CN115833521A

CN115833521A - 一种次级永磁型横向磁通直线电机

Info

Publication number: CN115833521A
Application number: CN202211577160.3A
Authority: CN
Inventors: 付东山; 吴康伊; 王祥瑞; 司洪宇; 徐荣姬; 伍小杰; 黎桂材
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2022-12-09
Filing date: 2022-12-09
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本发明公开了一种次级永磁型横向磁通直线电机，包括初级部分和次级部分，所述初级部分由若干个结构相同的初级单元构成，初级单元包括初级铁芯和电枢绕组，每个初级铁芯中有多个凸极铁芯作为初级齿部，电枢绕组缠绕在初级齿上；所述次级部分由若干个次级铁芯、永磁体和固定轴组成，每个次级铁芯均有轭部和齿部，次级铁芯的齿部与初级铁芯的齿部对应；永磁体嵌于次级铁心轭部，在运动方向上相邻次级铁芯中永磁体的充磁方向相同一致。本发明可实现电机各相解耦、电磁相互独立；根据不同的场合，次级永磁体可以分块内置于各次级铁芯中，也可以沿轴向组合为一体贯穿次级结构，使电机具有效率高、力密度高、永磁体利用率高、设计灵活等优点。

Description

一种次级永磁型横向磁通直线电机

技术领域

本发明涉及一种次级永磁型横向磁通直线电机。属于新型电机设计领域。

背景技术

直线电机在驱动直线运动负载时，省却了旋转电机的旋转到直线运动的转换机构，因而具有整体结构简单、位置精度高、响应速度快、噪声低等优势，使整个系统效率得到提高。近年来，随着直线驱动的应用越来越广泛，直线电机逐渐成为了研究与研发的热点之一，并且已经被广泛地应用于军事工业、航空航天、轨道交通、电磁弹射等领域。

横向磁通直线永磁电机的运动方向与电机磁场路径所在平面垂直，电机的电路和电机磁路相对较为独立，与传统电机相比，横向磁通电机具有转矩密度高、设计灵活、电磁负荷解耦、控制方便、低速特性优良等特点，其应用领域也日益扩展，尤其适合低速大功率驱动场合。横向磁通电机极大地缩短了磁路长度，减小了铁磁材料的用量和铁耗，在一定范围内提高了磁能变化率，进而提高了电机的出力。

根据永磁体放置位置的不同，现有的直线电机可以分为次级永磁型和初级永磁型。次级永磁型直线电机的研究历史最长，影响和应用也更为广泛。传统的次级永磁型直线电机多为表贴式，且沿着电机运动方向交替充磁，相邻永磁体之间容易存在漏磁回路。当电机极弧系数较大时，永磁体间漏磁现象更加明显，这限制了电机中永磁体体积的增加，降低了永磁体空间利用率，因此传统次级永磁型直线电机的推力密度很难进一步提高。也有专家学者提出在次级永磁型直线电机中利用Halbach型永磁阵列，以达到使用较少的永磁体产生较强、正弦度更理想的磁场的效果，但由于Halbach型永磁阵列复杂的排列结构，会带来装配困难、制造成本高昂等问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种次级永磁型横向磁通直线电机，具有各相隔离解耦、电磁相互独立的优点，本电机中的永磁体嵌入次级导磁部件轭部，在运动方向上相邻次级导磁部件中永磁体的充磁方向相同一致，可减少漏磁，从而提高永磁体的利用率；根据不同的场合制作需求，次级永磁体可以分块内置于各次级导磁部件中，也可以沿轴向组合为一体贯穿次级结构；同时电机具有效率高、力密度高、设计灵活、控制方便、低速特性优良以及制造成本相对较低等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种次级永磁型横向磁通直线电机，包括初级部分和次级部分。所述初级部分是由若干个结构相同的初级单元构成，初级单元包括初级铁芯和电枢绕组，每个初级铁芯中有多个凸极铁芯作为初级齿部，其中，初级齿部可以呈V型，也可以呈带极靴的凸极结构，电枢绕组缠绕在初级齿上；所述次级部分由若干个次级导磁部件、永磁体和固定轴组成，每个次级导磁部件均有轭部和齿部，次级导磁部件的齿部应对应初级铁芯的齿部，因此次级导磁部件齿部的形状随初级铁芯齿部形状的改变而相应改变；永磁体始终内嵌于次级导磁部件中，只需保证同一个次级导磁部件中相邻的永磁体互相接近的那面磁极相同，且在电机运动方向上相邻次级导磁部件中的永磁体充磁方向一致；永磁体可以分块嵌于次级导磁部件轭部，还可以沿轴向组合成整体贯穿整个次级部分。相邻次级导磁部件按照不同方向交替排列固定在非导磁材料制成的固定轴上。

