CN115833523A

CN115833523A - 一种双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机

Info

Publication number: CN115833523A
Application number: CN202211577107.3A
Authority: CN
Inventors: 付东山; 吴康伊; 王祥瑞; 司洪宇; 徐荣姬; 伍小杰; 罗胜
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

本发明公开了一种双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机，包括初级机构和次级机构，初级机构包括多个结构相同的初级单元，每个初级单元包括导磁部件、电枢绕组和永磁体，其中，N个导磁部件和N个永磁体组成N个磁极和导磁轭部，电枢绕组缠绕在磁极上；所述次级机构包括导磁部件、永磁体和固定轴，永磁体可分块嵌入各次级导磁部件轭部，也可以将轴向上的永磁体组合成一个整体，使其贯穿于每个次级导磁部件中，在运动方向上相邻次级单元中的永磁体充磁方向相同。本发明可以实现电机的双边永磁体励磁，还保持了横向磁通直线电机各相隔离解耦、电磁相互独立的优点，使电机具有效率高、转矩密度高、永磁体利用率高、设计灵活等优点。

Description

一种双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机

技术领域

本发明涉及一种双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机。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，横向磁通直线电机可以分为次级永磁型和初级永磁型，进一步还可以细分为表贴式、聚磁式。传统的次级永磁型直线电机由于研究历史最久，影响和应用更为广泛，现阶段的应用技术也更为成熟，多用于长行程大气隙工况中。然而，传统的直线电机中永磁体沿着运动方向交替充磁，存在相邻永磁体间漏磁的问题，使永磁体在空间分布上受到限制，导致永磁体利用率低。初级永磁型横向磁通直线电机均具有结构简单、制造方便的优势，在长行程应用场合中能够大幅降低制造成本，但由于仅有单边永磁体励磁，其功率密度及力密度仍有提高空间。

近些年出现的初级永磁型横向磁通直线电机兼具横向磁通和磁通切换的结构特点，具有各项隔离解耦，电磁相互独立，次级侧结构简单等优良特性；但与绕组交链的永磁磁通少，推力密度不高，且气隙面积小，气隙磁阻大；此外，其用铜量难以减少，制造成本居高不下，因此其结构还有较大的改进空间。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机，本电机将次级永磁型直线电机与初级永磁型直线电机结合起来，实现双边永磁体励磁，增大了力密度和功率密度；次级永磁体沿着周向嵌入同一个次级导磁部件的轭部，而在运动方向上相邻次级铁芯中永磁体的充磁方向相同，可减小漏磁、提高永磁体的利用率；呈中心对称的气隙布局可以消除电机运动时的切向转矩，同时保持了横向磁通直线电机各相隔离解耦、电磁相互独立的优点，电机具有效率高、推力密度高、设计灵活、控制方便、低速特性优良等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机，包括初级机构和次级机构。所述初级机构包括若干个结构相同的初级单元，每个初级单元包括初级导磁部件、电枢绕组和永磁体，其中，一个初级导磁部件的一个齿通过一个永磁体和另一个初级导磁部件的一个齿共同形成一个磁极，电枢绕组缠绕于该磁极上；所述次级机构包括若干个次级导磁部件、固定轴和永磁体，导磁部件均有轭部和齿部，相邻两个次级导磁部件的相应齿部分别对应初级磁极两边的导磁部件的齿部，次级导磁部件在非导磁材料制成的固定轴上依次排列固定；而永磁体可分块嵌入各次级导磁部件轭部，也可以将轴向上的永磁体组合成一个整体，使其贯穿于每个次级导磁部件中。无论采用何种方法，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。

所述初级单元中磁极和初级导磁部件的个数、次级导磁部件中齿的个数与电机的极数相等，都为N（N=1,2,3,4,5……）。

所述初级导磁部件与次级导磁部件的齿部之间存在气隙，可以将气隙构造成不规则结构，如斜气隙或弧形气隙等。

所述励磁结构为双边永磁体励磁形式，初级永磁体位于初级单元的每两个分块铁芯齿部之间，且相邻永磁体互相接近的那面磁极相同。

所述次级永磁体可以整块贯穿于次级结构中，此时需要N块次级永磁体，每块永磁体的长度与整个次级结构长度相等。

所述次级永磁体还可以分块嵌入次级导磁部件的轭部，此时需要K×N块永磁体，K为次级导磁部件的个数，K取正整数，每块永磁体长度与次级导磁部件厚度相同。

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：初、次级永磁体产生的磁场在电机磁路中相互叠加，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——次级齿部分别与初级单元中初级两边的导磁齿对齐，从而使通过初级磁极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，给绕组施加变化电流时就会产生推力。通过合理安排初级单元间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气隙结构，增大气隙面积，使得电机等效永磁绕组和电枢绕组的互感增强；同时由于气隙呈中心对称分布，可以抵消不必要的切向转矩，降低电机的固定难度并延长电机的使用寿命；

（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）电机采用双边永磁体励磁结构，次级部件间漏磁少，力密度、功率密度高；

（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结构示意图。

图1（b）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采用回环绕组的结构示意图。

图2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端部视图结构示意图以及初、次级永磁体的充磁方向示意图。

图3（a）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初级单元结构示意图。

图3（b）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单元结构示意图。

图4（a）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结构俯视示意图。

图4（b）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结构侧视示意图。

图5（a）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中次级永磁体分块分布的示意图。

图5（b）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中次级永磁体贯穿次级机构的示意图。

图6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次级导磁部件4和次级导磁部件5分别与初级单元对齐时的磁通流向示意图。

