CN105553222A - 一种无边端效应的容错永磁游标直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种无边端效应的容错永磁游标直线电机，包含初级和次级，初级和次级之间具有气隙。初级上相邻两个齿形成一个单元模块，单元模块之间相距(k+1/s)τ，k＝0，1，2，…，τ为次级极距，s为单元模块个数。单元模块的齿端嵌入永磁体阵列。通过单元模块间的相互配合使各相绕组之间互相解耦，使得电机的容错性能得到大幅提高；同时永磁体阵列的聚磁效应可以有效降低电机电枢齿端的漏磁通，增加绕组中的反电动势，从而提高电机的推力输出特性。

Description

一种无边端效应的容错永磁游标直线电机

技术领域

本发明涉及一种无边端效应的初级永磁直线电机，适用于轨道交通等高可靠、高效率的直线驱动领域。

背景技术

直线电机是一种将电能直接转化成直线运动的机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置，较传统的旋转电机有着明显的优势，如结构简单，无磨损，精度高，效率高等。因此，直线电机得到越来越广泛的应用。

目前，直线驱动技术正逐步应用于轨道交通方面。直线感应电机机械结构简单，但是工作效率比较低，对气隙的变化比较敏感；永磁直线电机与电励磁直线电机相比有着比较高的效率，但无论是将电枢绕组沿轨道铺设，还是将永磁体沿轨道铺设，在轨道交通这种长线直驱***中，制造成本太大，不具有经济可行性。

针对上述缺点，国内外学者提出一类初级永磁型直线电机结构：就是将永磁体与绕组均放置在短动子(初级)上，而长定子(次级)仅为简单的凸极结构。这种初级永磁型直线电机不仅具有永磁同步直线电机效率高，推力输出高的优点，而且在应用于长定子轨道交通领域具有制造成本低的优点。

然而，传统的初级永磁直线电机，因其特有的端部效应，导致各相磁路不对称，进而带来各相反电动势波形不对称，定位力较大等一系列问题。中国授权发明专利CN201010119957.X公开了一种在初级加装辅助齿减小直线电机端部效应的方法。辅助齿为端部漏磁通提供了路径，可使漏磁通转变为有效磁通，这样使穿过位于端部的线圈磁通的路径与内线圈的情况类似，减弱了端部效应给磁路带来的不平衡，改善了对称性。但是辅助齿的添加增加了电机的尺寸和永磁体用量，降低了电机整体的功率密度。中国授权发明专利CN201010584004.0公开了一种在初级中间加入由非导磁材料制成的磁障，将初级分成两个模块，通过两个模块结构上的互补来达到抑制直线电机端部效应的目的。这种方法既保证了电机的功率密度又减小了端部效应，但电机的相间磁路耦合严重，容错性能比较差。

在要求高可靠性运行的直线***，如轨道交通领域，必须要提高直线电机的容错性能。传统的提高直线电机容错性能的方法主要有两种：一种是在初级中相邻的电枢齿中间加入一个由导磁材料制成的容错齿，使各个电枢齿上的绕组相互隔离(CN201310202082.3)。另一种是在初级中，相邻模块间的正中间加入合适大小的非导磁材料制成的隔离齿，使各相绕组相互隔离(CN201010169681.6)。虽然这两种方法都可以使各相磁路相互独立，降低互感，提高电机的容错性能，但是直线电机固有的边端效应都没有解决。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种无边端效应的容错永磁游标直线电机结构。本发明通过初级模块化设计消除了直线电机因端部效应所产生的不利影响，从而获得更加正弦对称的反电动势，同时各模块间的定位力相互抵消，降低了定位力和推力波动。本发明电机避免使用传统加入容错齿或隔离齿的方法，能在不牺牲电机功率密度的前提下，同时获得理想的容错性能。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种无边端效应的容错永磁游标直线电机，包括初级和次级，初级和次级之间具有气隙；

初级上开槽形成齿槽结构，初相邻两个电枢齿形成一个单元模块，每两个单元模块之间的间距满足(k+1/s)τ，k＝0，1，2，...，s为单元模块个数即绕组相数，每一个单元模块呈∏形，单元模块中的槽放置电枢绕组且单元模块与每相电枢绕组一一对应，s个单元模块构成s相电机；初级的每个单元模块的齿端开虚槽，虚槽中嵌入永磁体阵列，次级开槽形成梯形结构。

进一步，所述单元模块上的虚槽为六个，每个电枢齿上各开有三个虚槽，所述每个虚槽放置有一个永磁体阵列，永磁体阵列由位于两侧的两块极性相反的切向充磁的第一永磁体、第三永磁体和中间一块径向充磁的第二永磁体组成。

