專利名稱：繞組互補(bǔ)磁路對(duì)稱結(jié)構(gòu)的初級(jí)永磁型直線電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、具有較強(qiáng)輸出推力和較高功率密度以及較小 推力波動(dòng)的長定子初級(jí)永磁直線電機(jī)，涉及電機(jī)制造的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電機(jī)是傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件，合理的選擇電機(jī)可以提高整個(gè)系統(tǒng)的性能，提高效 率。在直線應(yīng)用場(chǎng)合，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)都需要一定的機(jī)械傳動(dòng)部件將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線 運(yùn)動(dòng)。這樣帶來了許多問題，比如，系統(tǒng)體積龐大，重量增加，噪聲高，維護(hù)成本增加，而在軌 道交通應(yīng)用中，速度過高會(huì)出現(xiàn)輪軌滑動(dòng)等問題。因此，采用直線電機(jī)代替旋轉(zhuǎn)電機(jī)這一技 術(shù)手段，可以克服旋轉(zhuǎn)電機(jī)在此應(yīng)用場(chǎng)合中的上述缺點(diǎn)，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。我國是稀土永磁大國，隨著電力電子和磁性材料的發(fā)展，永磁無刷電機(jī)得到迅速 的發(fā)展。此類電機(jī)具有高效率、高功率密度的等優(yōu)點(diǎn)。其相應(yīng)的直線結(jié)構(gòu)也被廣泛研究。傳 統(tǒng)的永磁直線同步電機(jī)兼有永磁電機(jī)和直線電機(jī)的雙重優(yōu)點(diǎn)。與直線感應(yīng)電機(jī)相比，永磁 直線同步電機(jī)的力能指標(biāo)高、體積小、重量輕，且具有發(fā)電制動(dòng)功能。但是，它也存在著一些 缺點(diǎn)，在長定子應(yīng)用中，傳統(tǒng)的永磁電機(jī)的永磁體和電樞繞組分別安裝在初級(jí)和次級(jí)，由于 永磁體和電樞的成本都較高，在此應(yīng)用場(chǎng)合無疑導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加。目前，國際上研究比較 熱點(diǎn)的單極性磁鏈的雙凸極永磁電機(jī)具有較高的功率密度，其永磁體和電樞繞組均放置在 定子上。其直線結(jié)構(gòu)電機(jī)可以將永磁體和繞組均置于電機(jī)的初級(jí)，而長定子側(cè)的次級(jí)僅由 導(dǎo)磁性材料組成，因此在長定子應(yīng)用場(chǎng)合可以大大降低成本。但是，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式致使電 機(jī)磁路和繞組的不對(duì)稱，導(dǎo)致反電勢(shì)不是對(duì)稱的梯形波或方波，并因此造成電機(jī)的推力波 動(dòng)較大。本專利的目的就是針對(duì)該類直線電機(jī)磁路和繞組不對(duì)稱的缺點(diǎn)，提出一種新型結(jié) 構(gòu)的初級(jí)永磁直線電機(jī)。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實(shí)用新型的目的是提供了一種繞組互補(bǔ)磁路對(duì)稱結(jié)構(gòu)的初級(jí)永磁型 直線電機(jī)，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，磁路和繞組對(duì)稱。無需斜齒或斜槽的情況下，任一相的空載 反電動(dòng)勢(shì)為對(duì)稱的梯形波，電機(jī)具有較強(qiáng)的推力輸出能力和較大的功率密度，特別適合于 長定子結(jié)構(gòu)直線電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，例如城市軌道交通直線電機(jī)、工廠運(yùn)輸傳動(dòng)設(shè)備、高層樓房 電梯等直線驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，繞組互補(bǔ)磁路對(duì)稱結(jié)構(gòu)的初級(jí)永磁型直線電機(jī) 包括定子和動(dòng)子，定子為齒槽式鐵心構(gòu)成的平板或圓筒結(jié)構(gòu)。