CN206992836U - 电枢组件及直线电机 - Google Patents

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宁蜀悦
汪云涛
郭俊美
余鑫晨
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Abstract

本实用新型涉及一种电枢组件及包括该电枢组件的直线电机，电枢组件包括柱形铁芯；设于铁芯的柱面上的第一组齿和第二组齿，第一组齿和第二组齿均包括沿铁芯的中心纵轴排成一排的多个齿，相邻的两个齿之间形成槽，且第一组齿和第二组齿相对位于铁芯的同一轴截面内；以及收容于槽内、并卷绕于齿上的多组多相绕组。本实用新型的电枢组件的绕组采用集中绕组，并在电枢组件的两侧形成两组独立的电枢。该双电枢结构结合集中绕组结构，可有效利用电机空间，降低了电机的平面面积，使得电机的端部小，电机的槽满率高，电机的铜耗低，电机的效率得以提升，且电机的制造工艺性好。

Description

电枢组件及直线电机
技术领域
本实用新型涉及电机领域，尤其涉及一种电枢组件及直线电机。
背景技术
现有技术中，单定子单动子平板式、有铁芯直线电机虽然较无铁芯的直线电机提高了效率，但电枢与磁钢间存在巨大的磁场吸力，加重了轴承的负担，将影响电机的动态响应，同时平板式直线电机在相同功率下尺寸较大，增加了安装难度。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术中平板式直线电机在相同功率下尺寸较大的缺陷，提供电枢组件及包括该电枢组件的直线电机。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种电枢组件，包括：
柱形铁芯；
设于所述铁芯的柱面上的第一组齿和第二组齿，所述第一组齿和所述第二组齿均包括沿所述铁芯的中心纵轴排成一排的多个齿，相邻的两个所述齿之间形成槽，且所述第一组齿和所述第二组齿相对位于所述铁芯的同一轴截面内；以及
收容于所述槽内、并卷绕于所述齿上的多组多相绕组。
优选地，在所述同一轴截面内，所述第一组齿与所述第二组齿相对所述中心纵轴对称。
优选地，每相绕组卷绕于一个所述齿上，且相邻的两相绕组之间间隔一个空置的齿；所述第一组齿或所述第二组齿中齿的数量Z与所述多相绕组的相数m满足(Z+1)/m为整数。
优选地，每个所述齿上卷绕一相绕组；所述第一组齿或所述第二组齿中所述齿的数量Z与所述多相绕组的相数m满足Z/m为整数。
优选地，在所述同一轴截面内，所述第一组齿上卷绕的多相绕组与所述第二组齿上卷绕的多相绕组相对所述中心纵轴对称。
优选地，所述齿在远离所述铁芯的端部设有齿靴。
本实用新型还提供了一种直线电机，包括上述任一项电枢组件。
优选地，所述直线电机还包括与所述电枢组件配置的磁钢组件；所述磁钢组件包括平行排布的两个导磁板、第一组磁钢和第二组磁钢，所述第一组磁钢和所述第二组磁钢分别设于两个所述导磁板彼此相对面向的两个表面上，所述第一组磁钢和所述第二组磁钢均包括磁极间隔排布的多个磁钢，所述第一组磁钢中的一个磁钢与所述第二组磁钢中的一个磁钢构成一对磁极子；所述电枢组件沿中心纵轴容纳于两个所述导磁板之间的空间内，且所述磁钢组件与所述电枢组件沿中心纵轴可相对移动。
优选地，所述电枢组件的第一组齿与邻近的所述第一组磁钢之间的磁性间隙的宽度与所述第二组齿与邻近的所述第二组磁钢之间的磁性间隙的宽度相等。
优选地，所述导磁板的长度L、所述磁极子的磁极总数N、以及所述磁钢的极距τ满足L≥Nτ；所述磁极总数N与所述电枢组件跨过所述磁极子的磁极数量P0之间满足N≥P0。
优选地，当每相绕组卷绕于一个所述齿上、且相邻的两相绕组之间间隔一个空置的齿时，所述导磁板的最小长度Lmin、所述电枢组件跨过所述磁极子的磁极数量P0、所述磁钢的极距τ、所述第一组齿或所述第二组齿的齿的数量Z以及齿距t之间满足Lmin＝P0τ＝(Z+1)t；所述Z、P0、多相绕组的相数m、每极每相齿数q之间满足Z+1＝P0qm。
优选地，当每个所述齿上卷绕一相绕组时，所述导磁板的最小长度Lmin、所述电枢组件跨过所述磁极子的数量P0、所述磁钢的极距τ、所述第一组齿或所述第二组齿的齿的数量Z以及齿距t之间满足Lmin＝P0τ＝Zt；所述Z、P0、多相绕组的相数m、每极每相齿数q之间满足Z＝P0qm。