所述初级齿部呈带单侧极靴的凸极结构时，次级导磁部件齿部对应初级齿的全部面积，两者之间形成弧形气隙。

所述初级齿部呈V型时，次级导磁部件齿部为斜角结构，相邻次级导磁部件只对应初级齿的一半面积，两者之间形成斜气隙；在这种情况下，次级导磁部件齿部在运动方向上无重合部分。

所述初级单元中的初级齿个数和次级导磁部件齿的个数都与电机的极数相同，为N个（N=1,2,3,4……）。

所述次级永磁体可以沿轴向组合为整体贯穿次级结构，次级永磁体的个数与电机极数N相同，每块永磁体的长度与次级结构的长度相等。

所述次级永磁体可以分块内置在各次级导磁部件轭部，次级永磁体的个数为K×N，K为固定轴上次级导磁部件的数量，每块永磁体的长度与次级导磁部件的叠厚相等。

所述永磁体无论采用哪种方法内置于次级结构中时，只需保证在轴向上相邻次级导磁部件中的永磁体充磁方向相同，并且与电机内部磁通流向一致。

所述次级导磁部件间距

与次级导磁部件厚度

的关系式

。

所述电机中每相绕组不仅可以直接缠绕在初级磁极上，还可以通过初级铁芯槽形成回环结构。

所述初级单元个数为电机相数的整数倍。

所述直线电机既能作为发电机也能作为电动机。

本发明的工作原理为：当初级单元与不同次级导磁部件对齐时，永磁体在绕组中产生不同方向的磁链。因此当电机次级沿着运动方向移动时（即初级与次级产生相对位移），初级单元与不同次级导磁部件交替对齐变化——不同次级导磁部件的齿部与初级单元的初级齿对齐，从而使通过初级齿上的绕组的磁链交替变化，电枢绕组中就会感应出相应的感应电动势，给绕组施加相应的交流电流时就会产生持续的推力。通过合理安排初级单元间距和次级导磁部件的间距，依据运动方向上初级与次级之间的相对位置，合理地给初级单元的各相绕组通电，可产生持续的推力。

本发明的有益效果为：

（1）电机采用横向磁通结构，具有转矩密度高、设计灵活、电磁负荷解耦、控制方便、低速特性优良、效率高等特点；

（2）电机结构简单紧凑，组装方便容易，空间利用率高；

（3）电机可以采用不规则的气隙结构，增大气隙面积，使电机等效永磁绕组和电枢绕组的互感增强；

（4）沿着电机运动方向分布的次级永磁体充磁方向相同，可以减少永磁体间漏磁，从而提高永磁体的利用率；

（5）次级中的永磁体布局灵活多变，不仅可以分为多块内置于各次级铁芯中，还可以沿轴向做成整体贯穿于次级结构中；

（6）初级绕组线圈可采用回环形结构，电机用铜量减少，制造成本降低；

（7）每个初级单元都是相互独立的，电机可靠性高、容错能力强。

附图说明

图1（a）是本发明的一种三相四磁极弧形气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机结构示意图。

图1（b）是本发明的一种三相四磁极斜气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机结构示意图。

图2是本发明的一种三相四磁极弧形气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机采用回环绕组的结构示意图。

图3（a）是本发明的一种三相四磁极弧形气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机初级单元结构示意图。

图3（b）是本发明的一种三相四磁极斜气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机初级单元结构示意图。

图4（a）是本发明的一种三相四磁极弧形气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机的次级单元结构示意图。

图4（b）是本发明的一种三相四磁极斜气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机的次级单元结构示意图。

图5（a）是本发明的一种三相四磁极弧形气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机的端部视图结构示意图以及次级永磁体的充磁方向示意图。

图5（b）是本发明的一种三相四磁极斜气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机的端部视图结构示意图以及次级永磁体的充磁方向示意图。

图6（a-1）是本发明的一种三相四磁极圆筒型弧形气隙次级永磁型横向磁通直线电机的次级结构俯视示意图。

图6（a-2）是本发明的一种三相四磁极圆筒型弧形气隙次级永磁型横向磁通直线电机的次级结构侧视示意图。

图6（b-1）是本发明的一种三相四磁极圆筒型斜气隙次级永磁型横向磁通直线电机的次级结构俯视示意图。

图6（b-2）是本发明的一种三相四磁极圆筒型斜气隙次级永磁型横向磁通直线电机的次级结构侧视示意图。

图7（a）是本发明的一种三相四磁极圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机中永磁体分块分布的示意图。

