CN103633810B - 一种切向充磁的磁通反向混合励磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切向充磁的磁通反向混合励磁直线电机，包括初级动子和次级定子，所述的初级动子由初级模块并列连接而成，所述的初级动子和次级定子均由导磁材料制成，所述的次级定子为等齿宽的凸极结构，所述的初级动子和次级定子之间为气隙，所述的初级模块两侧分别设有两个电枢齿，所述的两个电枢齿之间设有一个励磁齿，所述的每个电枢齿上绕有一套电枢绕组，所述的每个励磁齿上绕有一套励磁绕组，所述的电枢齿的端部贴装有两块极性相反的切向充磁的永磁体。降低了永磁体发生不可逆退磁的风险，提高了电机的可靠性。解决了狭小的导磁桥易于饱和的问题。提高了电机的容错性能。适合于需要大范围变速运行的应用场合。

Description

一种切向充磁的磁通反向混合励磁直线电机

技术领域

本发明涉及一种磁通反向电机，特别是一种切向充磁的磁通反向混合励磁直线电机。

背景技术

在需要直线传动场合，直线电机相比于旋转电机具有更高的传动效率，能够提升整个***的性能。尤其在轮轨交通***中，直线电机具有爬坡能力强、线路适用性强、工程造价低和噪音低等优点。现今，感应式的直线电机已经在各国城市轨道交通中得到应用。但是，感应电机励磁损耗大、功率因数低。相比于感应电机，永磁直线电机力能指标高、效率高、功率因数高。可是对传统的永磁直线电机来说，无论是将绕组还是永磁体沿轨道铺设，随着轨道长度的增加，电机的制造成本也将会急剧增加。

磁通反向直线电机不同于传统的永磁直线电机，它的永磁体和绕组都位于短初级上。而长次级仅由价格低廉的硅钢片叠压制成，非常适合沿轨道进行长线的铺设。但是电机制成之后，气隙磁场难以调节，进而带来恒功率调速范围小，弱磁升速困难的问题，不利于列车的调速。此外，在电机发生短路故障时也无法灭磁，可能会导致故障扩大，不利于列车的安全运行。

混合励磁电机结合了永磁电机和电励磁电机的优点，在永磁电机结构的基础上加入励磁绕组，可以方便地对气隙磁场进行调节，从而扩大电机的调速范围。中国授权发明专利CN200910035497.X和

CN201210083874.9分别公开了一种混合励磁型磁通反向电机，在原有永磁磁通反向电机结构基础上都没有做出太大变化，保留了永磁磁通反向电机紧凑简单的结构，励磁绕组不占用槽空间，不需要额外增加电机的体积，但是，由于励磁磁通需要穿过永磁体，因此，调节磁场的效率不高。中国授权发明专利CN201320123623.9和

CN201110097982.7公开了一种转子分段式混合励磁磁通反向电机，在永磁体两边都留有导磁桥，因此，电机调磁性能得到了提升。分段式的转子结构也提高了电机的容错性能。但是，导磁桥的宽度较为狭小，容易饱和，制约了电机的调磁能力。分段式的转子也给制造加工和安装带来麻烦。此外，以上电机结构中，永磁体的充磁方向均为径向，与电枢、励磁绕组通入电流产生的磁势相互串联，永磁体容易发生不可逆退磁，使电机出现故障。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种切向充磁的磁通反向混合励磁直线电机，采用切向充磁的永磁体，其充磁方向与电枢、励磁绕组磁势相并联，不容易在电流变化冲击下发生不可逆退磁。励磁绕组产生的磁通不需要经过磁阻很大的永磁体，因此提高了电机的调磁效率。电枢齿实际上充当了导磁桥的功能，避免了狭小的导磁桥易于饱和的问题。同时，摈弃复杂的分段式转子结构，而采用模块化的初级结构使相间隔离，提升电机的容错性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种切向充磁的磁通反向混合励磁直线电机，包括初级动子和次级定子，所述的初级动子由初级模块并列连接而成，所述的初级动子和次级定子均由导磁材料制成，所述的次级定子为等齿宽的凸极结构，所述的初级动子和次级定子之间为气隙，所述的初级模块两侧分别设有两个电枢齿，所述的两个电枢齿之间设有一个励磁齿，所述的每个电枢齿上绕有一套电枢绕组，所述的每个励磁齿上绕有一套励磁绕组，所述的电枢齿的端部贴装有两块极性相反的切向充磁的永磁体。

所述的初级模块中两个电枢齿的齿距为λ₁=(j±0.5)τ_p，相邻初级模块之间的相对位移为τ_s=kτ_p±(1/m)τ_p，τ_p为次级极距、k，j为正整数，m为电机的相数。

所述的初级模块中电枢绕组反向串联，励磁绕组正向串联。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用切向充磁的永磁体，使永磁体磁势方向与电枢、励磁绕组电流产生磁势方向相互并联，降低了永磁体发生不可逆退磁的风险，提高了电机的可靠性。

2.本发明充分利用电枢齿，使其具有导磁桥的功能，借此来提高调磁效率。没有额外在永磁体的两边加入狭小的导磁桥，从根本上解决了狭小的导磁桥易于饱和的问题。

3.本发明采用模块化的初级结构，不仅使电机反电势正弦对称，同时提高了电机的容错性能。

4.本发明可以方便地对励磁、电枢绕组匝数，电流大小进行协调控制，对电机进行效率优化，实现最优效率，适合于需要大范围变速运行的应用场合。

附图说明

图1为本发明一种切向充磁的磁通反向混合励磁直线电机实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例在不同励磁工况下的A相电枢绕组磁链波形图。

