次级无轭部双边磁通切换永磁直线电机

摘要

一种次级无轭部双边磁通切换永磁直线电机，结构见附图。此电机包括双边初级和次级，初级与次级之间具有气隙。单边初级包括m块永磁体和m+1块U型导磁齿，或2m块永磁体和2m-1块U型导磁齿，m为电机的相数。相邻两U型齿中心线距离为初级极距τ

说明书

技术领域

本发明涉及一种次级无轭部双边磁通切换永磁直线电机，属于电机制造技术领域。

背景技术

随着工业的发展，直线电机得到广泛的应用。与传统的旋转电机驱动方式相比，采用直 线电机驱动省去了把旋转运动转换为直线运动的机械齿轮，可以降低成本，较小噪声，降低 系统体积，减低维护成本。在如轨道交通、高层楼宇电梯、工厂运输等长距离驱动场合，采 用旋转电机驱动方式会带来驱动结构复杂、成本高、动态响应慢等缺点。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上述应用场合中的上述缺点，提高整个 系统的效率。

我国是稀土永磁大国，随着电力电子和磁性材料的发展，永磁无刷电机得到迅速的发展。 此类电机具有高效率、高功率密度等优点。其相应的直线结构也被广泛研究。传统的永磁直 线同步电机兼有永磁电机和直线电机的双重优点。与直线感应电机相比，永磁直线同步电机 的推力密度高、体积小、重量轻，且具有发电制动功能。然而，由于传统的永磁电机的永磁 体和电枢绕组分别安装在初级和次级，而永磁体和电枢的成本都较高，在如轨道交通、高层 楼宇电梯、工厂运输等长距离中无疑导致系统的制造成本和维护成本大幅增加。

磁通切换型初级永磁电机次级结构简单，仅由导磁铁心组成，在上述长距离驱动中不仅 具有永磁直线电机功率密度高，效率高，功率因数高等优点，而且具有直线感应电机和开关 磁阻直线电机结构简单，成本低，易于维护等优点。但传统的单边或双边磁通切换直线电机 次级轭部铁心所占的比重较大，带来材料的浪费和成本提高。

为进一步提高磁通切换电机的功率密度和降低次级的成本，本发明提出一种次级无轭部 双边磁通切换永磁直线电机。本发明提高了电机的输出功率，降低了次级的成本和重量，既 可为长距离驱动场合提供一种功率密度高，成本低的解决方案，又可为以次级作为运动部件 的驱动方式提供一种功率密度高，带载能力强的驱动方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可降低制造成本，提高电机功率密度和带负载能力，降低维 护成本的次级无轭部双边磁通切换永磁直线电机。

为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：

本发明的次级无轭部双边磁通切换永磁直线电机包括双边初级和次级，两者之间具有气 隙。次级由导磁块组成，相邻导磁块之间的距离为次级极距τs，次级相邻导磁块间隔排列或 采用连接桥相连；单边初级包括m块永磁体和m+1块U型导磁齿，或2m块永磁体和2m-1 块U型导磁齿，m为电机的相数；每块永磁体夹在两个U型导磁齿之间，相邻两永磁体的充 磁方向相反，集中绕组设置于U型导磁齿的槽中且套住永磁体；相邻相绕组的相对位移为 λ1=(j±1／m)τs或λ1=[j±(0.5-1／m)]τs，m，j均为正整数，相邻两U型齿中心线距离为初级极距 τp；双边初级与次级的相对位置相同，且其对应的永磁体充磁方向相反，其对应的电枢绕组 绕线方向和电流方向相同。

当上述单边初级包括m块永磁体和m+1块U型导磁齿时，每个永磁体和两边的U型导 磁齿均套着一个集中电枢绕组，每个U型导磁齿的槽中设置两相绕组；当单边初级包括2m 块永磁体和2m-1块U型导磁齿时，永磁体和两边的U型导磁齿间隔套着一个集中绕组，每 个U型导磁齿的槽中仅设置一相绕组；双边初级中属于同相的集中绕组相互串联或并联组成 一相。