图7（b）是本发明的一种三相四磁极圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机中永磁体贯穿次级机构的示意图。

图8是本发明的一种三相四磁极圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机次级导磁部件3和次级导磁部件4分别与初级单元对齐时的磁通流向示意图。

图9是本发明的一种三相四磁极圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机的整体结构示意图；

其中，1、初级导磁材料，2、初级线圈绕组，3、次级导磁部件，4、次级导磁部件，5、次级永磁体，6、次级导磁部件固定轴。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，实施例电机的相数为3，电机极数为4，次级导磁部件共有6块。

如图1（a）所示为一种三相四磁极弧形气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机结构示意图，包括初级和次级两部分，初级部分包括若干个结构相同的初级单元，初级单元由初级铁芯和电枢绕组组成，每个初级铁芯中有4个带极靴的凸极铁芯作为初级齿部，电枢绕组缠绕在初级齿上；此外，电枢绕组还可如图2所示在初级铁芯槽中形成回环结构；次级部分由依次排列的次级铁芯、永磁体和固定轴组成，次级铁芯均有轭部和齿部，次级铁芯齿部带单侧极靴与初级齿对应，两者之间形成弧形气隙，次级永磁体沿着周向置于次级铁芯轭部同时沿轴向贯穿于次级结构中。次级铁芯和永磁体组合完成后安装在非导磁材料制成的固定轴上形成一个次级整体。初级和次级导磁材料由铁芯硅钢片叠压而成。

每个初级单元包括初级铁芯1和线圈绕组2；次级部分由安装方式不同的次级铁芯3、4和永磁体5和固定轴6，次级铁芯3和次级铁芯4均有四个齿，两种铁芯上的齿交错排列，对应初级导磁齿。在三相中，不同相的初级单元相互间隔120°电角度形成电机各相。电机的初级单元个数和次级铁芯个数不限于此，可根据电机相数长度等实际情况增加或减少，同相的初级单元绕组相互串联或并联同一初级单元中的绕组可相互串联或并联。

如图1（b）所示为一种三相四磁极斜气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机结构示意图，整体结构组成与图1（a）电机类似，初级铁芯齿部的形状变为V型，相应次级铁芯齿部形状变为斜角结构且占初级齿的一半面积，两者之间形成斜气隙。

图3（a）、（b）分别是本发明的一种三相四磁极弧形气隙和斜气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机的初级单元结构示意图。如图所示，初级单元还包括初级铁芯1和电枢绕组2。初级铁芯存在4个沿周向均匀分布的凸极铁芯作为初级齿部，电枢绕组缠绕于初级齿部上。图3（a）中的初级齿部呈带极靴的凸极结构，图3（b）中的初级齿部呈V型。

图4（a）、（b）分别是本发明的一种三相四磁极弧形气隙和斜气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机的次级单元结构示意图，由次级导磁部件与永磁体组成，每个次级导磁部件都包括导磁轭部和齿部。图4（a）中次级铁芯齿部与图3（a）中初级齿部对应，为带单侧极靴的结构；图4（b）中次级铁芯齿部与图3（b）中初级齿部对应，为斜角结构。

图5（a）是本发明的一种三相四磁极弧形气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机的端部视图结构示意图以及次级永磁体的充磁方向示意图。该电机次级永磁体的充磁方向可如图所示，也可以反向充磁，只需保证相邻永磁体互相接近的那面磁极相同，且在运动方向上相邻次级导磁部件中的永磁体充磁方向一致。可以看出，带极靴的初级铁芯齿部与次级铁芯齿部之间形成弧形气隙。

图5（b）是本发明的一种三相四磁极斜气隙圆筒型次级永磁型横向磁通直线电机的端部视图结构示意图以及次级永磁体的充磁方向示意图。永磁体的充磁方向与图5（a）所述一致。可以看出，V型的初级铁芯齿部与斜角结构的次级铁芯齿部之间形成斜气隙，具有增加气隙面积、减小气隙磁阻的作用。

图6是本发明的一种三相初级单元四磁极圆筒型双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机的次级结构示意图，其中图6（a-1）、（a-2）分别为带单侧极靴的次级部分俯视图与侧视图，图6（b-1）、（b-2）分别为斜角结构的次级部分俯视图与侧视图。次级结构包括次级铁芯3、次级铁芯4、次级永磁体5和固定轴6，次级铁芯3、4结构相同，固定方向不同，使得电机运行时电机绕组磁通发生变化。从图6（b-2）中可以看出，斜角结构的次级铁芯齿部在轴向上不重合。

