CN105610261B - 一种模块化矩阵式直线感应电机 - Google Patents

Abstract

一种模块化矩阵式直线感应电机，其初级的四个定子部件(2)在空间上按2×2矩阵式样布置，呈“田”字形。四个定子部件(2)的内侧表面之间设置有十字形间隙(3)，次级(1)布置在该十字形间隙(3)处。次级(1)的外侧表面与四个定子部件(2)内侧表面之间设置有机械气隙(4)。四个定子部件(2)关于次级(1)的中心轴线对称分布，位于一条对角线上的两套同心式绕组的绕制方向相同，与位于另外一条对角线上的两套同心式绕组的绕制方向相反。初级的八个有效工作面关于次级(1)的中心轴线(15)对称分布，次级(1)的运动方向与有效工作面平行。所述的初级可沿次级运动方向拼接成分段长初级矩阵式直线感应电机。

Description

一种模块化矩阵式直线感应电机

技术领域

本发明涉及一种模块化矩阵式直线感应电机。

背景技术

直线电机可以将负载和电机动子融合成一体直接做直线运动，省去了机械转换装置，具有结构简单、传动效率高、推力和速度易于控制等优点，适用于大推力长行程的高加、减速应用场合，如电磁弹射、汽车碰撞实验平台等。特别是双边长初级直线感应电机，运动次级通常为导电的实心金属板，使得加速装置更加简单，而且由于次级没有永磁体，电机次级具有较好的防腐、防潮性能，增强了电机适应性,此外相比永磁直线电机，导电实心板次级质量小，使得电机整体有效载荷增加，但是双边直线感应电机的缺点也比较明显，气隙较大、功率因数低、电机功率密度低，每台定子的有效工作面只有一面，如图14所示，使得双边直线感应电机在要求限重量限体积的特殊场合优势不能完全发挥。

为提高电机功率密度，中国专利CN 104779755 A公布了一种模块化双定子永磁直线电机及由其构成的电机模组，属于磁通切换永磁直线电机范畴，但是动子(次级)包含模块化铁芯、电枢绕组和永磁体，次级结构复杂、且动子需电缆移动供电，在长行程、高速运行下降低电机的可靠性。

中国专利CN 101783574 B的“环形绕组分段式永磁同步直线电机”公布了一种基于环形绕组的多段永磁同步直线电机，初级作为定子，定子上下面设置永磁体励磁部件作为次级动子。这种结构虽然增加了初级有效工作面，但动子的铁轭、永磁增加了次级质量，降低电机的有效载荷和机械效率。

许金等在电工技术学报2011年第26卷第9期中发表的“一种四定子双边直线感应电动机数学模型和工作特性”采用一种应用于电磁发射场合的四定子双边直线感应电动机，结构如图15所示，该装置将两台双边长初级直线感应电机定子上下布置，共用一个I字型实心导电板次级来提高动子的输出机械功率。但是原理上还是两台双边直线感应电机独立供电、分别控制，每台定子(初级)的有效工作面仍为一面。

发明内容

本发明的目的是解决现有直线感应电机效率和功率因数低、电机功率密度低问题，提出一种模块化矩阵式直线感应电机。

本发明的技术方案采用以下技术方案：

一种模块化矩阵式直线感应电机，其特征在于：所述模块化矩阵式直线感应电机包括初级和次级。所述的初级由四个定子部件组成，四个定子部件在空间上按2×2矩阵式样依次布置，呈“田”字形，四个定子部件的内侧表面相互之间设置有十字形间隙，所述的次级布置在所述十字形间隙处，次级外侧表面与四个定子部件内侧表面之间设置有机械气隙。

所述次级由上、下、左、右四块金属导电板正交组成，截面呈十字形。每块金属导电板厚度相同、伸出长度相等，且伸出长度大于单个铁芯宽度，四块金属导电板均凸出定子部件外边缘，四块金属导电板的十字交叉处设有倒角。

所述每个定子部件由一套同心式绕组缠绕在一个长方体铁芯组成。“田”字形排列的四个定子部件中，左侧两个长方体铁芯的左侧面和右侧两个长方体铁芯的右侧面设置有固定面。每个长方体铁芯除固定面外其余三个侧面开槽，一套同心式绕组嵌在槽内。四个定子部件关于次级的中心轴线对称分布，位于一条对角线上的两套同心式绕组的绕制方向相同，与位于另外一条对角线上的两套同心式绕组的绕制方向相反。

每套所述的同心式绕组由A、B、C三相同心式绕组组成。A相同心式绕组由A型线圈连接组成，B相同心式绕组由B型线圈连接组成，C相同心式绕组由C型线圈连接组成。A型线圈、B型线圈和C型线圈伸出长方体铁芯的固定面处形成线圈端部，A型线圈的端部没有向内弯曲，B型线圈的端部向内略有弯曲，C型线圈的端部向内弯曲程度最大。所述三相同心式绕组为单层整距绕组，每极每相的槽数大于等于1。每相同心式绕组的线圈个数相同，单个线圈的匝数大于等于1，初级四个定子部件的四套同心式绕组同相串联连接。