进一步，当相数s取3时，τ为次级极距，满足：τ＝S₁*s/N，S₁为一个单元模块的有效长度；此时，初级的相邻单元模块间空间相位互差120°电角度，所以各单元模块间定位力波形互差120°电角度。

进一步，所述永磁体产生磁场分布的极对数P₁与电枢绕组产生的电枢磁场分布的极对数P₂和次级的齿个数N满足N＝P₁+P₂，且对于电机整体结构和独立的单元模块结构都满足N＝P₁+P₂。

进一步，所述永磁体采用钕铁硼磁材料，或者第一永磁体、第三永磁体采用铁氧体、第二永磁体采用钕铁硼磁材料。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用∏形单元模块初级齿结构，通过单元模块间的相互解耦使得各相绕组之间不相互影响，从而使得电机的容错性能提高，增强电机在运行过程中的稳定性；此外，初级单元模块和每相绕组一一对应，每相绕组作为一个独立的单元模块不存在边端效应，因此该直线电机的反电动势更加正弦对称，解决了传统直线电机由于端部效应致使各相的反电动势不平衡的问题。

2、电机的初级电枢齿端部嵌入永磁体阵列，其聚磁效应有利于减小齿端漏磁，提高磁路的有效磁密，从而提高电机的推力输出特性。

3、相邻单元模块间空间相位互差120°使得各单元模块产生的定位力相互抵消，降低了电机的定位力，减小了推力波动。

4、永磁体产生磁场分布的极对数P₁与绕组产生的电枢磁场分布的极对数P₂和次级有效齿个数N满足：N＝P₁+P₂，且对于电机整体结构和独立的单元模块结构也满足：N＝P₁+P₂。因此电机保留了游标电机的特性，具有低转速大推力的特点。

5、永磁体阵列可以将不同特性的永磁材料组合使用，形成各种混合磁材料结构使电机具有不同的特性，增加其应用领域。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明所述无边端效应的容错永磁游标直线电机的径向结构示意图；

图2为图1中永磁体阵列结构放大示意图；

图3为本发明所述无边端效应的容错永磁游标直线电机的定位力波形图；

图4为本发明所述无边端效应的容错永磁游标直线电机的B相电枢反应磁场分布图；

图5为本发明所述无边端效应的容错永磁游标直线电机的B相电感波形图；

图6为本发明所述无边端效应的容错永磁游标直线电机的三相永磁磁链波形图；

图7为本发明所述无边端效应的容错永磁游标直线电机三相反电动势波形图；

图8为本发明所述无边端效应的容错永磁游标直线电机推力波形图。

图中：1.初级；2.次级；3.槽；4.齿端；5.永磁体阵列；6.单元模块；7.第二永磁体、8.第一永磁体、9.第三永磁体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，本发明所述无边端效应的永磁型游标电机结构包含初级1和次级2两个部分，初级1和次级2之间具有气隙，气隙的厚度根据电机的大小及要求选取。初级和次级均采用D23硅钢片材料，次级2开槽形成梯形结构，初级1上开槽形成齿槽结构，初级1相邻两个齿形成一个单元模块6，每一个单元模块6呈∏形，单元模块6中的槽3放置绕组且单元模块与每相绕组一一对应，每相电枢绕组采用集中绕组。s个单元模块6构成s相电机，单元模块间相距(k+1/s)τ，k＝0，1，2，...，s为单元模块个数即绕组相数，由于本电机为三相电机，故s取3，τ为次级极距，τ＝S₁*s/N，S₁为一个单元模块的有效长度。此时，初级的相邻单元模块间空间相位互差120°电角度，所以各单元模块间定位力波形互差120°电角度，因此最终合成的定位力相互抵消，大大降低了电机的定位力。

参见图1，图2，上述单元模块6上的虚槽为六个，每个电枢齿上各开有三个虚槽，所述每个虚槽放置有一个永磁体阵列5，永磁体阵列5由位于两侧的两块极性相反的切向充磁的第一永磁体8、第三永磁体9和中间一块径向充磁的第二永磁体7组成，具体充磁方向如图2上的箭头所示。所述永磁体采用钕铁硼磁材料，或者第一永磁体8、第三永磁体9采用铁氧体、第二永磁体7采用钕铁硼磁材料。永磁体产生的有效磁场分布的极对数P₁，三相绕组产生的有效磁场分布的极对数P₂和次级有效齿数N满足公式P₁+P₂＝N，且对于电机整体结构和各单元模块结构都满足此公式。对于电机整体结构，永磁体阵列5个数为18，即P₁＝18，电枢绕组产生磁场分布的极对数P₂为3，对应次级2齿数N为21，满足P₁+P₂＝N；对于单元模块结构，永磁体阵列个数为6，即P₁＝6，电枢绕组产生磁场分布的极对数P₂为1，对应次级2齿数N为7，满足P₁+P₂＝N。

