CN210041616U - 一种次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机，包括初级和次级，其导磁齿上交替设置集中电枢绕组和永磁体，其中电枢绕组缠绕在导磁齿上，永磁体表贴于齿尖，沿导磁齿中线方向充磁，相邻的两个永磁体充磁方向相反；初级导磁齿上设有2*m*k*n个集中电枢绕组和2*m*k*n+1个永磁体；所述次级设有分段导磁块，次级与初级极距之比等于或约等于4*m*k/(2*m*k±1)。本实用新型电机有无刷、次级结构简单、每相反电势对称且近似正弦、推力密度高、推力脉动小、永磁体用量少、效率高等特点，可用于城市轨道交通驱动系统、垂直提升系统、电磁弹射系统等高功率要求领域；也适用于海浪发电等场合。

Description

一种次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机

技术领域

本实用新型涉及的是一种初级永磁直线电机，具体涉及的是次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机，属于电机制造技术领域。

背景技术

随着现代工业的发展，各个领域对驱动电机的性能要求越来越高，直线电机受到了广泛关注。传统旋转电机驱动需要机械传动装置将旋转运动转换为直线运动，这种方式存在很多缺点，包括体积大、成本高、驱动复杂、动态响应慢、噪声大等。而采用直线电机驱动可以降低成本，减小系统体积，减小噪声，在轨道交通、高层楼宇电梯、工厂运输等场合展现出巨大的优势。因此，采用直线电机代替旋转电机这一技术手段，可以克服旋转电机在应用上的上述缺点，提高整个系统的效率，降低工程成本。

目前直线感应电机已经在广州和北京地铁线路中得到应用。直线感应电机结构简单，维护方便，系统成本低，在城市轨道交通驱动中发挥重要作用。但是，直线感应电机效率和功率因数低，调速性能不佳，控制复杂，性能仍然无法与直流电机相比。

直线永磁同步电机具有效率高、功率密度高等优点。但是，传统直线永磁同步电机的绕组和永磁体分别放置在电机的初级和次级，无论将电枢绕组还是永磁体沿长行程轨道铺设，都将极大地增加造价和维护成本，在轨道交通应用场合受到限制。

发明内容

所要解决的技术问题：

针对现有技术上存在的不足，本实用新型目的在于提供一种永磁体和电枢绕组均置于短初级，永磁体用量少，反电势近似正弦的磁路互补型初级永磁直线电机。

技术方案：

为了实现以上功能，本实用新型提供了一种次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机，包括初级11和次级10，所述初级11和次级10都为导磁材料且二者之间存在气隙，所述初级11上设有导磁齿110，导磁齿110上交替设置集中电枢绕组111和永磁体112，其特征在于，

所述初级11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*k*n+1，相邻两导磁齿110中心线距离为初级极距τ_p；所述导磁齿110上绕有2*m*k*n+1个永磁体112和2*m*k*n个集中电枢绕组111，设置永磁体112的导磁齿110称为永磁体导磁齿，设置集中电枢绕组111的导磁齿110称为电枢绕组导磁齿，所述次级10设有分段导磁块，相邻两分段导磁块中心线距离为次级极距τ_s，τ_s/τ_p＝4*m*k/(2*m*k±1)或τ_s/τ_p≈4*m*k/(2*m*k±1)；

所述永磁体112和集中电枢绕组111交替设置在初级导磁齿110上，电枢绕组缠绕在导磁齿110上，永磁体112表贴于齿尖，沿导磁齿中线方向充磁，相邻的两个永磁体112充磁方向相反；

其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中任意一相电枢绕组串联的集中电枢绕组111对数。

进一步地，每个电机单元中任意一相电枢绕组由k对集中电枢绕组111串联组成，从第一个集中电枢绕组111起有k个置于相邻的电枢绕组导磁齿上的集中电枢绕组111属于同一相，其后在电枢绕组导磁齿上依次交替设置属于相邻相的k个集中电枢绕组111，按照上述排列方式，属于同相的2k个集中电枢绕组111形成k对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两个集中电枢绕组111与次级10的相对位置相差半个次级极距，对应为180 度电气角度，二者具有互补特性。