所述每个定子部件贴近且平行于次级的两个面为有效工作面。本发明模块化矩阵式直线感应电机共有八个有效工作面，且八个有效工作面关于次级的中心轴线对称分布，次级的运动方向与有效工作面平行。

所述每个长方体铁芯的外形尺寸相同，由带有倒角的正四边形硅钢片沿次级运动方向叠压，并借助紧固螺栓固定。

所述多个模块化矩阵式直线感应电机初级可沿次级运动方向紧密拼接，构成长初级、短次级的矩阵式直线感应电机。

本发明的优点是：采用矩阵式初级和十字型次级结构，可以借助调整各个定子部件绕组的绕制方式使得电机主磁通沿上下、左右方向构成回路，四个定子部件形成相互耦合，缺一不可的整体。本发明将传统直线感应电机的每个定子有效工作面从一面增加为两面，结构简单紧凑，可显著提升电机功率密度，电机整体效率和功率因数得到提高，此外相比传统的I字型次级结构，十字型次级能改善次级的结构强度，提升电机的带载能力。

附图说明

图1是本发明结构立体示意图；

图2是图1的A-A＇视图；

图3是图1的俯视图；

图4是次级结构立体示意图；

图5是图4的A-A＇视图；

图6是一个长方体铁芯结构立体示意图；

图7是四个长方体铁芯截面示意图；

图8是一套同心式绕组结构立体示意图；

图9是A型线圈、B型线圈、C型线圈结构立体示意图；

图10是四套同心式绕组某一时刻的电流方向示意图；

图11是电机某一时刻主磁路原理图；

图12是长初级矩阵式直线感应电机结构立体示意图；

图13是实施例2的结构立体示意图；

图14是双边直线感应电机结构示意图；

图15是两台双边直线感应电机共用一个次级结构示意图；

图中：1次级，2定子部件，3十字形间隙，4机械气隙，5长方体铁芯，6同心式绕组，7紧固螺栓，8A相同心式绕组，9B相同心式绕组，10C相同心式绕组，11A型线圈，12B型线圈，13C型线圈，14固定面，15次级中心轴线，16大硅钢片，17小硅钢片，18尺，19槽，20螺孔，21倒角，22环形绕组。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1至图12所示为本发明实施例1。本发明模块化矩阵式直线感应电机包括初级和次级1。初级由四个定子部件2组成，四个定子部件2在空间上按2×2矩阵式样依次布置，呈“田”字形排列。四个定子部件2的内侧表面相互之间设置有十字形间隙3，次级1布置在该十字形间隙3处。次级1外侧表面与四个定子部件2内侧表面之间设置次级1运动的机械气隙4。

如图4和图5所示，次级1由上、下、左、右四块金属导电板1-1、1-2、1-3、1-4正交组成，截面呈十字形。金属导电板的材料可采用铜、铝或铝合金。每块金属导电板的厚度相同，伸出的长度相等，且伸出长度大于单个铁芯宽度，四块金属导电板1-1、1-2、1-3、1-4均凸出四个定子部件2的外边缘。为增强次级1的机械强度，次级1可由金属材料整体浇注而成，且在次级1的垂直交叉处有倒角21。本实施例中，第一金属导电板1-1借助传动机构与负载相连，其余金属导电板借助机械结构起支撑和导向作用。

所述每个定子部件2由一套同心式绕组6缠绕在一个长方体铁芯5组成。“田”字形排列的四个定子部件2中，左侧的两个长方体铁芯的左侧面和右侧两个长方体铁芯的右侧面设置有固定面14。每个长方体铁芯除固定面外，其余三个侧面开槽，一套同心式绕组嵌在槽内。四个定子部件2关于次级1的中心轴线15对称分布。如图2所示，第一定子部件2-1和第二定子部件2-2关于第一金属导电板1-1镜像对称；第三定子部件2-3和第四定子部件2-4关于第三金属导电板1-3镜像对称；第一定子部件2-1、第三定子部件2-3关于第四金属导电板1-4镜像对称；第二定子部件2-2、第四定子部件2-4关于第二金属导电板1-2镜像对称。位于对角线上的第一定子部件2-1、第三定子部件2-3的两套同心式绕组6绕制方向相同，与第二定子部件2-2、第四定子部件2-4的两套同心式绕组6绕制方向相反。

