專利名稱：互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)及由其構(gòu)成的電機(jī)模組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電機(jī)的制造技術(shù)領(lǐng)域，且特別是有關(guān)于一種繞組及結(jié)構(gòu)互補(bǔ)模塊化的永磁直線電機(jī)及由其構(gòu)成的電機(jī)模組。
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)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(lái)了許多問(wèn)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(guò)高會(huì)出現(xiàn)輪軌滑動(dòng)等問(wèn)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(guó)是稀土永磁大國(guó)，隨著電力電子和磁性材料的發(fā)展，永磁無(wú)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。然而，由于傳統(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)，而永磁體和電樞的成本都較高，在如軌 道交通等長(zhǎng)定子應(yīng)用場(chǎng)合中無(wú)疑導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加。目前，國(guó)際上研究比較熱點(diǎn)的雙極性磁鏈的磁通切換永磁電機(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，轉(zhuǎn)子無(wú)繞組、無(wú)電刷、無(wú)永磁體，僅為導(dǎo)磁鐵心材 料，具有功率密度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于散熱，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)其直線結(jié)構(gòu)而言，可以把旋 轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的定子作為初級(jí)動(dòng)子，由永磁體和繞組組成，而旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)子作為次級(jí)長(zhǎng)定子，僅 由導(dǎo)磁性材料組成，因此，此結(jié)構(gòu)電機(jī)在長(zhǎng)定子應(yīng)用場(chǎng)合可以大大降低系統(tǒng)成本。然而，傳 統(tǒng)磁通切換直線電機(jī)端部相繞組的磁通正負(fù)半周不對(duì)稱，從而引起各相反電勢(shì)不平衡。傳 統(tǒng)模塊化磁通切換直線電機(jī)沒(méi)有考慮到每相繞組及結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性，存在每相反電勢(shì)正負(fù)半 周不對(duì)稱，定位力大的缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于提供一種互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)及由其 構(gòu)成的電機(jī)模組，該電機(jī)的每相繞組具有對(duì)稱互補(bǔ)性，電機(jī)反電勢(shì)波形對(duì)稱、正弦，而且結(jié) 構(gòu)的互補(bǔ)性大大降低甚至抵消電機(jī)的定位力。本實(shí)用新型提出一種互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)及由其構(gòu)成的電機(jī)模組。其 中，永磁直線電機(jī)包括定子和動(dòng)子。定子和動(dòng)子均為凸極結(jié)構(gòu)，且兩者之間具有氣隙。動(dòng)子 包括2m個(gè)E型模塊，m為電機(jī)的相數(shù)。相鄰兩個(gè)E型模塊之間填充非導(dǎo)磁材料。每個(gè)E型 模塊包括2個(gè)U型導(dǎo)磁齒和設(shè)置于U型導(dǎo)磁齒之間的永磁體，集中繞組設(shè)置于E型模塊的 槽中且套住永磁體。兩個(gè)同相E型模塊之間的相對(duì)位移為X1 = (η±1/2) τ s，兩個(gè)異相E 型模塊之間的相對(duì)位移為入2= (j士 1/m) τ3, 為定子極距，n，j均為正整數(shù)。本實(shí)用新型中，所述U型導(dǎo)磁齒的外側(cè)頂端具有倒角α，且α取0° 90°，兩相鄰的U型導(dǎo)磁齒的頂端由倒角α構(gòu)成凹口。進(jìn)一步的，所述永磁體的高度小于或等于U 型導(dǎo)磁齒的高度。