作为一种优选，所述集中电枢绕组111为铜或超导材料。

作为一种优选，该电机还包括在初级11两端各增加一个附加导磁齿113。

作为一种优选，该电机所述初级11和次级10一个为固定部件，以所述初级11或次级 10为固定部件，另一个为运动部件，以初级11上边沿或次级10下边沿为轴垂直翻转，构成双边平板结构的电机。

作为一种优选，所述电机以次级10下边沿或初级11上边沿为轴线进行旋转，构成磁路互补圆筒型永磁直线电机。

作为一种优选，所述次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机是电动机或发电机。

有益效果：

本实用新型提供的次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机是电动机或发电机，本实用新型作为驱动电机用时，初级作为短动子，由于其结构简单，永磁体励磁、无电刷、重量轻，可以提高系统的功率密度和带负载能力。而且本实用新型电机反电势对称且正弦、控制方式简单，特别适合高功率驱动场合，例如城市轨道交通驱动直线电机等功率等级较高的应用场合；本实用新型还特别适合作为发电机使用，用于海浪发电等场合，该电机结构简单，次级仅由导磁块组成，重量轻，电枢绕组和永磁体均置于短初级，维护方便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：

图1本实用新型次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机实施例1电机结构示意图；

图2本实用新型次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机实施例2电机结构示意图；

图3本实用新型次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机实施例3电机结构示意图；

图4本实用新型次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机实施例4电机结构示意图；

图5本实用新型次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机实施例5电机结构示意图；

图6本实用新型次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机实施例5另一电机结构示意图；

图7本实用新型次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机实施例6电机结构示意图；

图8本实用新型次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机实施例7电机结构示意图。

其中，10-次级，11-初级，110-导磁齿，111-电枢绕组，112-永磁体，113-附加齿。

具体实施方式

本实用新型提供一种次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机，为使本实用新型的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

参见图1，本实用新型的次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机包括初级11和次级10，初级11和次级10都为导磁材料且二者之间存在气隙，初级11上设有导磁齿110，导磁齿110 上交替设置永磁体112和集中电枢绕组111。本实施例电机中，m＝3，k＝1，n＝1，其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中一相电枢绕组串联的集中电枢绕组对数。即，该电机为三相电机，具有A、B、C三相，包含有1个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组。所以初级11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*k*n+1＝13，导磁齿110设有永磁体112的个数为2*m*k*n+1＝7，设有集中电枢绕组111的个数为 2*m*k*n＝6；次级10与初级11极距之比为τ_s/τ_p＝4*m*k/(2*m*k±1)或τ_s/τ_p≈4*m*k/(2*m*k±1)，可取τ_s/τ_p＝12/5，12/7或τ_s/τ_p≈12/5，12/7，本实施例取τ_s/τ_p＝12/7。永磁体112和集中电枢绕组 111交替设置在初级导磁齿110上，电枢绕组缠绕在导磁齿110上，永磁体112表贴于齿尖，沿导磁齿中线方向充磁，相邻的两个永磁体112充磁方向相反。

本实用新型电机的每个电机单元中，永磁体112和集中电枢绕组111交替设置在初级导磁齿110上，永磁体112的个数为2*m*k*n+1，集中电枢绕组111的个数为2*m*k*n，任意一相电枢绕组所串联的集中电枢绕组111的对数为k，设置集中电枢绕组111的导磁齿110称为电枢绕组导磁齿，设置永磁体112的导磁齿110称为永磁体导磁齿；m相电枢绕组在空间上的排列方式具有以下特点，从第一个集中电枢绕组111起有k个置于相邻的电枢绕组导磁齿上的集中电枢绕组111属于同一相，其后在电枢绕组导磁齿上依次交替设置属于相邻相的k个集中电枢绕组111，按照上述排列方式，属于同相的2k个集中电枢绕组111形成k对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两个集中电枢绕组111与次级10的相对位置相差半个次级极距，对应为180度电气角度，串联组成一相绕组时，互补的集中电枢绕组中的反电势谐波相互抵消，相反电势比较正弦。