图7是本发明的一种三相初级单元四磁极圆筒型斜气隙双边永磁体励磁横向磁通直线电机的次级永磁体分布示意图，其中图7（a）为次级永磁体分块内置于各个次级导磁部件轭部的结构，每块永磁体的长度与次级导磁部件叠厚

相等，此时共需24块永磁体。图7（b）为轴向上次级永磁体无间距贯穿次级时的结构，次级永磁体的整体长度与次级结构长度相同，并且根据不同的制作需求，不仅可以采用整块永磁体，也可以将多块永磁体拼接组合成整体。无论采用何种分布方法，只需保证在轴向上相邻次级导磁部件中的永磁体充磁方向相同，并且与电机内部磁通流向一致。

图8所示从左到右依次为次级导磁部件3与初级单元对齐时的磁通流向示意图和次级导磁部件4与初级单元对齐时的磁通流向示意图。从图8可以看出，次级运动时，从导磁部件3与初级单元对齐到导磁部件4与初级单元对齐时，绕组磁链方向、电机内部磁通流向均发生变化，说明该电机原理可行，结构可靠。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种次级永磁型横向磁通直线电机，其特征是：包括初级和次级两部分，初级部分是由若干个结构相同的初级单元构成，初级单元包括初级铁芯和电枢绕组，每个初级铁芯中有多个凸极铁芯作为初级齿部，其中，初级齿部可以呈V型，也可以呈带极靴的凸极结构，电枢绕组缠绕在初级齿上；次级部分由若干个次级铁芯、永磁体和固定轴组成，每个次级铁芯均有轭部和齿部，次级铁芯的齿部应对应初级铁芯的齿部；其中，初级齿部呈V型时，次级铁芯齿部为斜角结构，初级齿部呈带极靴的凸极结构时，次级铁芯齿部为带单侧极靴结构；永磁体始终内嵌于次级铁芯中，只需保证同一个次级铁芯中相邻的永磁体互相接近的那面磁极相同，且在电机运动方向上相邻次级导磁部件中的永磁体充磁方向一致；永磁体可以分块嵌于次级铁芯轭部，还可以沿轴向组合成整体贯穿整个次级部分；相邻次级铁芯按照不同方向交替排列固定在非导磁材料制成的固定轴上；初级和次级导磁材料可由铁芯硅钢片叠压而成。

2.如权利要求1所述的一种次级永磁型横向磁通直线电机，其特征是：所述初级齿部呈带单侧极靴的凸极结构时，次级铁芯齿部对应初级齿的全部面积，两者之间形成弧形气隙。

3.如权利要求1所述的一种次级永磁型横向磁通直线电机，其特征是：所述初级齿部呈V型时，次级铁芯齿部为斜角结构，相邻次级铁芯只对应初级齿的一半面积，两者之间形成斜气隙；在这种情况下，次级铁芯齿部在运动方向上无重合部分。

4.如权利要求1所述的一种次级永磁型横向磁通直线电机，其特征是：所述初级单元中初级齿的个数、次级导磁部件中齿的个数与电机的极数相同，都为N（N=1,2,3,4,5……）。

5.如权利要求1所述的一种次级永磁型横向磁通直线电机，其特征是：所述次级永磁体沿轴向组合为整体贯穿次级结构时，次级永磁体的个数与电机极数N相同，每块永磁体的长度与次级结构的长度相等；若次级永磁体分块内置在各次级导磁部件轭部时，次级永磁体的个数为K×N，K为固定轴上次级导磁部件的数量，每块永磁体的长度与次级导磁部件的厚度相等。

6.如权利要求1所述的一种次级永磁型横向磁通直线电机，其特征是：所述电机中每相绕组不仅可以直接缠绕在初级磁极上，还可以通过初级铁芯槽形成回环结构。

7.如权利要求1所述的一种次级永磁型横向磁通直线电机，其特征是：所述初级导磁部件与次级导磁部件的齿部之间存在气隙，可以将其构造成不规则结构，如斜气隙或弧形气隙等。

8.如权利要求1所述的一种次级永磁型横向磁通直线电机，其特征是：所述次级导磁部件间距

与次级导磁部件厚度

的关系式

。

9.如权利要求1所述的一种次级永磁型横向磁通直线电机，其特征是：所述电机可以作为电动机也能作为发电机。