实施本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型的电枢组件的绕组采用集中绕组，并在电枢组件的两侧形成两组独立的电枢。该双电枢结构结合集中绕组结构，可有效利用电机空间，降低了电机的平面面积，使得电机的端部小，电机的槽满率高，电机的铜耗低，电机的效率得以提升，且电机的制造工艺性好。
在本实施例的直线电机中，磁钢组件采双排磁钢面对面设计，保证极大部分磁力线可垂直进入绕组及其所在铁芯并产生有效力矩。且为形成磁极子对，两排磁钢沿Z轴面对面分布，每排磁钢按N极S极间隔排列，两排磁极中心对应，两排磁钢极性可同时相吸或也可同时相斥。由于电枢组件也相应采用两组齿的结构，可使得磁钢产生的吸力在电枢两侧方向相反，通过力的抵消减少了一部分合力，因此用于支撑动子与定子的直线轴承的受力得到改善，同时电枢组件两侧槽的力矩相互消弱，电机的运行更加平稳，同时附加力矩带来的损耗降低，电机效率提高，同时相较于无铁芯结构的电机电机的推力大大提高。另一方面，磁钢组件采用双排磁钢设计实现了在同样推力的基础上，电机平面尺寸较原来减少30％以上。相当于将原来的展平的电机折叠收起，改善了电机安装。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
图1是本实用新型第一实施例的电枢组件的结构示意图
图2是图1的轴截面示意图；
图3是本实用新型第二实施例的电枢组件的轴截面示意图；
图4是本实用新型第三实施例的电枢组件的结构示意图；
图5是两相并联的独立绕组的示意图；
图6是两相并联的星形绕组的示意图；
图7是两相并联的三角形绕组的示意图；
图8是两相串联的独立绕组的示意图；
图9是两相串联的星形绕组的示意图；
图10是两相串联的三角形绕组的示意图；
图11是依据本实用新型实施例的直线电机的结构示意图；
图12是图11中直线电机的轴截面示意图；
图13是图11中磁钢组件的轴截面示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
第一实施例
参见图1和图2，示出了依据本实用新型第一实施例的一种电枢组件10，该电枢组件10包括柱形铁芯11；设于铁芯11的柱面上的第一组齿12和第二组齿13，第一组齿12和第二组齿13分别包括沿铁芯11的中心纵轴111排成一排的多个齿121和131，相邻的两个齿之间形成槽122和132，且第一组齿12和第二组齿13相对位于铁芯11的同一轴截面内；以及收容于槽内、并卷绕于齿上的多组多相绕组14。
具体地，铁芯11为实心铁芯11，可以是方形柱体结构，中心纵轴111平行于每个柱面，并穿过方形截面中心。可采用0.2～0.5mm厚的硅钢片叠压形成该铁芯11，还可采用低碳钢或电工纯铁制成该铁芯11。
第一组齿12和第二组齿13可分别位于铁芯11的两个相对平行的柱面上，第一组齿12平行于第二组齿13，铁芯11与第一组齿12和第二组齿13一起构成“非”字形结构。第一组齿12与第二组齿13不仅在同一轴截面(轴截面指的是过中心纵轴111的截面)内，还可在该轴截面内相对中心纵轴111对称，因此第一组齿12与第二组齿13中齿的数量相等、形状相同、分布对称。
可采用与铁芯11相同的材料来制备第一组齿12和第二组齿13，还可以通过一体成型制备铁芯11与第一组齿12和第二组齿13，以形成一体结构。各齿在远离铁芯11的端部还设有齿靴1211和1311，该齿靴沿中心纵轴111的宽度大于其所在齿的其他部分沿中心纵轴111的宽度，采用齿靴设置使得槽122和132的槽口处缩小，可改善导磁分布，从而优化磁路结构。第一组齿12或第二组齿13中，各齿分别在围成槽122和132的表面上包覆有绝缘骨架123和133，方便绕组14卷绕。
图2中为描述齿的结构方便，未示出绕组14，因此能清楚地示出齿距t，齿距t指的是同一组齿中，相邻的两个齿的中心轴沿中心纵轴111的间距，即跨过一个槽122的间距。另外，图2还清楚地示出了副齿124，副齿124位于轴向端部处，副齿124不同于上述的齿，副齿124上不卷绕绕组14，仅为与相邻的齿形成槽方便以及方便形成完成的磁路。