由于本实施例中k＝1，因此交替设置在初级导磁齿上110的集中电枢绕组111的个数为6，永磁体112的个数为7，其中属于不同相的电枢绕组A，B，C依次交替置于电枢绕组导磁齿 110上，属于同相的2个集中电枢绕组111形成1对互补集中电枢绕组，两个集中电枢绕组 111与次级10的相对位置相差半个次级极距，对应电磁特性在空间上相差180度电气角度。如图1中A相两集中电枢绕组A1和A2，此时，集中电枢绕组A1所在的初级11齿中心线正对着次级10模块中心线，而集中电枢绕组A2所在的初级11齿中心线正对着两次级10模块之间的中心线，二者与次级10的相对位置相差半个次级极距，二者在空间上相差180度电气角度。通过合理设置A1，A2绕线，使二者反电势相互叠加。因此，集中电枢绕组A1和A2 串联组成A相绕组的反电势基波值约为每个集中电枢绕组中反电势基波值的2倍。但是，当初级11移动一个电气周期360°(即，移动一个次级极距)过程中，A相集中电枢绕组A1和A2 与次级10相对位置存在磁路上的差异。如图1所示位置时，假定此时集中电枢绕组A1中的磁链近似为零，称为第一平衡位置，此时集中电枢绕组A2中的磁链也近似为零，由于集中电枢绕组A2与A1相对次级10的位置不同，相差半个次级极距，因此该位置称为第二平衡位置。在初级11向右移动一个电气周期过程中，A相集中电枢绕组A1中磁链幅值变化过程为：第一平衡位置——正最大幅值——第二平衡位置——负最大幅值——第一平衡位置；而 A相集中电枢绕组A2中磁链幅值变化过程为：第二平衡位置——正最大幅值——第一平衡位置——负最大幅值——第二平衡位置。因此，两部分电枢绕组中的磁链变化趋势对称互补。 A相集中电枢绕组A1和A2中产生的磁链都为双极性磁链(即，有正有负)，此特点与传统的双凸极永磁直线电机不同。A相集中电枢绕组A1和A2中产生的反电势波形也具有对称性，串联组成A相绕组后，其谐波分量相互抵消，得到的相反电势具有较好的正弦特性，从而减小了推力波动。

B，C两相同样具有A相的特点，三相之间相位互差120°电角度。

实施例2

图2也为一台次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机。本实施例中，k＝1，n＝2，m＝3，即，该电机为三相电机，包含有2个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组。所以，其初级11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*k*n+1＝25，导磁齿110设有集中电枢绕组111 的个数为2*m*k*n＝12，设有永磁体112的个数为2*m*k*n+1＝13；次级与初级极距之比为τ_s/τ_p＝4*m*k/(2*m*k±1)或τ_s/τ_p≈4*m*k/(2*m*k±1)，可取τ_s/τ_p＝12/5，12/7或τ_s/τ_p≈12/5，12/7，本实施例取τ_s/τ_p＝12/7。初级11中第一电机单元中，相邻两永磁体充磁方向相反，A相电枢绕组由两个集中电枢绕组A1，A2串联组成。集中电枢绕组A1和A2与次级10的相对位置互差半个次级极距，对应180度电气角度。因此，集中电枢绕组A1和A2具有互补特性，二者串联组成A相绕组时，其中所产生的反电势谐波含量相互抵消，相反电势较正弦。同样，第二电机单元中的永磁体112和集中电枢绕组A3和A4也具有第一电机单元的特性，因此，集中电枢绕组A3和A4之间也具有互补特性。当两电机单元中的集中电枢绕组A1，A2，A3 和A4串联组成A相绕组时，集中绕组中产生的反电势高次谐波相互抵消，A相绕组反电势基波幅值近似为集中绕组A1，A2，A3和A4基波幅值的四倍，具有较好的正弦特性。