定子和動(dòng)子都為雙凸極結(jié)構(gòu)， 動(dòng)子由永磁體、集中繞組和鐵心組成；其中，任一相的集中繞組線圈均位于動(dòng)子鐵心槽中， 且屬于同相的集中繞組線圈按一定方式串聯(lián)連接。該電機(jī)包括定子，氣隙和動(dòng)子；動(dòng)子包括永磁體、集中繞組、附加齒，定子和動(dòng)子都 為雙凸極單邊或雙邊平板結(jié)構(gòu)，任何相的每個(gè)集中繞組線圈均位于動(dòng)子鐵心槽中；相鄰永 磁體組成串聯(lián)磁路永磁體的塊數(shù)為Npm = 2kXm+2，k為正整數(shù)，電機(jī)相數(shù)為m ^ 3，其中在
3動(dòng)子的兩個(gè)端部分別設(shè)有一塊永磁體為電機(jī)的附加永磁體；動(dòng)子套有繞組的齒數(shù)為Nmt = (Npm-2) (m+1)，動(dòng)子相鄰齒的中心距離為τρ，定子相鄰齒的中心距離為，則τ ρ/τ s = m/ (m士0. 5j)，j為奇數(shù)，m與j無除1以外的公約數(shù)且m_0. 5j > 0 ；非附加的每塊永磁體下對(duì) 應(yīng)的齒數(shù)為m+1，其中第一個(gè)齒和第m+1齒上的集中繞組屬于同一相，其余齒上的繞組依次 屬于其他相；電機(jī)相鄰永磁體的磁性相反，組成串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，電機(jī)兩端具有附加齒和附加 永磁體，附加每塊永磁體的齒數(shù)范圍在[(m+l)/2 (m+1)]之間，此電機(jī)可以為電動(dòng)機(jī)也可 以為發(fā)電機(jī)。所述定子為圓柱結(jié)構(gòu)，動(dòng)子為圓筒結(jié)構(gòu)，永磁體為圓環(huán)型筒狀永磁材料或N塊瓦 片永磁材料，組成圓筒型結(jié)構(gòu)形式的直線電機(jī)；采用徑向充磁，其定子槽和動(dòng)子槽被非導(dǎo)磁 材料填充，非導(dǎo)磁材料動(dòng)子和轉(zhuǎn)子接觸面為光滑無槽結(jié)構(gòu)。所述永磁體的放置方式還包括相鄰永磁體組成并聯(lián)磁路方式永磁體的塊數(shù)為 Npm = 2kXm+l，k為正整數(shù)，電機(jī)相數(shù)m彡3，動(dòng)子套有繞組的齒數(shù)為Nmt = (Npm-I) (m+1)，動(dòng) 子相鄰齒的中心距離為τ p，定子相鄰齒的中心距離為，則Tp/Ts = m/(m±0.5j)，j* 奇數(shù)，m與j無除1以外的公約數(shù)且m-0. 5j > 0 ；相鄰兩塊永磁體之間包含的齒數(shù)為m+1， 其中第一個(gè)齒和第m+1齒上的集中繞組屬于同一相，其余齒上的繞組依次屬于其他相；電 機(jī)相鄰永磁體的磁性相反，組成并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，電機(jī)兩端具有附加齒，每端附加齒數(shù)范圍在 [(m+1)/2 (m+1)]之間。該電機(jī)相數(shù)m彡3，第一相的2(m+l)套集中繞組的連接方式可表示為-411+412+. · · +41 (m+1)-[-41 (m+2) +· . · · +41 (2 (m+1))]，其他相繞組的繞法與第一相相同。永磁體為鐵氧體、釹鐵硼或其他類型的永磁材料，定子和動(dòng)子為硅鋼片或其他類 型的導(dǎo)磁材料。有益效果本實(shí)用新型的初級(jí)永磁直線電機(jī)，動(dòng)子每一相繞組兩兩對(duì)稱互補(bǔ)，保證 了本發(fā)明在采用集中繞組和直槽的條件下，就可獲得雙極性線性變化的磁鏈、高度對(duì)稱的 梯形波的反電動(dòng)勢(shì)等靜態(tài)特性，每相繞組的自感隨位置的波動(dòng)較小，各繞組之間的互感較 小，有利于降低推力波動(dòng)，控制方式與普通矩形波永磁同步直線電機(jī)相同，從而使本發(fā)明更 加方便的替代傳統(tǒng)的永磁直線電機(jī)。動(dòng)子或定子斜槽后反電勢(shì)正弦波，可以采用矢量控制 方式。