每套所述的同心式绕组6由A、B、C三相同心式绕组组成。A相同心式绕组8由A型线圈11串联或并联连接组成，B相同心式绕组9由B型线圈12串联或并联连接组成，C相同心式绕组10由C型线圈13串联或并联连接组成。A型线圈11、B型线圈12和C型线圈13伸出长方体铁芯的固定面处形成线圈端部。A型线圈11、B型线圈12和C型线圈13伸出铁芯端部处向内的弯曲程度不同，A型线圈11的端部没有向内弯曲，B型线圈12的端部向内略有弯曲，C型线圈13的端部向内弯曲程度最大。如图8所示，在一套同心式线圈6的端部处，B型线圈12的端部在A型线圈11端部内侧，C型线圈13的端部在B型线圈端部12的内侧，这样便于同心式绕组6安装。所述每个定子部件2的每相同心式绕组的线圈个数相同，单个线圈的匝数大于等于1，三相同心式绕组为单层整距绕组，每极每相的槽数大于等于1，初级四个定子部件的四套同心式绕组6同相串联连接，由单个变流器控制供电。

所述每个定子部件2贴近且平行于次级1的两个面为有效工作面，所以模块化矩阵式直线感应电机共有八个有效工作面，且八个有效工作面关于次级1的中心轴线15对称分布，次级1的运动方向与有效工作面平行。

如图10和图11所示，因位于对角线上的同心式绕组6的绕制方向相同，与另一对角线上的同心式绕组6的绕制方向相反，四套同心式绕组6串联供电后，贴近且平行于同一金属导电板的两个有效面内，同相绕组的线圈电流在任意时刻方向相同。根据上述电流的空间分布规律，贴近且平行于同一金属导电板的两个有效面产生的交变磁通能够垂直穿过金属导电板构成闭合回路，任意一个定子部件与临近两个定子部件发生电磁耦合，四个定子部件2与次级1相互作用产生推力。相比图14和图15所示的传统双边直线感应电机，模块化矩阵式直线感应电机单个定子部件有效工作面从一面增加到两面，增大了初、次级之间的耦合区域，显著提升了电机力能指标，增加功率密度。

所述每个长方体铁芯5的外形尺寸相同，由带有倒角的正四边形硅钢片沿次级1运动方向叠压而成，再由四个紧固螺柱7沿十字形的次级1运动方向固定。大硅钢片16叠压成长方体铁芯的尺18，小硅钢片17叠压成长方体铁芯的槽19。

如图12所示，所述多个模块化矩阵式直线感应电机初级可沿次级运动方向紧密拼接，构成铁芯分段、磁场连续的长初级、短次级的矩阵式直线感应电机结构形式，各个模块化矩阵式直线感应电机初级可以串联连接，也可并联连接，采取分段换步供电策略，电机整体结构模块化，便于安装和维护。

图13所示为本发明实施例2：模块化矩阵式直线感应电机长方体铁芯四面可开环形槽，采用环形线圈22，电机的其他部分的结构同实施例1，构成基于环形绕组的模块化矩阵式直线感应电机，进一步简化电机的安装制造工艺。

Claims (4)

1.一种模块化矩阵式直线感应电机，其特征在于：所述模块化矩阵式直线感应电机包括初级和次级(1)；所述的初级由四个定子部件(2)组成，四个定子部件(2)在空间上按2×2矩阵式样布置，呈“田”字形；四个定子部件(2)的内侧表面之间设置有十字形间隙(3)，所述的次级(1)布置在该十字形间隙(3)处；次级(1)的外侧表面与四个定子部件(2)内侧表面之间设置有机械气隙(4)；

所述次级(1)由上、下、左、右四块金属导电板(1-1、1-2、1-3、1-4)正交组成，截面呈十字形；四块金属导电板(1-1、1-2、1-3、1-4)均突出四个定子部件(2)的外边缘；每块金属导电板的厚度相同，伸出的长度相等，且伸出长度大于单个铁芯宽度；第一金属导电板(1-1)与负载相连。

2.根据权利要求1所述的模块化矩阵式直线感应电机，其特征在于：四个所述的定子部件(2)关于次级(1)的中心轴线(15)对称分布，位于一条对角线上的两套同心式绕组的绕制方向相同，与位于另外一条对角线上的两套同心式绕组的绕制方向相反。

3.根据权利要求2所述的模块化矩阵式直线感应电机，其特征在于：位于对角线上的第一定子部件(2-1)、第四定子部件(2-4)的两套同心式绕组的绕制方向相同，与第二定子部件(2-2)、第三定子部件(2-3)的两套同心式绕组的绕制方向相反。

4.根据权利要求1所述的模块化矩阵式直线感应电机，其特征在于：所述每个定子部件(2)贴近且平行于次级(1)的两个面为有效工作面；所述模块化矩阵式直线感应电机初级共有八个有效工作面，八个有效工作面关于次级(1)的中心轴线(15)对称分布，次级(1)的运动方向与有效工作面平行。