本實(shí)用新型屬于橫向磁通電機(jī)領(lǐng)域，具體涉及一種雙Ω型定子鐵心錯(cuò)列結(jié)構(gòu)的新型雙Ω型定子橫向磁通永磁直線電機(jī)。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，城市規(guī)模急劇膨脹，環(huán)境壓力愈來(lái)愈嚴(yán)重，軌道車輛日漸成為公共交通的主流。作為軌道車輛核心裝備的牽引電機(jī)，其電氣和機(jī)械性能直接關(guān)系著系統(tǒng)效率及系統(tǒng)可靠性。同時(shí)，采用低速永磁直驅(qū)電機(jī)是未來(lái)軌道系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢(shì)，其高效率、高可靠性、長(zhǎng)壽命、低噪音、低運(yùn)行維護(hù)成本等諸多優(yōu)點(diǎn)逐漸凸現(xiàn)。因此，業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)是新結(jié)構(gòu)、大型化、高效率和高可靠性的新型直線電機(jī)研發(fā)，以此提高能量利用水平和車輛牽引技術(shù)升級(jí)。

橫向磁通永磁電機(jī)（Transverse Flux Permanent Magnet Motor，TFPMM）的多極數(shù)的特點(diǎn)在低速永磁直驅(qū)式電機(jī)的選擇上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)該電機(jī)的研究結(jié)果均表明隨著極數(shù)的增加，轉(zhuǎn)矩密度將顯著增大，完全滿足低速直驅(qū)的要求。因此，新型橫向磁通永磁電機(jī)的研發(fā)對(duì)我國(guó)城市軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，有望成長(zhǎng)為軌道交通電氣牽引設(shè)備領(lǐng)域新的亮點(diǎn)。

傳統(tǒng)徑向磁場(chǎng)電機(jī)的氣隙磁通方向是徑向的，其旋轉(zhuǎn)方向平行于磁通所在平面；軸向磁場(chǎng)電機(jī)的氣隙磁通方向是軸向的，其旋轉(zhuǎn)方向亦平行于磁通所在平面。由電機(jī)學(xué)理論可知：當(dāng)電機(jī)結(jié)構(gòu)一定時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩正比于鐵心截面面積和繞組截面積。傳統(tǒng)徑向電機(jī)定子槽與定子齒在同一平面內(nèi)，增加槽面積與增加齒寬相互矛盾、相互制約，軸向磁場(chǎng)電機(jī)亦如此。

然而，對(duì)于橫向磁通永磁電機(jī)來(lái)說(shuō)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向則垂直于磁通所在平面，因此稱作“橫向磁通”。該電機(jī)定子鐵心由硅鋼片疊制且相鄰定子鐵心間隔一個(gè)極距，動(dòng)子鐵心上相鄰永磁體極性相反，電樞繞組則嵌入定子鐵心槽內(nèi)。橫向磁通永磁電機(jī)的最突出特點(diǎn)是其電樞繞組與主磁路在結(jié)構(gòu)上完全解耦，巧妙避開(kāi)了傳統(tǒng)徑向和軸向電機(jī)內(nèi)鐵心和電樞截面相互制約這一重大缺陷，可以根據(jù)需要獨(dú)立調(diào)整線圈截面積和磁路尺寸來(lái)確定電機(jī)的電、磁負(fù)荷，獲得更高的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。因此，橫向磁通永磁電機(jī)的功率密度較高，通常約為傳統(tǒng)徑向永磁電機(jī)的2~3倍，完全契合軌道交通電氣牽引系統(tǒng)對(duì)低速大轉(zhuǎn)矩的要求。

不同于傳統(tǒng)直線電機(jī)的電流方向同運(yùn)動(dòng)方向垂直，主磁路中的閉合磁力線所在平面與電機(jī)運(yùn)動(dòng)平面平行，橫向磁通永磁電機(jī)的電流方向與運(yùn)動(dòng)方向平行，橫向磁通永磁電機(jī)主磁路的磁力線所在的平面垂直于電機(jī)運(yùn)動(dòng)平面。橫向磁通永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部磁場(chǎng)呈復(fù)雜的三維分布，是一個(gè)典型的三維場(chǎng)。

