可增大轭部宽度，从而相较于传统的双边永磁直线同步电机，铁心磁饱和程度得到改善，推力密度较大，能提供较大推力。
(2)本发明提供的模块化双边式动次级永磁直线同步电机，采用单层集中式绕组，对于行程较长的应用背景，可进行初级模块化组合，从而方便系统安装与维修。
(3)本发明提供的模块化双边式动次级永磁直线同步电机，采用双动子结构，可进一步增加推力密度，且将动子永磁体与背铁分离，采用固定背铁的形式，降低了动子质量使得可以承载的载荷质量增大。
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为图1的部件分解标记示意图(初级模块数量为1)；
图3为图1的次级永磁体组件的结构示意图(倒U型连接板11下端布置的滚轮或滑轨未示出)；
图4为本发明较佳实施例初级铁心的充磁方式示意图；
图5为本发明较佳实施例的某算例的空载磁场分布图；
图6为本发明较佳实施例的某算例的负载磁场分布图；
图7为本发明较佳实施例的某算例的磁阻力图；
图8为本发明较佳实施例的某算例的电磁推力图；
图9为本发明较佳实施例的某算例的力角特性图；
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-次级永磁体组件，11-倒U型连接板，12-永磁体，2-初级模块，21-双开槽铁心，22-绕组，23-固定分离式背铁，231-一号分离式背铁，232-二号分离式背铁。
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-图3，一种模块化双边式动次级永磁直线同步电机，包括次级永磁体组件1及数量不少于一个并依次对接的初级模块2，
所述次级永磁体组件1包括铝板材质的倒U型连接板11及固定在倒U型连接板内外侧面上的N极或S极相间隔排列采用烧结钕铁硼35SH制作的永磁体12，倒U型连接板11下端布置滚轮或滑轨；
所述初级模块2包括双开槽铁心21、绕组22及固定分离式背铁23；
所述双开槽铁心21由两侧开多个槽的矩形硅钢片叠压成长矩形结构，可以看作两个铁心背靠背组装而成，铁心的轭部增大，其磁饱和程度得到改善，采用双开槽铁心，相对无齿槽结构推力密度较大，电机结构强度高；所述绕组22采用单层集中绕组形式，绕制在初级铁心1的槽中；
所述固定分离式背铁23包括固定设置于倒U型连接板11两侧的一号分离式背铁231及二号分离式背铁232，一号分离式背铁231及二号分离式背铁232为大小相同的长方体结构；制作成固定背铁的形式，在系统载荷较大的应用背景下，可减小动子的质量，同时固定背铁也可起到闭合磁回路的作用。
请参考图4，所述初级铁心1采用径向充磁方式，上下次级永磁体充磁方向均指向铁心，磁力线由N极沿气隙经由背铁和气隙返回同侧S极以构成并联回路，由此可增大次级永磁体磁场与初级绕组的交链进而提高电磁推力。
为核算本电机构型的推力特点，下面选择某实际算例，对电机进行了瞬态的有限元仿真，得到空载与负载状态下磁场分布图如图5、图6所示。
从有限元分析的电机磁场结果来看，当电机空载运行时，其铁心磁密的最大值已接近1.6T，一旦电机负载运行，其铁心最大磁密达到1.8T左右，电机处于饱和状态，解析法的计算前提条件不成立，因此其负载气隙磁密计算与有限元计算存在偏差。但由于电机饱和程度不高，解析法的计算结果有一定的参考意义。
为验证电磁力计算的准确性，现利用解析法与有限元方法分别对设计电机的电磁力进行对比分析，得到结果如图7—图8所示。
从图7—图8分析可知，利用两种方法计算的空载定位力大小几乎相同，平均值为102.8N。对于负载情况下的电磁推力可以看出其存在一定的推力波动，有限元计算的推力的平均值为45.1178kN，推力波动为10.1％；解析法计算的推力的平均值为46.3697kN，推力波动为10.9％，说明电磁力计算的准确性较高。
为了得到设计的PMLSM的最大推力，对通入电流的初始相位角进行了参数化扫描，电流初始相位角从0°变化到180°，步长为9°进行仿真。在电流初始相位角为117°时，得到了最大的电磁推力为46.4kN满足大推力要求，其结果如图9所示.
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 (6)
1.一种模块化双边式动次级永磁直线同步电机，其特征在于：包括次级永磁体组件(1)及数量不少于一个并依次对接的初级模块(2)，
所述次级永磁体组件(1)包括倒U型连接板(11)及固定在倒U型连接板内、外侧面上的N极或S极相间隔排列的永磁体(12)，倒U型连接板(11)下端布置滚轮或滑轨；
所述初级模块(2)包括双开槽铁心(21)、绕组(22)及固定分离式背铁(23)；
所述双开槽铁心(21)由两侧开多个槽的矩形硅钢片叠压成长矩形结构；所述绕组(22)绕制在初级铁心(1)的槽中；
所述固定分离式背铁(23)包括固定设置于倒U型连接板(11)两侧的一号分离式背铁(231)及二号分离式背铁(232)。
2.根据权利要求1所述的模块化双边式动次级永磁直线同步电机，其特征在于，所述绕组(22)采用单层集中绕组形式。
3.根据权利要求1所述的模块化双边式动次级永磁直线同步电机，其特征在于，所述倒U型连接板(11)采用铝板制作。
4.根据权利要求1所述的模块化双边式动次级永磁直线同步电机，其特征在于，所述双开槽铁心(21)采用径向充磁方式，上下次级永磁体充磁方向均指向初级铁心，磁力线由N极沿气隙经由背铁和气隙返回同侧S极以构成并联回路。
5.根据权利要求1所述的模块化双边式动次级永磁直线同步电机，其特征在于，所述一号分离式背铁(231)及二号分离式背铁(232)为大小相同的长方体结构。
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的模块化双边式动次级永磁直线同步电机，其特征在于，所述永磁体(12)采用烧结钕铁硼35SH制作。
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