上述次级由导磁块组成或由导磁块和连接桥组成，次级可用非导磁材料填充紧固(如压 铸铝等)，本发明的主要特点是次级导磁块为双边初级永磁体组成串联磁路提供了通道，从而 构成了一种新型无次级轭部双边串联磁路磁通切换直线电机。由于次级上既无永磁体也无绕 组，仅仅由价格较低的导磁块组成，使得本发明特别适用于如轨道交通、高层楼房电梯等长 定子应用场合，可以大大降低系统的成本。同时由于动子仅由导磁块组成，导磁块之间无轭 部，其重量轻，在短距离弹射系统可以提高系统的功率密度和带负载能力。

上述单边初级中相邻两永磁体交替平行充磁，双边两初级与次级的相对位置相同，且其 对应的永磁体充磁方向相反。因此，双边初级对应的永磁体通过初级U型导磁齿，气隙，次 级导磁块组成串联磁路，永磁体的高度和充磁方向厚度可根据需要调整。

上述次级无轭部双边磁通切换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，其结构为双边平板结构或圆筒型结构，可为电动机或发电机。

上述次级无轭部双边磁通切换永磁直线电机模组，包括x个所述无轭部双边磁通切换型 永磁直线电机，x为正整数，x个次级无轭部双边磁通切换永磁直线电机串联构成一个整体或 分开单独控制。从而增加了系统的容错能力。

本发明电机的永磁体和电枢绕组均放置在初级上，次级结构简单，无绕组、无电刷、无 永磁体，仅为导磁块，导磁块之间可以间隔开，也可以采用连接桥相连。永磁体置于初级， 易于散热，可靠性高。与传统的磁通切换直线电机相比，本发明次级仅由导磁块组成，相邻 导磁块之间不需要导磁轭部，其结构更简单，不仅大大降低次级的成本和重量，而且具有更 高的功率密度。从磁路结构上来说，本发明是一种新型无次级轭部双边串联磁路磁通切换直 线电机。初级次级均可采用模块化设计，模块化结构有利于生产和安装，特别适用于长定子 应用场合，可以大大降低系统成本。

当次级作为短动子时，由于其结构简单，无永磁体、无电刷、重量轻，在短距离弹射驱 动系统中不仅可以提高弹射系统的功率密度，而且可以提高弹射系统的带负载能力和系统的 可靠性。

因此，本发明具有广泛的应用前景。

附图说明

图1本发明实施例1电机结构示意图

图2实施例1电机A相绕组磁链达到最小位置局部模块磁力线分布图

图3实施例1电机A相绕组磁链达到最大位置局部模块磁力线分布图

图4本发明实施例2电机结构示意图；

图5本发明实施例3电机结构示意图；

图6本发明实施例4电机结构示意图；

具体实施方式：

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体 实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1：

如图1所示，本发明包括双边初级11、次级10和集中绕组113，所述初级11和次级10 之间具有气隙。单边初级11包括m块永磁体112和m+1块U型导磁齿111，m=3为电机的 相数；每块永磁体112夹在两个U型导磁齿111之间，集中绕组113设置于U型导磁齿的槽 中且套住永磁体112，相邻相集中绕组113的相对位移为λ1=(j±1／m)τs或λ1=[j±(0.5-1／m)]τs， m，j均为正整数。本实施例中λ1=(j+(0.5-1／m)]τs，m=3，j＝1；τs为次级10极距，初级11的 极距为τp；

本实施例中，次级10中相邻导磁块100之间采用连接桥101相连，本实施例中初级为短 动子，次级为长定子，图1仅给出部分次级结构。

本实施例中，单边初级有三相集中绕组(即图1中A1，B1，C1或A11，B11，C11)，属 于同相绕组串联或并联组成一相绕组，中间U型齿的槽中放置两相绕组。

本实施例中，单边初级11中相邻两永磁体112交替平行充磁，双边两初级11与次级10 的相对位置相同，且其对应的永磁体充磁方向相反，永磁体充磁方向如附图中箭头所示，其 对应的绕组绕线方式相同，绕组中的电流相位相同。由图1可知，双边初级中属于同相两个 永磁体通过U型齿111，气隙，次级10导磁块100组成串联磁路(即图中A1和A11绕组所 在的两个永磁体通过U型齿111，气隙，次级10导磁块100组成串联磁路)，且满足磁通切 换工作原理。