第一组齿12或第二组齿13上，至少卷绕一组多相绕组，例如图1中的每组齿上卷绕了一组三相绕组，即一组U、V、W三相绕组，当然，也可以是至少一组两相绕组。在上述同一轴截面内，第一组齿12上卷绕的多相绕组与第二组齿13上卷绕的多相绕组相对中心纵轴111对称，该对称包括相位对称和数量对称。例如，仍参见图1，第一组齿12上的一组三相绕组从左至右依次是U、V、W绕组，第二组齿13上的一组三相绕组从左至右也依次是U、V、W绕组，一一对应。
本实施例中，每相绕组14卷绕于一个齿上，且相邻的两相绕组14之间间隔一个空置的齿，该空置的齿上未卷绕绕组14。若第一组齿12中齿的数量为Z，则Z与多相绕组的相数m满足(Z+1)/m为整数，若第二组齿13中齿的数量为Z，则Z与多相绕组14的相数m满足(Z+1)/m为整数。仍以图1为例，任一组齿中，Z＝5，m＝3，满足(5+1)/3为整数。通过设置每一组齿中齿的数量与绕组14相数之间的关系，可确保每组齿上卷绕完整相数的绕组14。
从以上可以看出，本实施例中的电枢组件10的绕组14采用集中绕组14，并在电枢组件10的两侧形成两组独立的电枢。该双电枢结构结合集中绕组14结构，可有效利用电机空间，降低了电机的平面面积，使得电机的端部小，电机的槽满率高，电机的铜耗低，电机的效率得以提升，且电机的制造工艺性好。
第二实施例
参见图3，示出了依据本实用新型第二实施例的一种电枢组件20的截面图，与第一实施例的电枢组件10的不同之处在于，第一组齿或第二组齿中的各齿221的端部不再设有齿靴部分，相对优化了绕组的线圈绕制工艺。图3中为描述齿的结构方便，未示出绕组，因此能清楚地示出齿距t，齿距t指的是同一组齿中，相邻的两个齿221的中心轴沿中心纵轴的间距，即跨过一个槽222的间距。另外，图3还清楚地示出了副齿223，副齿223位于轴向端部处，不同于齿221，副齿223上不卷绕绕组，仅为与相邻的齿221形成槽方便以及方便形成完成的磁路。
第三实施例
参见图4，示出了依据本实用新型第三实施例的一种电枢组件30的截面图，与第一实施例的电枢组件10的不同之处在于，铁芯31两侧的第一组齿32或第二组齿33中的每个齿321和331上分别卷绕一相绕组34，第一组齿32中齿的数量Z与多相绕组的相数m满足Z/m为整数，第二组齿33中齿的数量Z与多相绕组的相数m满足Z/m为整数。图4的任一组齿中，Z＝9，m＝3，满足9/3为整数。通过设置每一组齿中齿的数量与绕组相数之间的关系，可确保每组齿上卷绕完整相数的绕组。
多相绕组之间的电连接
第一组齿的一组多相绕组与第二组齿中对应(即对称)的一组多相绕组之间的电连接方式有多种，以形成不同形式的电机。以三相绕组为例，任一组齿中的一组U、V、W三相绕组，沿电枢一侧排布，相位差为120°。参见图5，第一组齿中的任一组U1、V1、W1三相绕组分别与第二组齿中对应的一组U2、V2、W2三相绕组并联，即U1与U2并联，V1与V2并联，W1与W2并联，以形成三相独立的三相绕组。其他三相绕组类似，其他相绕组(如二相绕组)也类似，不再一一赘述。另外，参见图6，图5中对应并联的绕组还可连接形成星形绕组；参见图7，图5中对应并联的绕组还可连接形成三角形绕组。
参见图8，第一组齿中的任一组U1、V1、W1三相绕组分别与第二组齿中对应的一组U2、V2、W2三相绕组串联，即U1与U2串联，V1与V2串联，W1与W2串联，以形成三相独立的三相绕组。其他三相绕组类似，其他相绕组(如二相绕组)也类似，不再一一赘述。另外，参见图9，图8中对应串联的绕组还可连接形成星形绕组；参见图10，图8中对应串联的绕组还可连接形成三角形绕组。
直线电机
依据本实用新型实施例的直线电机至少包括上述的任一种电枢组件，在此基础上，参见图11-13，直线电机1还可包括与电枢组件100配置的磁钢组件200，磁钢组件200包括平行排布的两个导磁板201和202、第一组磁钢204和第二组磁钢205，第一组磁钢204和第二组磁钢205分别设于两个导磁板201和202彼此相对面向的两个表面上，第一组磁钢204和第二组磁钢205均包括磁极间隔排布的多个磁钢，第一组磁钢204中的一个磁钢与第二组磁钢205中的一个磁钢构成一对磁极子；电枢组件100沿中心纵轴容纳于两个导磁板201和202之间的空间内，且磁钢组件200与电枢组件100沿中心纵轴可相对移动。