本實(shí)用新型突破了旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)磁通切換永磁電機(jī)中永磁體和齒的形狀的限 制，此結(jié)構(gòu)保證了永磁體的寬度根據(jù)需要靈活變化時(shí)，達(dá)到動(dòng)子齒中部的寬度大于齒尖寬 度的目的?？梢员苊鈩?dòng)子齒中部磁通密度較飽和而引起齒中間部分磁阻較大，增加齒尖和 氣隙的磁通密度，提高反電勢(shì)幅值，節(jié)省永磁材料，降低系統(tǒng)成本。本實(shí)用新型中，所述定子為導(dǎo)磁材料。由于定子上既無(wú)永磁體也無(wú)繞組，僅僅由價(jià) 格較低的導(dǎo)磁材料組成，使得本實(shí)用新型特別適用于如軌道交通、高層樓房電梯等長(zhǎng)定子 應(yīng)用場(chǎng)合，可以大大降低系統(tǒng)的成本。本實(shí)用新型中，同相E型模塊中的集中繞組相互串聯(lián)在一起，相鄰兩個(gè)永磁體采 用交替平行充磁。本實(shí)用新型中，所述互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)是單邊平板結(jié)構(gòu)、雙邊平板結(jié) 構(gòu)或圓筒型結(jié)構(gòu)。而且，所述互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)是電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)。本實(shí)用新型還提出一種由上述互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)構(gòu)成的電機(jī)模組，包 括由k個(gè)所述互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，k為正整數(shù)。進(jìn)一步的，所述k個(gè)所述互補(bǔ)型 磁通切換永磁直線電機(jī)串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)整體或分開單獨(dú)控制。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，具有較強(qiáng)輸出推力、較高功率密度以及較小推力波 動(dòng)。永磁直線電機(jī)的任意相集中繞組由兩個(gè)在空間位置上相距A1= (n±l/2) Ts的線圈 串聯(lián)組成。因此兩線圈電磁參數(shù)對(duì)稱互補(bǔ)，順序串聯(lián)時(shí)可以利用兩線圈對(duì)稱互補(bǔ)性，在合成 為一相磁鏈和反電勢(shì)時(shí)，高次偶次諧波分量幅值相等而相位相反，相互抵消，保留了基波分 量，從而使電機(jī)在集中繞組和直槽定子及較大氣隙磁通密的情況下就可以得到對(duì)稱的近似 正弦的反電勢(shì)和磁鏈波形，適用于矢量控制。由于任意相包含的兩E型模塊的相對(duì)位移為(η±1/2) τ s，此時(shí)兩個(gè)模塊產(chǎn)生的定 位力波形相位相差180°，形成互補(bǔ)，從而使任意相兩個(gè)E型模塊合成的定位力波形周期性 和對(duì)稱性較好，多相模塊定位力之間有一定相位差，保證合成的定位力大大降低甚至抵消。由于相鄰E型模塊之間采用非導(dǎo)磁材料隔離，減小繞組之間的互感，實(shí)現(xiàn)電磁的 絕緣，增加容錯(cuò)能力。每個(gè)E型模塊相互獨(dú)立，合理的調(diào)節(jié)E型模塊之間的距離，從而大大 降低、甚至消除端部效應(yīng)弓I起三相反電勢(shì)不平衡問(wèn)題。綜上，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)導(dǎo)致其具有永磁體設(shè)計(jì)靈活、反電勢(shì)對(duì)稱正弦、 定位力較小、推力波動(dòng)小、氣隙的磁通密度大、輸出推力較強(qiáng)、功率密度較高、效率較高、模 塊化設(shè)計(jì)、工藝簡(jiǎn)單、長(zhǎng)定子應(yīng)用場(chǎng)合電機(jī)成本低等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型特別適合于長(zhǎng)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。
圖1所示為根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示 意圖。圖2所示為根據(jù)本實(shí)用新型又一實(shí)施例的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu) 示意圖。
具體實(shí)施方式
