CN108574393B - 一种双定子双凸极永磁直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双定子双凸极永磁直线电机，在短动子的上下两侧各是一个长定子，两个长定子相对于短动子的中心上下对称，短动子由m个动子单元模块前后依序连接组成，m为电机相数；每个动子单元模块都包括一个主动子和分别在主动子前后两侧的两个副动子，主动子的轭部镶嵌一块永磁体，副动子的轭部绕有电枢绕组；每个动子单元模块中，前后一侧的第一个副动子的副动子裂齿与定子齿上下相对齐时，另一侧的第二个副动子的副动子裂齿与定子槽相对齐，两个副动子在空间相位上相差180°电角度；本发明可以消除单边定子结构中法向力对电机运行产生的推力波动及影响，提高电机运行的稳定性以及可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电机本体设计领域，涉及一种永磁直线电机。
背景技术
直线电机是一种不需要中间转换机构而直接将电功率转化为直线运动机械功率的机电装置，相比于传统的旋转电机加滚珠丝杠等运动转换机构以实现直线运动的方案而言，直线电机不仅可以降低成本，减小***体积，同时具有高效率、高精度和结构简单等优点。
目前，直线电机正运用于轨道交通、无绳电梯、潮汐发电和数控机床等领域。常用的直线电机类型主要有三类，即直线感应电机、直线开关磁阻电机以及直线永磁同步电机。直线感应电机虽然结构简单，但其效率和功率因数低，对气隙的敏感度高；直线开关磁阻电机虽然具有低成本、易维护以及具有容错性能等优点，但存在功率因数低、推力波动大和不易控制等缺点，很大程度影响电机运行的稳定性。相比于直线感应电机和直线开关磁阻电机，永磁直线同步电机的推力密度和效率高，体积小，重量轻，兼有永磁电机和直线电机的双重优点。然而，由于传统永磁直线同步电机的电枢绕组和永磁体分别被安放在动子和定子上，无论是沿着定子轨道铺设永磁体还是电枢绕组，在长行程场合中都很困难。
定子永磁式凸极电机是一种新型永磁电机，具有调速范围宽、功率密度高等优点，且相比于转子永磁式电机有着更好的散热性能，从而降低温度对永磁体性能的影响。由于采用双凸极结构，转子上没有永磁体和线圈绕组，因此它的结构简单坚固，***可靠性高。将永磁体置于定子上，在气隙励磁磁场得到加强的同时，亦易于调节，使其非常适合于要求高效、调速和高速运行的场合。
目前越来越多的场合需要采用直线电机进行驱动，凸极永磁直线电机具有结构简单、效率高以及制造成本低等优点。传统的单边定子永磁直线电机存在法向力，法向力会使支撑轴承承受额外的负载力并使摩擦阻力增加，影响电机的运行性能。同时，合理提高电机中永磁体的利用率以及电机的推力密度一直是研究中的关键问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提出一种结构新颖、运行可靠的新型双定子双凸极永磁直线电机结构，能消除直线电机单边法向力在电机运行时产生的不利影响，同时大大提高电机中永磁体的利用率以及电机的推力密度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明由短动子和长定子组成，在短动子的上下两侧各是一个长定子，两个长定子相对于短动子的中心上下对称。
所述的短动子由m个动子单元模块前后依序连接组成，m为电机相数；每个动子单元模块都包括一个主动子和分别在主动子前后两侧的两个副动子，主动子的轭部镶嵌一块永磁体，副动子的轭部绕有电枢绕组。
进一步地，每个副动子的上下两端的正中间都各开有一个副动子槽，各形成两个副动子裂齿；每个主动子的上下两端各开有三个主动子槽，各形成四个主动子裂齿。
更进一步地，每个动子单元模块中，前后一侧的第一个副动子的副动子裂齿与定子齿上下相对齐时，另一侧的第二个副动子的副动子裂齿与定子槽相对齐，两个副动子在空间相位上相差180°电角度。
本发明采用以上技术方案具有以下技术效果：
1.本发明采用双定子结构，即短动子两侧均有长定子，主动子与副动子两侧结构上完全对称，从而可以消除单边定子结构中法向力对电机运行产生的推力波动及影响，提高电机运行的稳定性以及可靠性。
2.本发明中的动子单元模块由主动子与位于前后两侧的副动子构成，在每一个动子模块中，主动子轭中都嵌有永磁体，前后两侧的副动子共用一个永磁体，不仅大大增加了永磁体的利用率，并且减小了定位力对电机推力的影响。