在本实施例的直线电机1中，磁钢组件200采双排磁钢面对面设计，保证极大部分磁力线可垂直进入绕组104及其所在铁芯101并产生有效力矩。且为形成磁极子对，两排磁钢沿Z轴面对面分布，每排磁钢按N极S极间隔排列，两排磁极中心对应，两排磁钢极性可同时相吸或也可同时相斥。由于电枢组件100也相应采用两组齿的结构，可使得磁钢产生的吸力在电枢两侧方向相反，通过力的抵消减少了一部分合力，因此用于支撑动子与定子的直线轴承的受力得到改善，同时电枢组件100两侧槽的力矩相互消弱，电机的运行更加平稳，同时附加力矩带来的损耗降低，电机效率提高，同时相较于无铁芯结构的电机电机的推力大大提高。另一方面，磁钢组件200采用双排磁钢设计实现了在同样推力的基础上，电机平面尺寸较原来减少30％以上。相当于将原来的展平的电机折叠收起，改善了电机安装。
具体地，两个导磁板201和202之间通过支撑板203连接和支撑以形成间隔空间206，该空间206用以容纳电枢组件100。面对面设置在两个导磁板201和202的两个表面上的第一组磁钢204和第二组磁钢205均包括沿电枢组件100的中心纵轴(即X轴)、磁极间隔排布的多个磁钢，多个磁钢的规格均相同，包括N极磁钢和S极磁钢，在一组磁钢中，相邻的两个磁钢的中心之间的间距为磁钢的极距τ。如第一组磁钢204，N极磁钢与S极磁钢依次间隔排布；如第二组磁钢205，S极磁钢与N极磁钢依次间隔排布。第一组磁钢204中的一个磁钢与第二组磁钢205中的一个磁钢构成一对磁极子，通常一个磁钢与其正向面对面的另一个磁钢构成一对磁极子。一对磁极子中磁钢的磁极分布有多种，可以是两个N极磁钢构成一对磁极子，也可以是两个S极磁钢构成一对磁极子，还可以是一个N极磁钢和一个S极磁钢构成一对磁极子。因此，一对磁极子中的两个磁钢可以是磁性方向一致，也可以是磁性方向相反。
电枢组件100还包括连接板105，铁芯101设于该连接板105的一侧上，铁芯101、两组齿、以及设于两组齿上的绕组104沿中心纵轴容纳于两个导磁板201和202之间的空间206内，即位于第一组磁钢204与第二组磁钢205之间的空间内。电枢组件100的第一组齿102与邻近的第一组磁钢204之间的磁性间隙的宽度与第二组齿103与邻近的第二组磁钢205之间的磁性间隙的宽度相等。由此，磁钢产生的吸力在电枢两侧大小相等且方向相反，因此合力为零，从而进一步改善了直线轴承的受力，促进了电枢组件100两侧槽的力矩相互消弱，使得电机的运行更加平稳，同时附加力矩带来的损耗降低，电机效率提高，同时相较于无铁芯结构的电机电机的推力大大提高。
磁钢组件200与电枢组件100可沿中心纵轴(即X轴)相对移动，例如若磁钢组件200固定，电枢组件100可随直线导轨滑块运动，此时磁钢组件200为定子，电枢组件100为动子；当直线导轨支撑系统允许时，还可将电枢组件100固定，磁钢组件200随滑块运动，此时电枢组件100为定子，磁钢组件200为动子。因此，可根据实际应用情况与需要选择合适的定子与动子安装方式。
在磁钢组件200与电枢组件100的配合方面，导磁板201和202的长度L、磁极子的磁极总数(也可称为磁极子的对数)N、以及磁钢的极距τ满足L≥Nτ，确保导磁板201和202能够完全容纳所有的磁极子。且，磁极总数N与电枢组件100跨过磁极子的磁极数量P0之间满足N≥P0。
在本实施的一具体实施方式中，当每相绕组卷绕于一个齿上、且相邻的两相绕组之间间隔一个空置的齿时，即第一实施例中的绕组排布方式，导磁板201或202的最小长度Lmin、电枢组件100跨过磁极子的磁极数量P0、磁钢的极距τ、第一组齿102或第二组齿103的齿的数量Z以及齿距t之间满足Lmin＝P0τ＝(Z+1)t；Z、P0、多相绕组的相数m、每极每相齿数q之间满足Z+1＝P0qm，m可以是2或3。
在本实施的另一具体实施方式中，当每个齿上卷绕一相绕组时，即第三实施例中的绕组排布方式，导磁板201或202的最小长度Lmin、电枢组件100跨过磁极子的数量P0、磁钢的极距τ、第一组齿102或第二组齿103的齿的数量Z以及齿距t之间满足Lmin＝P0τ＝Zt；Z、P0、多相绕组的相数m、每极每相齿数q之间满足Z＝P0qm。