為讓本實(shí)用新型的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí) 施例，并配合附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下。為了說(shuō)明本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)行原理，下面以一臺(tái)三相電機(jī)為例來(lái)說(shuō)明。實(shí)施例1 如圖1所示，本實(shí)用新型所提供的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)1由定子10和動(dòng) 子11組成，兩者之間具有氣隙。如圖所示，定子10和動(dòng)子11均采用凸極結(jié)構(gòu)。其中，定子 10上既無(wú)永磁體也無(wú)繞組，僅為導(dǎo)磁材料。動(dòng)子11由2m個(gè)E型模塊110組成，且相鄰兩個(gè)E型模塊之間填充非導(dǎo)磁材料111。 本實(shí)施例中，m = 3，即電機(jī)具有圖中所示A、B、C三相。進(jìn)一步的，每個(gè)E型模塊110由兩 個(gè)U型導(dǎo)磁齒112、永磁體113組合而成。集中繞組114放在E型模塊110的兩個(gè)槽中，且 套著永磁體113及與其相鄰的U型導(dǎo)磁齒112。 在本實(shí)施例中，每一相中均具有兩組相同的E型模塊110，下面將不同相中的第一 組(即圖中Al、Bi、Cl)的E型模塊110中的繞組稱為第一集中繞組，第二組(即圖中A2、 B2、C2)中的繞組稱為第二集中繞組。如圖1所示，A相中的集中繞組是由Al中第一集中繞組和A2中的第二集中繞組 串聯(lián)而成，且Al相和A2相的E型模塊110之間相對(duì)位移為X1 = (η±1/2) τ sD B、C相上 的集中繞組114與A相的連接方式相同，且三相繞組對(duì)應(yīng)的兩相鄰的E型模塊110之間的 依次相差位移為λ2= (j士 1/m) ，其中為定子極距，n，j均為大于零的整數(shù)。此結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)第一，動(dòng)子11運(yùn)動(dòng)一個(gè)電氣周期360° (即移動(dòng)％距離)過(guò) 程中，A、B、C相中第一集中繞組和第二集中繞組與定子10相對(duì)位置存在磁路上的差異，從 而導(dǎo)致第一集中繞組中的磁鏈和反電勢(shì)與第二集中繞組中的磁鏈和反電勢(shì)對(duì)稱互補(bǔ)，即第 一集中繞組中磁鏈或反電勢(shì)波形移動(dòng)180°相位并反向后與第二集中繞組中磁鏈或反電勢(shì) 基本重合。此互補(bǔ)對(duì)稱特性導(dǎo)致兩線圈中感應(yīng)反電勢(shì)高次偶次諧波分量幅值相等，相位相 反，在合成為一相反電勢(shì)時(shí)相互抵消，從而保證電機(jī)的永磁磁鏈和反電勢(shì)具有高度的正弦 對(duì)稱性。第二，兩相鄰的同相E型模塊110之間相對(duì)位移為λ i = (η±1/2) τ s，從而保證 兩部分定位力波形有180°相位差，兩部分合成的定位力被大大削弱甚至抵消。本實(shí)用新型中的永磁體113交替平行充磁，且永磁體113的高度小于或等于U型 導(dǎo)磁齒112的齒高。如圖1所示，U型導(dǎo)磁齒112的外側(cè)頂端具有倒角α，且α取0° 90°，兩相鄰的U型導(dǎo)磁齒112的頂端由倒角α構(gòu)成凹口，兩U型導(dǎo)磁齒112的齒形狀相 同。當(dāng)永磁體113寬度變化時(shí)，動(dòng)子齒尖邊緣與永磁體113的底部連線的角度在0° 90° 變化，而不影響動(dòng)子齒尖寬度占動(dòng)子極距的比例，避免因永磁體厚度變化影響反電勢(shì)波形 的正弦度，同時(shí)達(dá)到動(dòng)子齒的中部的寬度大于齒尖的寬度的目的。圖1中具體實(shí)施例也可以作為一個(gè)電機(jī)模塊，由k個(gè)這樣的互補(bǔ)型磁通切換永磁 直線電機(jī)模塊組合成一個(gè)電機(jī)模組，k為正整數(shù)，進(jìn)一步減小定位力，提高輸出力。其中，這 些k個(gè)所述互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)整體或分開單獨(dú)控制。實(shí)施例2 如圖2所示，本實(shí)施例中的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)與實(shí)施例1中的不同點(diǎn)在于A相的第一集中繞組和第二集中繞組所在的兩個(gè)E型模塊的相鄰放置。兩E型模塊相 對(duì)定子的位移也為X1= (η士 1/2) τ s，從而形成互補(bǔ)對(duì)稱結(jié)構(gòu)。B、C相與A相結(jié)構(gòu)相同。 A、B、C三相繞組所在的E型模塊相對(duì)定子的位移依次為λ2= (j 士 1/m) Ts，其中τ s為定 子極距，n, j均為正整數(shù)。其他結(jié)構(gòu)和特性均與實(shí)施例1相同。 本實(shí)用新型中所述具體實(shí)施案例僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施案例而已，并非用來(lái)限定本實(shí)用新型的實(shí)施范圍。即凡依本實(shí)用新型申請(qǐng)專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修 飾，都應(yīng)作為本實(shí)用新型的技術(shù)范疇。