图7是本发明采用不同气隙结构的比较示意图，图7(a)为传统气隙，图7(b)为斜气隙，图7(c)为弧形气隙；

图8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整体结构示意图；

其中，1、初级导磁材料，2、初级永磁体，3、初级线圈绕组，4、次级导磁部件，5、次级导磁部件，6、次级永磁体，7、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，极数为4，次级导磁部件共有6块，同时初级导磁部件与次级导磁部件的齿部之间存在的气隙构造成斜气隙。

如图1（a）所示为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切换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，每个初级单元包括初级导磁部件、电枢绕组和永磁体，其中，一个初级导磁部件的一个齿通过一个永磁体和另一个初级导磁部件的一个齿共同形成一个磁极，电枢绕组缠绕于该磁极上；此外，电枢绕组还可如图1（b）所示在初级铁芯槽中形成回环结构；次级部分包括若干个次级导磁部件、固定轴和永磁体，次级导磁部件均有轭部和齿部，相邻两个次级导磁部件的相应齿部分别对应初级磁极两边的导磁部件的齿部，次级导磁部件在非导磁材料制成的固定轴上依次排列固定，4块次级永磁体沿着周向置于次级导磁部件轭部同时沿轴向贯穿于次级结构中。其中初级和次级导磁材料由铁芯硅钢片叠压而成。

每个初级单元包括导磁结构1和永磁体2和线圈绕组3；次级部分由安装方式不同的次级导磁部件4、5和永磁体6和固定轴7，有4块次级永磁体贯穿于次级结构中，次级导磁块4和导磁块5均有四个齿，两种导磁块上的齿交错排列，分别对应初级磁极上两边的初级导磁齿。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导磁材料个数不限于此，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。

图2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切换直线电机的端部视图结构示意图以及初、次级永磁体的充磁方向示意图。该电机斜气隙两边对应的初级永磁体与次级永磁体的充磁方向相反，保证电机内部磁通流向一致；同时初、次级永磁体的充磁方向可如图所示，也可以反向充磁，只需使得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。此外，初级导磁部件与次级导磁部件之间存在4个沿周向均匀分布的斜气隙，可以看出，气隙A与气隙C之间平行且呈中心对称，气隙B与气隙D之间也平行且呈中心对称分布。当电机初级单元与次级单元相互作用时这两对气隙间的力经过圆心且方向相反，可消除电机运行时的切向转矩，降低电机的固定难度并延长电机的使用寿命。

图3（a）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切换直线电机初级单元结构示意图。如图所示，4块初级导磁铁芯1与4块永磁体2沿着周向交错排列形成四个初级磁极，每个磁极由两个导磁铁芯的一个齿和一个永磁体组成；另外，电枢绕组3缠绕在上述各初级磁极上。

图3（b）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切换直线电机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切换直线电机的次级结构示意图，其中图4（a）、（b）分别为次级结构俯视图与侧视图。次级结构包括导磁部件4、导磁部件5、次级永磁体6和固定轴7，导磁部件4、5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。

图5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5（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5（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6所示从左到右依次为次级导磁部件4与初级单元对齐时的磁通流向示意图和次级导磁部件5与初级单元对齐时的磁通流向示意图。从图6可以看出，次级运动时，从导磁部件4与初级单元对齐到导磁部件5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。此外，次级永磁体充磁方向始终与电机内部磁通流向一致，有利于提高力密度并减小漏磁。

图7为电机初级导磁部件齿部与对应次级部件导磁齿部间气隙结构的示意图。图7（a）为传统气隙结构，图7（b）、（c）为不规则气隙结构；其中图7（b）为斜气隙结构，图7（c）为弧形气隙结构。采用不规则的气隙结构能够增大气隙面积，具有减小气隙磁阻、减小漏磁的作用。

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

1.一种双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机，其特征是：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，每个初级单元包括初级导磁部件、电枢绕组和永磁体，其中，一个初级导磁部件的一个齿通过一个永磁体和另一个初级导磁部件的一个齿共同形成一个磁极，电枢绕组缠绕于该磁极上；次级部分包括若干个次级导磁部件、固定轴和永磁体，导磁部件均有轭部和齿部，相邻两个次级导磁部件的相应齿部分别对应初级磁极两边的导磁部件的齿部，次级导磁部件在非导磁材料制成的固定轴上依次排列固定，而永磁体可分块嵌入各次级导磁部件轭部，也可以将轴向上的永磁体组合成一个整体，使其贯穿于每个次级导磁部件中；无论采用何种方法，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；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所述的一种双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机，其特征是：所述初级单元中磁极和初级导磁部件的个数、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……）。

3.如权利要求1所述的一种双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机，其特征是：所述次级永磁体可以沿轴向组合成整体贯穿在次级机构中，次级永磁体的个数也与电机极数N相同，每块永磁体的长度与整个次级结构长度相等；次级永磁体也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厚度相等。

4.如权利要求1所述的一种双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机，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的气隙可以构造成不规则结构，如斜气隙或弧形气隙等。

5.如权利要求1所述的一种双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机，其特征是: 所述的初级导磁部件与次级导磁部件齿部之间存在气隙，它们两两呈中心对称分布。

6.如权利要求1所述的一种双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机，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所述的一种双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机，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

。

8.如权利要求1所述的一种双边永磁体励磁横向磁通切换直线电机，其特征是: 所述直线电机既能作为发电机也能作为电动机。