可以理解的，以上实施例仅表达了本实用新型的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围；因此，凡跟本实用新型权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本实用新型权利要求的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种电枢组件，其特征在于，包括
柱形铁芯；
设于所述铁芯的柱面上的第一组齿和第二组齿，所述第一组齿和所述第二组齿均包括沿所述铁芯的中心纵轴排成一排的多个齿，相邻的两个所述齿之间形成槽，且所述第一组齿和所述第二组齿相对位于所述铁芯的同一轴截面内；以及
收容于所述槽内、并卷绕于所述齿上的多组多相绕组。
2.根据权利要求1所述的电枢组件，其特征在于，在所述同一轴截面内，所述第一组齿与所述第二组齿相对所述中心纵轴对称。
3.根据权利要求2所述的电枢组件，其特征在于，每相绕组卷绕于一个所述齿上，且相邻的两相绕组之间间隔一个空置的齿；所述第一组齿或所述第二组齿中齿的数量Z与所述多相绕组的相数m满足(Z+1)/m为整数。
4.根据权利要求2所述的电枢组件，其特征在于，每个所述齿上卷绕一相绕组；所述第一组齿或所述第二组齿中所述齿的数量Z与所述多相绕组的相数m满足Z/m为整数。
5.根据权利要求2所述的电枢组件，其特征在于，在所述同一轴截面内，所述第一组齿上卷绕的多相绕组与所述第二组齿上卷绕的多相绕组相对所述中心纵轴对称。
6.根据权利要求1所述的电枢组件，其特征在于，所述齿在远离所述铁芯的端部设有齿靴。
7.一种直线电机，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的电枢组件。
8.根据权利要求7所述的直线电机，其特征在于，所述直线电机还包括与所述电枢组件配置的磁钢组件；所述磁钢组件包括平行排布的两个导磁板、第一组磁钢和第二组磁钢，所述第一组磁钢和所述第二组磁钢分别设于两个所述导磁板彼此相对面向的两个表面上，所述第一组磁钢和所述第二组磁钢均包括磁极间隔排布的多个磁钢，所述第一组磁钢中的一个磁钢与所述第二组磁钢中的一个磁钢构成一对磁极子；所述电枢组件沿中心纵轴容纳于两个所述导磁板之间的空间内，且所述磁钢组件与所述电枢组件沿中心纵轴可相对移动。
9.根据权利要求8所述的直线电机，其特征在于，所述电枢组件的第一组齿与邻近的所述第一组磁钢之间的磁性间隙的宽度与所述第二组齿与邻近的所述第二组磁钢之间的磁性间隙的宽度相等。
10.根据权利要求8所述的直线电机，其特征在于，所述导磁板的长度L、所述磁极子的磁极总数N、以及所述磁钢的极距τ满足L≥Nτ；所述磁极总数N与所述电枢组件跨过所述磁极子的磁极数量P0之间满足N≥P0。
11.根据权利要求8所述的直线电机，其特征在于，
当每相绕组卷绕于一个所述齿上、且相邻的两相绕组之间间隔一个空置的齿时，所述导磁板的最小长度Lmin、所述电枢组件跨过所述磁极子的磁极数量P0、所述磁钢的极距τ、所述第一组齿或所述第二组齿的齿的数量Z以及齿距t之间满足Lmin＝P0τ＝(Z+1)t；所述Z、P0、多相绕组的相数m、每极每相齿数q之间满足Z+1＝P0qm。
12.根据权利要求8所述的直线电机，其特征在于，当每个所述齿上卷绕一相绕组时，所述导磁板的最小长度Lmin、所述电枢组件跨过所述磁极子的数量P0、所述磁钢的极距τ、所述第一组齿或所述第二组齿的齿的数量Z以及齿距t之间满足Lmin＝P0τ＝Zt；所述Z、P0、多相绕组的相数m、每极每相齿数q之间满足Z＝P0qm。
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Granted publication date: 20180209

Effective date of abandoning: 20231027

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