橫向磁通永磁電機(jī)獲得的轉(zhuǎn)矩密度都是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)的幾倍，而且直徑較大的橫向磁通永磁電機(jī)可以獲得較大的轉(zhuǎn)矩密度。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果表明橫向磁通永磁電機(jī)是一種合理應(yīng)用新型永磁材料，合理巧妙設(shè)計(jì)電機(jī)定動(dòng)子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)磁通橫向運(yùn)行的一種新型結(jié)構(gòu)電機(jī)，是對(duì)傳統(tǒng)永磁電機(jī)在思維方式和設(shè)計(jì)理念兩方面的突破。根據(jù)電機(jī)原理，一定功率前提下要減小電機(jī)直徑、體積和重量，就必須增大電磁力。電磁力正比于磁通量和電流，傳統(tǒng)徑向磁通和軸向磁通電機(jī)中，導(dǎo)向磁通的鐵心和傳導(dǎo)電流的導(dǎo)線處于同一平面內(nèi)，在電機(jī)直徑一定的情況下，增加鐵心面積和增大導(dǎo)體截面積相互矛盾。橫向磁通電機(jī)（Transverse Flux Motor-TFM）解決了這個(gè)問(wèn)題，其電樞繞組與主磁路在結(jié)構(gòu)上完全解耦，因此可以根據(jù)需要獨(dú)立調(diào)整線圈截面積和磁路尺寸來(lái)確定電機(jī)的電、磁負(fù)荷，獲得更高的轉(zhuǎn)矩密度。

近年來(lái)，雖然國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)對(duì)橫向磁通電機(jī)開(kāi)展了大量的研究工作，但是還存在一些問(wèn)題亟待改進(jìn)和解決?，F(xiàn)有的橫向磁通永磁電機(jī)只限于定子鐵心沿徑向或者軸向單側(cè)開(kāi)口，構(gòu)成單相電機(jī)。定子鐵心間隔一個(gè)極距排列，轉(zhuǎn)子極數(shù)是定子極數(shù)的兩倍，空間利用率較低且漏磁嚴(yán)重，轉(zhuǎn)矩密度還有很大的提升空間。在同一個(gè)電樞上整合兩組錯(cuò)列型式的Ω型定子鐵心使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，因此設(shè)計(jì)此款新型雙Ω型定子橫向磁通永磁直線電機(jī)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種直線型式、高功率密度和高轉(zhuǎn)矩密度的新型雙Ω型定子橫向磁通永磁直線電機(jī)，以改善現(xiàn)有橫向磁通永磁直線電機(jī)普遍存在的材料和空間利用率低且漏磁嚴(yán)重等亟待解決的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：

一種新型雙Ω型定子橫向磁通永磁直線電機(jī)，其特征在于，包括定子和動(dòng)子；所述定子包括Ω型定子鐵心組、電樞繞組和非導(dǎo)磁材料定子基座，所述動(dòng)子包括動(dòng)子鐵心、永磁體和非導(dǎo)磁材料動(dòng)子支架；所述Ω型定子鐵心組包括開(kāi)口方向相反的多個(gè)下開(kāi)口定子鐵心和多個(gè)上開(kāi)口定子鐵心，下開(kāi)口定子鐵心和上開(kāi)口定子鐵心安裝在非導(dǎo)磁材料定子基座內(nèi)部，下開(kāi)口定子鐵心和上開(kāi)口定子鐵心在動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的前后方向上均勻地間隔錯(cuò)列放置，多個(gè)下開(kāi)口定子鐵心和多個(gè)上開(kāi)口定子鐵心共用一個(gè)放置在定子鐵心槽內(nèi)的電樞繞組；所述動(dòng)子鐵心和永磁體安裝在非導(dǎo)磁材料動(dòng)子支架內(nèi)，左右兩側(cè)動(dòng)子鐵心分別與下開(kāi)口定子鐵心和上開(kāi)口定子鐵心的齒部對(duì)應(yīng)，同一左/右側(cè)相鄰的動(dòng)子鐵心之間嵌入一塊永磁體；所述非導(dǎo)磁材料動(dòng)子支架通過(guò)軸承與非導(dǎo)磁材料定子基座相連。

為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括：

相鄰的下開(kāi)口定子鐵心間隔兩倍極距，相鄰的上開(kāi)口定子鐵心間隔兩倍極距。

同一下開(kāi)口定子鐵心的兩側(cè)齒部所對(duì)應(yīng)的兩塊動(dòng)子鐵心的磁極方向相反，同一上開(kāi)口定子鐵心的兩側(cè)齒部所對(duì)應(yīng)的兩塊動(dòng)子鐵心的磁極方向相反。