图3为本发明所述无边端效应的容错永磁游标直线电机的定位力波形图，其中曲线A为电机整体结构的定位力波形，从图3中可以看出各单元模块单独作用时产生的定位力波形基本一致，只是在相位上相差一定的电角度，因此各单元模块之间的定位力相互抵消使得最终电机的定位力大幅降低。

图4为本发明所述无边端效应的容错永磁游标直线电机的B相电枢反应磁场分布图，从图中可以看出电枢反应产生的磁力线只通过B相电枢齿，说明各相之间互相不影响，因此初级模块化结构可以有效的降低相间的耦合程度。

图5为本发明所述无边端效应的容错永磁游标直线电机的B相电感波形图，从图中可以计算出电机的自感互感比为0.9％，因此本发明的抑制定位力的容错永磁游标直线电机结构具有较高的容错能力。

图6为本发明所述无边端效应的容错永磁游标直线电机的三相永磁磁链波形图，从图中可以看出A、B、C三相波形完全一致，因此该直线电机不存在边端效应。

图7为本发明所无边端效应的容错永磁游标直线电机三相空载反电动势波形图，可以看出本发明所述电机反电动势正弦对称，说明该电机结构消除了了端部效应对磁路的不良影响，进而使各相反电动势的波形更加正弦，解决了传统直线电机由于端部效应的影响致使反电动势不平衡的问题。

图8为本发明所述无边端效应的容错永磁游标直线电机推力波形图，从图中可以看出电机的推力脉动较小，因此电机的输出特性得到增强。

本发明所述无边端效应的容错永磁游标直线电机，通过初级模块化设计一方面使得相间耦合程度大大较低，提高了电机的容错性能，另一方面消除了直线电机因端部效应所产生的不利影响，获得更加正弦对称的反电动势；同时单元模块间的定位力相互抵消，有效的抑制了定位力的幅值，降低了电机的推力波动。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种无边端效应的容错永磁游标直线电机，其特征在于，包括初级(1)和次级(2)，初级(1)和次级(2)之间具有气隙；

初级(1)上开槽形成齿槽结构，初级(1)相邻两个电枢齿形成一个单元模块(6)，每两个单元模块(6)之间的间距满足(k+1/s)τ，k＝0，1，2，...，s为单元模块个数即绕组相数，每一个单元模块(6)呈∏形，单元模块(6)中的槽(3)放置电枢绕组且单元模块(6)与每相电枢绕组一一对应，s个单元模块(6)构成s相电机；初级(1)的每个单元模块(6)的齿端(4)开虚槽，虚槽中嵌入永磁体阵列(5)，次级(2)开槽形成梯形结构。

2.根据权利要求1所述的一种无边端效应的容错永磁游标直线电机，其特征在于，所述单元模块(6)上的虚槽为六个，每个电枢齿上各开有三个虚槽，所述每个虚槽放置有一个永磁体阵列(5)，永磁体阵列(5)由位于两侧的两块极性相反的切向充磁的第一永磁体(8)、第三永磁体(9)和中间一块径向充磁的第二永磁体(7)组成。

3.根据权利要求1所述的一种无边端效应的容错永磁游标直线电机，其特征在于，当相数s取3时，τ为次级极距，满足：τ＝S₁*s/N，S₁为一个单元模块的有效长度；此时，初级的相邻单元模块间空间相位互差120°电角度，所以各单元模块间定位力波形互差120°电角度。

4.根据权利要求1所述的一种无边端效应的容错永磁游标直线电机，其特征在于，所述永磁体产生磁场分布的极对数P₁与电枢绕组产生的电枢磁场分布的极对数P₂和次级的齿个数N满足N＝P₁+P₂，且对于电机整体结构和独立的单元模块结构都满足N＝P₁+P₂。

5.根据权利要求2所述的一种无边端效应的容错永磁游标直线电机，其特征在于，所述永磁体采用钕铁硼磁材料，或者第一永磁体(8)、第三永磁体(9)采用铁氧体、第二永磁体(7)采用钕铁硼磁材料。