權(quán)利要求一種互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，所述定子和動(dòng)子均為凸極結(jié)構(gòu)，且兩者之間具有氣隙，其特征在于，所述動(dòng)子包括2m個(gè)E型模塊，m為電機(jī)的相數(shù)；相鄰兩個(gè)E型模塊之間填充非導(dǎo)磁材料；每個(gè)E型模塊包括2個(gè)U型導(dǎo)磁齒和設(shè)置于U型導(dǎo)磁齒之間的永磁體，集中繞組設(shè)置于E型模塊的槽中且套住永磁體；兩個(gè)同相E型模塊之間的相對(duì)位移為λ1＝(n±1/2)τs，兩個(gè)異相E型模塊之間的相對(duì)位移為λ2＝(j±1/m)τs，τs為定子極距，n，j均為正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，其特征在于，所述U型導(dǎo)磁齒 的外側(cè)頂端具有倒角α，且α取0° 90°，兩相鄰的U型導(dǎo)磁齒的頂端由倒角α構(gòu)成凹
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，其特征在于，同相E型模塊中 的集中繞組相互串聯(lián)在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，其特征在于，所述定子為導(dǎo) 磁材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，其特征在于，相鄰兩個(gè)永磁 體采用交替平行充磁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，其特征在于，所述永磁體的 高度小于或等于U型導(dǎo)磁齒的高度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，其特征在于，所述互補(bǔ)型磁 通切換永磁直線電機(jī)是單邊平板結(jié)構(gòu)、雙邊平板結(jié)構(gòu)或圓筒型結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，其特征在于，所述互補(bǔ)型磁 通切換永磁直線電機(jī)是電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)。
9.一種由權(quán)利要求1 8所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)構(gòu)成的電機(jī)模組，其特 征在于，包括由k個(gè)所述互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，k為正整數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電機(jī)模組，其特征在于，所述k個(gè)所述互補(bǔ)型磁通切換永磁 直線電機(jī)串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)整體或分開單獨(dú)控制。
專利摘要本實(shí)用新型提出一種互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)及由其構(gòu)成的電機(jī)模組。永磁直線電機(jī)包括定子和動(dòng)子。定子和動(dòng)子均為凸極結(jié)構(gòu)，且兩者之間具有氣隙。動(dòng)子包括2m個(gè)E型模塊，m為電機(jī)的相數(shù)。相鄰兩個(gè)E型模塊之間填充非導(dǎo)磁材料。每個(gè)E型模塊包括2個(gè)U型導(dǎo)磁齒和設(shè)置于U型導(dǎo)磁齒之間的永磁體，集中繞組設(shè)置于E型模塊的槽中且套住永磁體。兩個(gè)同相E型模塊之間的相對(duì)位移為λ1＝(n±1/2)τs，兩個(gè)異相E型模塊之間的相對(duì)位移為λ2＝(j±1/m)τs，τs為定子極距，n，j均為正整數(shù)。該電機(jī)的每相繞組具有對(duì)稱互補(bǔ)性，電機(jī)反電勢(shì)波形對(duì)稱、正弦，而且結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性大大降低甚至抵消電機(jī)的定位力。
文檔編號(hào)H02K41/02GK201656740SQ201020187380
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月12日
發(fā)明者曹瑞武, 程明, 花為, 趙文祥 申請(qǐng)人:東南大學(xué)