图3为本发明实施例在不同励磁工况下的A相电枢绕组反电势波形图。

图4为本发明实施例在永磁体单独作用时磁通分布图。

图5为本发明实施例在永磁体和励磁绕组共同作用时磁通分布图。

图中：1、初级动子，10a、初级a模块，10b、初级b模块，10c、初级c模块，11、电枢齿，12、励磁齿，13、电枢绕组，14、励磁绕组，15、永磁体，2、次级定子。

具体实施方式

下面根据说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的解释。

如图1所示，一种切向充磁的磁通反向混合励磁直线电机，包括初级动子1和次级定子2，所述的初级动子1由初级a模块10a、初级b模块10b和初级c模块10c并列连接而成，所述的初级动子1和次级定子2均由导磁材料制成，所述的次级定子2为等齿宽的凸极结构，所述的初级动子1和次级定子2之间为气隙，所述的初级模块两侧分别设有两个电枢齿11，所述的两个电枢齿11之间设有一个励磁齿12，所述的每个电枢齿11上绕有一套电枢绕组13，所述的每个励磁齿12上绕有一套励磁绕组，所述的电枢齿11的端部贴装有两块极性相反的切向充磁的永磁体15。

所述的初级模块中两个电枢齿11的齿距为λ₁=(j±0.5)τ_p，相邻初级模块之间的相对位移为τ_s=kτ_p±(1/m)τ_p，τ_p为次级极距、k，j为正整数，m为电机的相数。

所述的初级模块中电枢绕组13反向串联，励磁绕组正向串联。

因为本发明实施例电机为三相电机，故m=3。再取n=1，初级由m·n个模块构成，即3个模块构成；每个模块中包含有2i个电枢齿11、i个励磁齿12，i为正整数，取i=1，则每个模块中包含有2个电枢齿11、1个励磁齿12。本实施例电机初级分别由3个初级模块构成，以初级a模块10a为例，在初级a模块10a中包含有2个电枢齿11（A1、A2）和1个励磁齿12（U）。同一模块中相邻电枢齿11的齿距为λ₁=(j±0.5)τ_p，相邻模块之间的相对位移为τ_s=kτ_p±(1/m)τ_p，τ_p为次级极距、k，j为正整数。分别取k、j为7、4，则同一模块中相邻电枢齿11的齿距为λ₁=(4+0.5)τ_p=4.5τ_p，相邻模块之间的相对位移为τ_s=7τ_p+(1/3)τ_p=22τ_p/3。以初级a模块10a为例，相邻电枢齿11（A1、A2）齿相距4.5τ_p，即分属这两个电枢齿11的两套集中绕组相差180°电角度相位，两套集中绕组需要反向串联（如图1中A相绕组所示），使得A相的磁路具有互补性，同理B相和C相也具有互补性，这就使三相反电势的基波都得到了增强，而高次偶次谐波部分相互抵消。使得各相反电势的波形正弦对称。如图3所示，本发明实施例直线电机在纯永磁体15励磁下的A相反电势波形图，由图可见，反电势波形正弦对称。

图4和图5分别是纯永磁（纯永磁体15励磁）和増磁（即通入增磁性质直流电励磁和永磁体15励磁共同作用）两种工况下的磁场分布图。图4中可以看到A相，即初级a模块10a中，永磁体15只在自身模块中产生磁场，很少与其他模块匝链。图5中可以看到A相，即初级a模块10a中，永磁体15和直流电励磁也只在自身模块中产生磁场，很少与其他模块匝链。所以，本发明各相间耦合小，相互独立，具有较高容错性能。

综上，本发明采用切向充磁的永磁体15，使永磁体15磁势方向与电枢、励磁绕组电流产生磁势方向相互并联，降低了永磁体15发生不可逆退磁的风险，提高了电机的可靠性。本发明充分利用电枢齿11，使其具有导磁桥的功能，借此来提高调磁效率。没有额外在永磁体15的两边加入狭小的导磁桥，从根本上解决了狭小的导磁桥易于饱和的问题。本发明采用模块化的初级结构，不仅使反电势正弦对称，同时提高了电机的容错性能。

Claims (3)

1.一种切向充磁的磁通反向混合励磁直线电机，包括初级动子和次级定子，其特征在于所述的初级动子由初级模块并列连接而成，所述的初级动子和次级定子均由导磁材料制成，所述的次级定子为等齿宽的凸极结构，所述的初级动子和次级定子之间为气隙，所述的初级模块两侧分别设有两个电枢齿，所述的两个电枢齿之间设有一个励磁齿，所述的每个电枢齿上绕有一套电枢绕组，所述的每个励磁齿上绕有一套励磁绕组，所述的电枢齿的端部贴装有两块极性相反的切向充磁的永磁体。

2.根据权利要求1所述的一种切向充磁的磁通反向混合励磁直线电机，其特征在于所述的初级模块中两个电枢齿的齿距为λ₁=(j±0.5)τ_p，相邻初级模块之间的相对位移为τ_s=kτ_p±(1/m)τ_p，τp为次级极距、k，j为正整数，m为电机的相数。

3.根据权利要求1所述的一种切向充磁的磁通反向混合励磁直线电机，其特征在于所述的初级模块中电枢绕组反向串联，励磁绕组正向串联。