同時(shí)，本實(shí)用新型的電機(jī)具有其他類型長定子初級(jí)永磁直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)電樞集 中繞組和永磁體都設(shè)于動(dòng)子上，而長定子(即次級(jí))僅為鐵質(zhì)或其他導(dǎo)磁材料，特別適合于 長定子運(yùn)行，可以大大降低制造成本，而且有利于改善該電機(jī)的冷卻條件；由于采用了集中 繞組方式，可以減小端部的長度，盡可能地減小電阻和銅耗，也保證了電機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，功 率密度較大，效率較高等；綜上，該電機(jī)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)導(dǎo)致其具有氣隙的磁通密度大、輸出推力較強(qiáng)、功率 密度較高、定位力較小、推力波動(dòng)小、電阻較小，效率較高、生產(chǎn)制作工藝簡單、大大減低長 定子應(yīng)用場(chǎng)合電機(jī)成本。

圖1為具體實(shí)施方式
一的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為具體實(shí)施方式
二的結(jié)構(gòu)示意圖，
4[0016]圖3為具體實(shí)施方式
三的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為具體實(shí)施方式
四的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了更好的分析說明本專利設(shè)計(jì)電機(jī)的原理，將以電機(jī)相數(shù)m = 3為例來說明具體實(shí)施方式
一圖1為一臺(tái)采用本發(fā)明技術(shù)設(shè)計(jì)的3相永磁體串聯(lián)平板型長定 子初級(jí)永磁直線電機(jī)的橫截面視圖，取m= 3，k= l，j = 1則永磁體的塊數(shù)為NPM = 2kXm+2 =8，動(dòng)子套有繞組的齒數(shù)為Nmt= (Npm-2) (m+1) =24，電機(jī)每端的附加齒數(shù)范圍在[2 4] 之間，附加齒上沒有繞組。τ ρ/ τ s = m/(m-0. 5j) = 6/5永磁體為平板結(jié)構(gòu)，采用平行充磁 方式。非附加的每個(gè)永磁體下對(duì)應(yīng)m+1 = 4個(gè)齒，其中第一齒和第4齒上的集中繞組屬于 同一相，，其余齒上的繞組依次屬于其他相。相鄰永磁體的充磁方向相反。本實(shí)用新型的電機(jī)主要由定子1，氣隙和動(dòng)子2組成，動(dòng)子2包括永磁體3，集中繞 組4，附加齒5。任何相的每個(gè)集中繞組線圈均位于動(dòng)子鐵心槽中，且每一相的集中繞組線 圈為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。A相第一集中繞組線圈411，A相第二集中繞組線圈412，A相第三集中繞組 線圈413，A相第四集中繞組線圈414，A相第五集中繞組線圈415，A相第六集中繞組線圈 416，A相第七集中繞組線圈417，A相第八集中繞組線圈418。A相集中繞組后面槽依次放 置B相和C相繞組。每相具有8個(gè)繞組，三相共有24個(gè)集中繞組，且A、B、C三相的8個(gè)繞 組在空間位置上是對(duì)稱分布的。以下將結(jié)合圖1詳細(xì)說明本實(shí)用新型如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達(dá)到 技術(shù)效果的實(shí)施過程，以電機(jī)A相繞組為例進(jìn)行說明。本實(shí)施例電機(jī)的動(dòng)子與動(dòng)子極距之 比為Tp/Ts = m/(m-0.5j) =6/5，如果初始位置時(shí)A相第一集中繞組線圈411對(duì)應(yīng)定子 槽中心，此時(shí)A相第二集中繞組線圈412正對(duì)著定子齒的中心，A相第一集中繞組線圈411 的磁鏈最小，A相第二集中繞組線圈412磁鏈最大，相位相差180°電角度。而A相第三集 中繞組線圈413，A相第五集中繞組線圈415，A相第七集中繞組線圈417相對(duì)于定子的位 置與A相第一集中繞組線圈411相同，A相第四集中繞組線圈414，A相第六集中繞組線圈 416，A相第八集中繞組線圈418相對(duì)于定子的位置與A相第二集中繞組線圈412相同。為 了使8個(gè)繞組反電勢(shì)兩兩對(duì)稱互補(bǔ)，8個(gè)繞組按照以下串聯(lián)方式組合如規(guī)定A相第二集中 繞組線圈412的繞線方向?yàn)檎?，那么A相第一集中繞組線圈411按照負(fù)方向繞線，此時(shí)A相 第二集中繞組線圈412的磁鏈與A相第一集中繞組線圈411磁鏈相位相差180°電角度，且 幅值相反。即可以表示為+412-411。