3.本发明将电枢绕组与永磁体全部安放在直线电机的一侧，即短动子侧，长定子仅由简单的导磁材料构成，这样的设计在长行程的应用场合中可以大大缩减电机的制造成本，使得电机结构更加简单。
4.本发明采用模块化设计，各单元模块之间相互独立，实现相与相之间的解耦，从而可以提高电机运行***的容错性能，增强电机运行的稳定性以及可靠性。
附图说明
图1是本发明所述的一种双定子双凸极永磁直线电机的结构示意图；
图2是图1中单个动子单元模块结构放大图；
图3是图1所示电机永磁体磁场的磁密分布图；
图4为图1所示电机中的A相磁链以及A相绕组空载感应电动势波形图；
图5为图1所示电机中的B相磁链以及B相绕组空载感应电动势波形图；
图6为图1所示电机中的C相磁链以及C相绕组空载感应电动势波形图；
图7是图1所示电机中的A相磁链以及A相绕组通电电流波形图；
图8是图1所示电机中的B相磁链以及B相绕组通电电流波形图；
图9是图1所示电机中的C相磁链以及C相绕组通电电流波形图；
图10是图1所示电机的法向力波形图；
图11是图1所示电机的推力波形图；
图中：1.动子；2.定子；3.动子单元模块；4.动子单元模块连接隔磁块；5.主副动子连接隔磁块；6.主动子；7.副动子；8.电枢绕组；9.永磁体；10.副动子裂齿；11.主动子裂齿；
Ψa、Ψb、Ψc-电枢绕组中的A、B、C相磁链；ea、eb、ec-A、B、C相绕组空载感应电动势；ia、ib、ic-电枢绕组中的电流；Fy1-电机上侧裂齿所受到的法向力；Fy2-电机下侧裂齿所受到的法向力；Fy3-动子所受到的法向力；Fx-动子所产生的推力。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地详细说明：
参见图1，本发明所述的双定子双凸极永磁直线电机结构由短动子1和长定子2组成，在短动子1的上下两侧各是一个长定子2，共两个长定子2，两个长定子2相对于短动子1的中心上下对称，短动子1与两个长定子2之间留有气隙。长定子2在面对短动子1的这一则设有长定子齿。长定子2是由导磁材料构成的凸极结构。
短动子1由m个动子单元模块3前后依序连接组成，每两个动子单元模块3之间采用动子单元模块连接隔磁块4相连接，且每两个动子单元模块3之间的前后间距满足(n+1/m)τ，其中，n＝0,1,2,3.....，m为电机的动子单元模块3的个数即电机电枢绕组的相数，τ为定子齿距，m个动子单元模块3构成m相电机。图1仅示出三相电机，即m取3，若取n＝1，定义一个定子齿距在空间上为360°电角度，则电机的每两个动子单元模块3之间相差三分之四的定子齿距τ，电机的三个动子单元模块3在空间相位上相互差120°电角度。
参见图2，每个动子单元模块3都包括一个主动子6和两个副动子7，两个副动子7分别被安放在主动子6的前后两侧，主动子6在中间。主动子6和副动子7都由硅钢片冲压而成。主动子6和副动子7之间使用主副动子连接隔磁块5连接。
每个副动子7的上下两端的正中间都各开有一个副动子槽，一个副动子槽前后侧则形成副动子裂齿10结构，两个副动子裂齿10之间的齿距是一个定子齿距τ。每个副动子7的中间段是副动子轭部，副动子轭部上缠绕有电枢绕组8，电枢绕组8采用集中绕组，为电机工作时提供电功率。每动子单元模块3的电枢绕组8中的感应电动势互差120°电角度。
每个主动子6的上下两端各开有三个主动子槽，上下两端各形成四个主动子裂齿11。在四个主动子裂齿11中，中间两个主动子裂齿11相距一个半定子齿距τ，前后两侧的两个主动子裂齿11与相邻的中间的主动子裂齿11之间相距一个定子齿距τ。每个主动子6的中间段是主动子轭部，主动子轭部内固定镶嵌一块永磁体9，永磁体9的前后边缘与主动子轭的前后边缘平齐。所有的永磁体9均为上下方向充磁，并且充磁方向相同。每个动子单元模块3中的两个副动子7共用一块永磁体9。永磁体9采用钕铁硼磁材料制成。
主副动子连接隔磁块5固定连接在主动子裂齿11和副动子裂齿10之间。动子单元模块连接隔磁块4固定连接在相邻两个动子单元模块3的副动子裂齿10之间。
每个动子单元模块3中的主动子6上下完全对称，副动子7上下完全对称，两个副动子7相对于主动子6的中心前后对称。
主动子裂齿11、副动子裂齿10与上下同一侧的长定子齿之间是气隙。
参见图1，每个动子单元模块3中，当前后一侧的第一个副动子7的副动子裂齿10与定子齿上下相对齐时，另一侧的第二个副动子7的副动子裂齿10与定子槽相对齐，两个副动子7在空间相位上相差180°电角度。