为了说明本发明电机的工作原理，图2和图3给出了本发明一个模块在不同位置时的磁 力线分布。当初级11动子以一定速度运动到图2所示位置时，双边初级两永磁体通过次级导 磁块提供的路径组成串联磁路，其主磁通路径如图中箭头所示，此时A相绕组中匝链的磁链 近似为零，A相绕组中的反电势幅值达到正最大值。当初级11动子继续以一定速度运动τs／4 距离，即图3所示位置时，双边初级两永磁体通过次级导磁块提供的路径组成串联磁路，其 主磁通路径如图中箭头所示，此时A相绕组中匝链的磁链近似为正的最大值，A相绕组中 的反电势幅值降为零；当初级11动子继续以一定速度运动τs／4距离，A相绕组中匝链的磁链 近似减小到零，则此时A相绕组中的反电势幅值为负的最大值；当初级11动子继续以一定 速度运动τs／4距离，A相绕组中匝链的磁链近似降为负的最大值，则此时A相绕组中的反电 势幅值又达到正的最大值，此时初级动子运动运动一个电气周期360°(即移动τs距离)，其 磁链和反电势的变化波形近似为正弦波。

本发明的结构有如下特点：第一，次级10所受到双边初级11的法向吸力相互抵消，从 而减小系统的摩擦损耗。第二，双边同相两个永磁体113通过初级U型齿111，气隙，次级 10导磁块100组成串联磁路，省去次级11轭部材料，从而大大降低了次级10的成本和重量， 提高了该电机系统的功率密度和带负载能力。

实施例2：

图4为由两个实施例1电机所组成的电机模组。本实施例中单边初级中每相绕组由两个 集中绕A1和A2串联或并联组成。集中绕A1和A2所在的两永磁体相对次级的位置λ2= (0.5+3)τs，因此二者之间的电磁特性具有互补特性，当集中绕A1和A2串联组成A相绕组时， A相绕组反电势幅值为集中绕A1和A2基波幅值的两倍，并且当集中绕A1和A2中的高次 谐波相互抵消，因此可以提高A相绕组反电势的正弦性。同时，本实施例电机的定位力也被 削弱。双边初级11属于同相的绕组可以串联或并联组成一相绕组。

实施例3：

图5为由两个实施例2电机所组成的电机模组。本实施例中单边初级11中每相绕组由两 组集中绕组，即A1+A2和A3+A4串联或并联组成。集中绕A1和A3与次级的相对位置相同， 集中绕A2和A4与次级的相对位置也相同。集中绕A1或A3与集中绕组集中绕A2或A4相 对次级的位置λ2=(0.5+3)τs，因此两组集中绕组113之间存在互补特性。因此，本发明中两 个实施例2电机可以串联组成一个新的电机模组，也可并联运行控制。本实施例与实施例1 和2的不同之处在于，本实施例所述的电机双边初级11作为固定部件，短次级10作为运动 部件。本发明在电磁弹射和短距离运输系统中，可以提高驱动系统的带负载能力和功率密度。

实施例4：

如图6所示，本发明与实施例1的不同之处在于，单边初级11包括2m块永磁体112和 2m-1块U型导磁齿111，m=3为电机的相数。本发明与实施例2的不同之处在于集中绕组的 个数和连接方式。在本实施例中，单边初级11模块中每相仅有1个集中绕组113，永磁体112 和两边的U型导磁齿111间隔套着一个集中电枢绕组113，每个U型导磁齿的槽中仅设置一 相绕组。本发明的结构有如下特点：初级模块中不同相集中绕组之间互感小，因此该电机的 容错能力强。由多个本实施例电机，按照实施例2和实施例3的方法也可以得多个新的电机 模组，本发明不再详述。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了 解，本发明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发明的原理， 在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落 入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。