由于A相第三集中繞組線圈413，A相第五集中繞組線圈 415，A相第六集中繞組線圈416，A相第八集中繞組線圈418繞組上的永磁體磁化方向與A 相第二集中繞組線圈412相反，為了達(dá)到最大的合成磁鏈其余6組線圈的繞法為+413+414， +415-416，-417-418。因此，A相8個(gè)繞組串聯(lián)組合方式可表示為+412_411+413+414+415 -416-417-418。此時(shí)A相的合成磁鏈為雙極性對(duì)稱線性磁鏈。其對(duì)應(yīng)的反電勢(shì)為對(duì)稱的梯 形波。其余兩相的集中繞組連接方式與A相相同。動(dòng)子或定子可以采用斜槽的方式。在圖1實(shí)施例中，5為附加永磁體和齒，用來補(bǔ)償端部的磁路，減小定位力，保證直 線電機(jī)端部繞組的磁鏈與中間繞組的磁鏈變化一致。永磁體3為鐵氧體、釹鐵硼或其他類型的永磁材料，定子1和動(dòng)子2都采用鐵，硅鋼或其他導(dǎo)磁材料。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖1、圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一 不同點(diǎn)在于此電機(jī)結(jié)構(gòu)為圓筒形結(jié)構(gòu)。其軸向剖視圖如圖2所示。定子1為圓柱結(jié)構(gòu)，動(dòng) 子2為圓筒結(jié)構(gòu)，永磁體3為圓環(huán)型筒狀永磁材料或N塊瓦片永磁材料組成，采用徑向充 磁。6為非導(dǎo)磁材料。需要時(shí)可以在定子槽中間填充6，此時(shí)定子為無槽圓柱結(jié)構(gòu)。同時(shí)動(dòng) 子繞組槽用材料6密封，動(dòng)子與定子的接觸面也為光滑無槽結(jié)構(gòu)。其他組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖1、圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同點(diǎn)在于此電機(jī) 的永磁體采用技術(shù)方案中描述的第二種用磁體放置方式。本實(shí)施方式取m = 3，k = l,j = 1，則永磁體的塊數(shù)為NPM = 2kXm+l = 7，動(dòng)子套有繞組的齒數(shù)為Nmt= (NPM_2) (m+1) =24， 電機(jī)兩端的附加齒數(shù)在[2 4]之間，附加齒上沒有繞組。τ ρ/ τ s = m/(m-0. 5j) = 6/5， 永磁體為平板結(jié)構(gòu)，采用平行充磁方式。相鄰永磁體之間包含m+1 = 4個(gè)齒，其中第一齒和 第4齒上的集中繞組屬于同一相，，其余齒上的繞組依次屬于其他相。相鄰永磁體的充磁方 向相反。其他組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖2、圖3、圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是實(shí)施方式三 的圓筒型結(jié)構(gòu)，與具體實(shí)施方式
二不同點(diǎn)在于此電機(jī)的永磁為圓環(huán)平板結(jié)構(gòu)，采用軸向平 行充磁，兩塊永磁體之間包含4個(gè)動(dòng)子齒，共7塊永磁體，相鄰兩塊永磁體的磁化方向相反 組成并聯(lián)磁路。端部附加齒的個(gè)數(shù)范圍在在[2 4]之間，用于補(bǔ)償端部繞組的磁路，減小 齒槽力，其他組成和連接方式與具體實(shí)施方式
二相同。
權(quán)利要求一種繞組互補(bǔ)磁路對(duì)稱結(jié)構(gòu)的初級(jí)永磁型直線電機(jī)，其特征在于該電機(jī)包括定子(1)，氣隙和動(dòng)子(2)；動(dòng)子(2)包括永磁體(3)、集中繞組(4)、附加齒(5)，定子和動(dòng)子都為雙凸極單邊或雙邊平板結(jié)構(gòu)，任何相的每個(gè)集中繞組線圈均位于動(dòng)子鐵心槽中；相鄰永磁體(3)組成串聯(lián)磁路，永磁體(3)的塊數(shù)為NPM＝2k×m+2，k為正整數(shù)，電機(jī)相數(shù)為m≥3，其中在動(dòng)子(2)的兩個(gè)端部分別設(shè)有一塊永磁體為電機(jī)的附加永磁體；動(dòng)子套有繞組的齒數(shù)為Nmt＝(NPM 2)(m+1)，動(dòng)子相鄰齒的中心距離為τp，定子相鄰齒的中心距離為τs，則τp/τs＝m/(m±0.5j)，j為奇數(shù)，m與j無除1以外的公約數(shù)且m 