以三相双定子双凸极永磁直线电机为例，当电机空载时，电枢绕组8电流为零，永磁体9磁场的磁密分布图如图3所示。此时，电机内部只有永磁体9产生磁场，主动子6前后两侧的副动子7均为磁路的一部分，其内部均有磁通流过，分别构成前后两条磁路。永磁体9磁场的磁通路径依序为永磁体9、主动子齿、气隙、长定子2、气隙、副动子7、气隙、长定子2、气隙、主动子齿、永磁体9。每个动子单元模块3之间磁路相互独立而互不影响。随着短动子1的前后运动，主动子裂齿11、副动子裂齿10与长定子齿之间产生相对运动，主动子6前后两侧磁路中的磁阻发生变化，导致副动子7中的磁通交替增加与减小，从而在电枢绕组8内产生呈分段线性变化的磁链，进而产生近似矩形波的感应电动势。
参见图4-6所示的本发明所述双定子双凸极永磁直线电机的三相磁链以及三相绕组感应电势波形。三相磁链波形完全一致，磁链波形近似为各相差120°电角度的梯形波。当磁链增加时，电枢绕组8中的感应电动势为正值；当磁链减少时，电枢绕组8中的感应电动势为负值。三相感应电动势波形相同，近似为各相差120°电角度的矩形波。
由于感应电动势呈近似矩形波，所以给电枢绕组8通入方波电流即可使电机产生推力。当感应电动势为正值时，在对应的电枢绕组8中通入正值方波电流，当感应电动势为负值时，在对应的电枢绕组8中通入负值方波电流，正负值方波电流幅值相等，且每相电枢绕组8通电时间为120°电角度，三相绕组依次有序通电，保证电机产生有效的推力，从而使短动子1连续不断的运动。参见图7-9的本发明电机的三相磁链以及三相绕组通电电流波形。
图10为本发明所述双定子双凸极永磁直线电机的法向力波形图，Fy1为电机短动子1上侧的主动子裂齿11、副动子裂齿10所受到的法向力，Fy2为电机短动子1下侧的主动子裂齿11、副动子裂齿10所受到的法向力，Fy3为整个短动子1所受到的法向力。上下每一侧的裂齿所受到的法向力大小相等、方向相反而相互抵消，使得上下两侧的法向力合力为零，从而消除了法向力波动给电机运行带来的不利影响。
图11为本发明所述双定子双凸极永磁直线电机的推力波形。
本发明所述的双定子双凸极永磁直线电机，通过将动子模块化设计，实现了相与相之间的解耦，简化了电机结构，方便制造和有利于降低生产成本；采用双定子结构，消除单边定子结构下法向力对电机运行产生的影响。同时，本发明中主动子6中嵌有永磁体9，并为两侧的副动子7共用，有利于提高电机中永磁体9的利用率以及电机的推力密度。
Claims (4)
1.一种双定子双凸极永磁直线电机，由短动子(1)和长定子(2)组成，在短动子(1)的上下两侧各是一个长定子(2)，两个长定子(2)相对于短动子(1)的中心上下对称，其特征是：短动子(1)由m个动子单元模块(3)前后依序连接组成，m为电机相数，每个动子单元模块(3)都包括一个主动子(6)和分别在主动子(6)前后两侧的两个副动子(7)，主动子(6)的轭部镶嵌一块永磁体(9)，副动子(7)的轭部绕有电枢绕组(8)；每个副动子(7)的上下两端的正中间都各开有一个副动子槽，各形成两个副动子裂齿(10)，每个主动子(6)的上下两端各开有三个主动子槽，各形成四个主动子裂齿(11)；当动子单元模块(3)中前后一侧的第一个副动子(7)的副动子裂齿(10)与定子齿上下相对齐时，另一侧的第二个副动子(7)的副动子裂齿(10)与定子槽相对齐，两个副动子(7)在空间相位上相差180°电角度；两个副动子裂齿(10)之间的齿距是一个定子齿距，四个主动子裂齿(11)中的中间两个主动子裂齿(11)相距一个半定子齿距，前后两侧的两个主动子裂齿(11)与相邻的中间的主动子裂齿(11)之间相距一个定子齿距；每个动子单元模块(3)中电枢绕组(8)的感应电动势互差120°电角度；所有的永磁体(9)均为上下方向充磁且充磁方向相同。
2.根据权利要求1所述的一种双定子双凸极永磁直线电机，其特征是：每两个动子单元模块(3)之间的前后间距满足(n+1/m)τ，n＝0,1,2,3.....，τ为定子齿距。
3.根据权利要求1所述的一种双定子双凸极永磁直线电机，其特征是：每两个动子单元模块(3)之间采用动子单元模块连接隔磁块(4)连接；主动子(6)和副动子(7)之间采用主副动子连接隔磁块(5)连接。
4.根据权利要求1所述的一种双定子双凸极永磁直线电机，其特征是：每个动子单元模块(3)中的主动子(6)上下对称，副动子(7)上下对称，两个副动子(7)相对于主动子(6)的中心前后对称。
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