实施例3

图3也为一台次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机。本实施例中，k＝2，n＝1，m＝3，即该电机为三相电机，包含有1个电机单元，每个电机单元中有k＝2对集中电枢绕组，所以初级11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*k*n+1＝25，导磁齿110设有集中电枢绕组111的个数为 2*m*k*n＝12，设有永磁体112的个数为2*m*k*n+1＝13；次级与初级极距之比为τ_s/τ_p＝4*m*k/(2*m*k±1)或τ_s/τ_p≈4*m*k/(2*m*k±1)，可取τ_s/τ_p＝24/11，24/13或τ_s/τ_p≈24/11，24/13，本实施例取τ_s/τ_p＝24/13。可见，本实施例电机的永磁体112和集中电枢绕组111交替设置在初级导磁齿110上，任意一相电枢绕组所串联的集中电枢绕组111的对数为k＝2，三相电枢绕组在空间上的排列方式具有以下特点，从第一个集中电枢绕组起，有k＝2个置于两相邻的电枢绕组导磁齿上集中电枢绕组属于同一相(如图3中集中电枢绕组A1，A1’属于A相)，其后在电枢绕组导磁齿上依次交替设置属于相邻相的k个集中电枢绕组，按照上述排列方式，三相集中电枢绕组的排列方式为：A1A1’-B1B1’-C1C1’-A2A2’-B2B2’-C2C2’。属于同相的2k＝4个集中电枢绕组形成k＝2对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两个集中电枢绕组(如集中电枢绕组A1与A2或A1’与A2’)与次级的相对位置相差半个次级极距，对应为180度电气角度，形成互补结构，串联组成一相绕组时，互补的集中电枢绕组中的反电势谐波相互抵消，相电势比较正弦。值得说明的是，由于集中电枢绕组A1和A1’， A2和A2’与次级10的相对位置较接近，集中绕组A1，A1’，A2和A2’串联组成A相绕组时，A相绕组反电势幅值稍小于集中绕组A1，A1’，A2和A2’基波幅值的四倍。

实施例4

图4为一台五相次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机。本实施例中，k＝1，n＝1，m＝5，即该电机为五相电机，包含有1个电机单元，每个电机单元中有k＝1对集中电枢绕组，所以初级11导磁齿110的个数为Ns＝4*m*k*n+1＝21，导磁齿110设有集中电枢绕组111的个数为2*m*k*n＝10，设有永磁体112的个数为2*m*k*n+1＝11；次级与初级极距之比为τ_s/τ_p＝4*m*k/(2*m*k±1)或τ_s/τ_p≈4*m*k/(2*m*k±1)，可取τ_s/τ_p＝20/9，20/11或τ_s/τ_p≈20/9，20/11，本实施例取τ_s/τ_p＝20/11。

本实施例五相电机中，每相绕组由两集中电枢绕组串联组成，如A相绕组由两集中电枢绕组A1和A2组成，此时，集中电枢绕组A1所在的初级齿中心线正对着次级模块中心线，而集中电枢绕组A2所在的初级齿中心线正对着两次级模块之间的中心线。因此，该电机同样具有本实用新型所提出的磁路互补特性，每相电枢绕组中所产生的反电势谐波分量被抵消，反电势正弦度好，推力脉动小。

实施例5

图5和图6都为一台三相双边次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机，本实施例图5 电机可由两个相同的实施例1电机翻转演化得到，翻转演化步骤如下：将一个实施例1电机以初级11上边沿为轴向上做垂直翻转，将两个电机的初级11轭部重合，减小或去除初级11 轭部，即得到一种初级无轭部次级双边永磁直线电机。上下初级11相对应的永磁体充磁方向一致，磁场经永磁体所在导磁齿110、气隙、次级导磁块及电枢绕组所在导磁齿110构成串联磁路。本实施例特点是初级11受到双边次级10的法向吸力相互抵消，从而减小系统的摩擦损耗；省去初级11轭部材料，降低系统成本，提高动态性能。本实施例图6电机也可由两个相同的实施例1电机翻转演化得到，翻转演化步骤如下：将一个实施例1电机以次级10下边沿为轴向下做垂直翻转，将两个电机的次级10合并，同时将上下初级11相对应的永磁体充磁方向相反，每一边的磁场经其永磁体所在导磁齿110、初级轭部、气隙、次级导磁块及其电枢绕组所在导磁齿110构成并联磁路，即得到一种双边次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机。此外，由多个本实施例电机，按照实施例2、3和4的方法也可以得到多个新的电机模组，本实用新型不再详述。