0.5j＞0；非附加的每塊永磁體下對(duì)應(yīng)的齒數(shù)為m+1，其中第一個(gè)齒和第m+1齒上的集中繞組屬于同一相，其余齒上的繞組依次屬于其他相；電機(jī)相鄰永磁體的磁性相反，組成串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，電機(jī)兩端具有附加齒和附加永磁體，附加每塊永磁體的齒數(shù)范圍在[(m+1)/2～(m+1)]之間，此電機(jī)可以為電動(dòng)機(jī)也可以為發(fā)電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組互補(bǔ)磁路對(duì)稱結(jié)構(gòu)的初級(jí)永磁型直線電機(jī)，其特征在于 所述定子(1)為圓柱結(jié)構(gòu)，動(dòng)子(2)為圓筒結(jié)構(gòu)，永磁體(3)為圓環(huán)型筒狀永磁材料或N塊 瓦片永磁材料，組成圓筒型結(jié)構(gòu)形式的直線電機(jī)；采用徑向充磁，其定子槽和動(dòng)子槽被非導(dǎo) 磁材料(6)填充，非導(dǎo)磁材料(6)動(dòng)子和轉(zhuǎn)子接觸面為光滑無槽結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組互補(bǔ)磁路對(duì)稱結(jié)構(gòu)的初級(jí)永磁型直線電機(jī)，其特征在 于所述永磁體(3)的放置方式還包括相鄰永磁體組成并聯(lián)磁路方式永磁體的塊數(shù)為Npm =2kXm+1, k為正整數(shù)，電機(jī)相數(shù)m彡3，動(dòng)子套有繞組的齒數(shù)為Nmt = (Npm-I) (m+1)，動(dòng)子 相鄰齒的中心距離為τρ，定子相鄰齒的中心距離為，則Tp/Ts = m/(m±0.5j)，j* 奇數(shù)，m與j無除1以外的公約數(shù)且m-0. 5j > 0 ；相鄰兩塊永磁體之間包含的齒數(shù)為m+1， 其中第一個(gè)齒和第m+1齒上的集中繞組屬于同一相，其余齒上的繞組依次屬于其他相；電 機(jī)相鄰永磁體的磁性相反，組成并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，電機(jī)兩端具有附加齒，每端附加齒數(shù)范圍在 [(m+1)/2 (m+1)]之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的繞組互補(bǔ)磁路對(duì)稱結(jié)構(gòu)的初級(jí)永磁型直線電機(jī)，其特 征在于該電機(jī)相數(shù)m彡3，第一相的2(m+l)套集中繞組的連接方式可表示為-411+412+....+41 (m+1)-[-41 (m+2) +. . . . +41 (2 (m+1))]，其他相繞組的繞法與第一相相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的繞組互補(bǔ)磁路對(duì)稱結(jié)構(gòu)的初級(jí)永磁型直線電機(jī)，其特征 在于永磁體(3)為鐵氧體、釹鐵硼或其他類型的永磁材料，定子(1)和動(dòng)子(2)為硅鋼片。
專利摘要繞組互補(bǔ)磁路對(duì)稱結(jié)構(gòu)的初級(jí)永磁型直線電機(jī)是一種結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、具有較強(qiáng)輸出推力和較高功率密度以及較小推力波動(dòng)的長定子初級(jí)永磁直線電機(jī)，該電機(jī)包括定子(1)，氣隙和動(dòng)子(2)；動(dòng)子(2)包括永磁體(3)、集中繞組(4)、附加齒(5)，定子和動(dòng)子都為雙凸極單邊或雙邊平板結(jié)構(gòu)，任何相的每個(gè)集中繞組線圈均位于動(dòng)子鐵心槽中；相鄰永磁體(3)組成串聯(lián)磁路，永磁體(3)的塊數(shù)為NPM＝2k×m+2，k為正整數(shù)，電機(jī)相數(shù)為m≥3，其中在動(dòng)子(2)的兩個(gè)端部分別設(shè)有一塊永磁體為電機(jī)的附加永磁體；動(dòng)子套有繞組的齒數(shù)為Nmt＝(NPM-2)(m+1)，動(dòng)子相鄰齒的中心距離為τp。
文檔編號(hào)H02K41/03GK201667603SQ20102012619
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月8日
發(fā)明者曹瑞武, 程明, 花為, 趙文祥 申請(qǐng)人:東南大學(xué)