所述永磁體包括結(jié)構(gòu)相同且磁極方向相反的第一永磁體和第二永磁體；第一永磁體和第二永磁體成對(duì)布置在Ω型定子鐵心組的左右兩側(cè)，左右位置相對(duì)的兩塊永磁體磁極方向相反；在動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向上，第一永磁體和第二永磁體交替布置在每塊動(dòng)子鐵心的前后兩側(cè)。

所述下開(kāi)口定子鐵心和上開(kāi)口定子鐵心尺寸相同，均由硅鋼片疊制。

所述永磁體采用釹鐵硼材料。

所述非導(dǎo)磁材料動(dòng)子支架采用鋼材制造。

本實(shí)用新型的有益效果是：

1、在同一個(gè)電樞上整合兩組定子鐵心，結(jié)構(gòu)更加緊湊，比傳統(tǒng)單邊定子和雙邊定子機(jī)型空間利用率顯著提高，能夠提高效率和功率密度；

2、電機(jī)的繞組與磁路在結(jié)構(gòu)上完全解耦，能夠獨(dú)立調(diào)整線圈截面積和磁路尺寸來(lái)獲得更高的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度；

3、電機(jī)的雙Ω型定子鐵心由硅鋼片疊制，同時(shí)動(dòng)子具有聚磁特征，集中繞組避免了傳統(tǒng)電機(jī)固有的端部效應(yīng)，該結(jié)構(gòu)同樣具有電磁結(jié)構(gòu)解耦的特征，易于構(gòu)建多相電機(jī)，由于各相磁路相互獨(dú)立，多相電機(jī)可以缺相運(yùn)行；

4、電機(jī)相鄰動(dòng)子鐵心之間分別嵌有一對(duì)永磁體，由于采用集中繞組，且繞組與定子極在空間上獨(dú)立，此結(jié)構(gòu)顯著提高橫向磁通的空間利用率，大大提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度；

5、電機(jī)的各定子鐵心尺寸和各動(dòng)子鐵心尺寸分別相同且都可用硅鋼片疊制而成，永磁體尺寸也相同，加工制造簡(jiǎn)單，由于鐵心均采用硅鋼片疊制，可以有效地減少電機(jī)的漏磁通，從而可以提高電機(jī)的功率因數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型的剖視圖。

圖3是本實(shí)用新型一對(duì)極磁通原理示意圖。

圖4是本實(shí)用新型兩側(cè)的動(dòng)子結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記如下：下開(kāi)口定子鐵心S11，上開(kāi)口定子鐵心S12，電樞繞組S2，動(dòng)子鐵心M3，第一永磁體M41、M42'，第二永磁體M41'、M42，非導(dǎo)磁材料動(dòng)子支架M5。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖1和圖2所示，新型雙Ω型定子橫向磁通永磁直線電機(jī)包括定子（記為S）和動(dòng)子（記為M），定子包括Ω型定子鐵心組（記為S1）、電樞繞組S2和非導(dǎo)磁材料定子基座，動(dòng)子包括動(dòng)子鐵心M3、永磁體（記為M4）和非導(dǎo)磁材料動(dòng)子支架M5。

Ω型定子鐵心組包括開(kāi)口方向相反的多個(gè)下開(kāi)口定子鐵心S11和多個(gè)上開(kāi)口定子鐵心S12，下開(kāi)口定子鐵心S11和上開(kāi)口定子鐵心S12安裝在非導(dǎo)磁材料定子基座內(nèi)部，在動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的前后方向上均勻地間隔錯(cuò)列放置。其中，下開(kāi)口定子鐵心S11和上開(kāi)口定子鐵心S12尺寸相同，均由硅鋼片疊制，相鄰的下開(kāi)口定子鐵心S11間隔兩倍極距，相鄰的上開(kāi)口定子鐵心S12也間隔兩倍極距，依次固定在非導(dǎo)磁材料定子基座上。多個(gè)下開(kāi)口定子鐵心S11和多個(gè)上開(kāi)口定子鐵心S12共用一個(gè)放置在定子鐵心槽內(nèi)的電樞繞組S2，電樞繞組S2安放在Ω型定子鐵心組內(nèi)，與Ω型定子鐵心組、非導(dǎo)磁材料定子基座構(gòu)成定子整體。