实施例6

图7也为一台三相磁路互补型初级永磁直线电机，本实施例与实施例1电机的不同之处仅在于，本实施例的初级11两边各增加一个附加齿113，因此本实施例电机同样具备本实用新型电机的特点。

实施例7

图8为一台三相磁路互补圆筒型永磁直线电机轴向截面示意图，本实施例由实施例1沿次级下边沿旋转一周演变而来。本实施例电机的封闭圆筒结构由于铁心闭合成圆周，因此不受边缘开断效应的影响。

本实用新型的磁路互补型初级永磁直线电机的初级和次级一个为固定部件，另一个为运动部件，其结构为单边平板结构，或构成双边平板结构，或构成圆筒型结构，可以运行在电动机或发电机状态。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机，包括初级(11)和次级(10)，所述初级(11)和次级(10)都为导磁材料且二者之间存在气隙，所述初级(11)上设有导磁齿(110)，导磁齿(110)上交替设置集中电枢绕组(111)和永磁体(112)，其特征在于，

所述初级(11)导磁齿(110)的个数为Ns＝4*m*k*n+1，相邻两导磁齿(110)中心线距离为初级极距τ_p；所述导磁齿(110)上设置有2*m*k*n+1个永磁体(112)和2*m*k*n个集中电枢绕组(111)，安放永磁体(112)的导磁齿(110)称为永磁体导磁齿，设置集中电枢绕组(111)的导磁齿(110)称为电枢绕组导磁齿，所述次级(10)设有分段导磁块，相邻两分段导磁块中心线距离为次级极距τ_s，τ_s/τ_p＝4*m*k/(2*m*k±1)或τ_s/τ_p≈4*m*k/(2*m*k±1)；

所述永磁体(112)和集中电枢绕组(111)交替设置在初级导磁齿(110)上，电枢绕组缠绕在导磁齿(110)上，永磁体(112)表贴于齿尖，沿导磁齿中线方向充磁，相邻的两个永磁体(112)充磁方向相反；

其中，m为电机的相数，n和k为正整数，n为电机单元数，k为每个电机单元中任意一相电枢绕组串联的集中电枢绕组(111)对数。

2.根据权利要求1所述的次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机，其特征在于，每个电机单元中任意一相电枢绕组由k对集中电枢绕组(111)串联组成，从第一个集中电枢绕组(111)起有k个置于相邻的电枢绕组导磁齿上的集中电枢绕组(111)属于同一相，其后在电枢绕组导磁齿上依次交替设置属于相邻相的k个集中电枢绕组(111)，按照上述排列方式，属于同相的2k个集中电枢绕组(111)形成k对互补集中电枢绕组，其中任意一对集中电枢绕组中的两个集中电枢绕组(111)与次级(10)的相对位置相差半个次级极距，对应为180度电气角度，二者具有互补特性。

3.根据权利要求1所述的次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机，其特征在于，该电机还包括在初级(11)两端各增加一个附加齿(113)。

4.根据权利要求1所述的次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机，其特征在于，以所述初级(11)或次级(10)为固定部件，另一个为运动部件，以初级(11)上边沿或次级(10)下边沿为轴垂直翻转，构成双边平板结构的电机。

5.根据权利要求1所述的次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机，其特征在于，所述次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机以次级(10)下边沿或初级(11)上边沿为轴线进行旋转，构成磁路互补圆筒型永磁直线电机。

6.根据权利要求1所述的次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机，其特征在于，所述集中电枢绕组(111)为铜或超导材料。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机，其特征在于，所述次级分段式磁路互补型初级永磁直线电机是电动机或发电机。

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