動(dòng)子鐵心M3和永磁體M4安裝在非導(dǎo)磁材料動(dòng)子支架M5內(nèi)，非導(dǎo)磁材料動(dòng)子支架M5通過(guò)軸承與非導(dǎo)磁材料定子基座相連。左右兩側(cè)動(dòng)子鐵心M3分別與下開(kāi)口定子鐵心S11和上開(kāi)口定子鐵心S12的齒部對(duì)應(yīng)，即動(dòng)子兩側(cè)正對(duì)定子鐵心的位置均為動(dòng)子鐵心M3，同一下開(kāi)口定子鐵心S11的兩側(cè)齒部所對(duì)應(yīng)的兩塊動(dòng)子鐵心M3的磁極方向相反，同一上開(kāi)口定子鐵心S12的兩側(cè)齒部所對(duì)應(yīng)的兩塊動(dòng)子鐵心M3的磁極方向也相反。動(dòng)子在Ω型定子鐵心組的左右兩側(cè)形成雙邊動(dòng)子結(jié)構(gòu)，同一左右側(cè)相鄰的兩塊動(dòng)子鐵心M3之間嵌入一塊永磁體M4，永磁體M4采用釹鐵硼材料。動(dòng)子鐵心M3、永磁體M4和非導(dǎo)磁材料動(dòng)子支架M5構(gòu)成動(dòng)子整體，非導(dǎo)磁材料動(dòng)子支架M5采用鋼材制造，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

參見(jiàn)圖3和圖4，永磁體M4包括結(jié)構(gòu)相同且磁極方向相反的第一永磁體M41、M42'和第二永磁體M41'、M42，第一永磁體M41、M42'和第二永磁體M41'、M42成對(duì)布置在Ω型定子鐵心組的左右兩側(cè)，左右位置相對(duì)的兩塊永磁體磁極方向相反。在動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向上，第一永磁體M41、M42'和第二永磁體M41'、M42交替布置在每塊動(dòng)子鐵心M3的前后兩側(cè)，即每塊動(dòng)子鐵心M3相鄰的兩塊永磁體的磁極方向相反。圖3表示新型雙Ω型定子橫向磁通永磁直線電機(jī)一對(duì)極磁通原理示意圖，電機(jī)采用Ω型定子鐵心，單相電機(jī)一對(duì)極磁路依次經(jīng)過(guò)：永磁體M41→動(dòng)子鐵心M3→定子鐵心S11→動(dòng)子鐵心M3→永磁體M42→動(dòng)子鐵心M3→定子鐵心S12→動(dòng)子鐵心M3→永磁體M41，進(jìn)而形成一個(gè)閉合回路。Ω型定子鐵心匝鏈的永磁磁通與通電電樞繞組磁通耦合，進(jìn)而產(chǎn)生電磁推力推動(dòng)動(dòng)子向前運(yùn)動(dòng)。

新型雙Ω型定子橫向磁通永磁直線電機(jī)為單相電機(jī)，故只有單一繞組，n相運(yùn)行時(shí)須使得n個(gè)單相電機(jī)結(jié)構(gòu)沿動(dòng)子運(yùn)行方向并排放置并使得每相動(dòng)子之間相差360/n度電角度。

電機(jī)橫向磁通原理如下：與傳統(tǒng)徑向和軸向電機(jī)的鐵心和電樞截面相互制約不同，其電樞繞組與主磁路在結(jié)構(gòu)上完全解耦，因此可以根據(jù)需要獨(dú)立調(diào)整線圈截面積和磁路尺寸，橫向磁通結(jié)構(gòu)允許采用較多的磁極，可獲得更高的功率和轉(zhuǎn)矩密度。

雙Ω型定子橫向磁通永磁電機(jī)基本適用傳統(tǒng)永磁電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理及計(jì)算方法，但雙Ω型定子結(jié)構(gòu)又有其明顯特殊性，雙Ω型定子結(jié)構(gòu)配合永磁聚磁式動(dòng)子實(shí)現(xiàn)磁通的橫向運(yùn)行，部件整體空間布局和磁路走向均有獨(dú)特之處，任意時(shí)刻兩組定子鐵心在繞組感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)相位完全一致，匝鏈的磁通則達(dá)到數(shù)值上的疊加效果，從而達(dá)到提高功率密度的目的。

需要注意的是，實(shí)用新型中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用語(yǔ)，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本實(shí)用新型可實(shí)施的范圍，其相對(duì)關(guān)系的改變或調(diào)整，在無(wú)實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本實(shí)用新型可實(shí)施的范疇。

以上僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本實(shí)用新型思路下的技術(shù)方案均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。