CN108683319B - 低速高推力密度双层分数槽绕组圆筒型直线电机 - Google Patents

低速高推力密度双层分数槽绕组圆筒型直线电机 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种低速高推力密度双层分数槽绕组圆筒型直线电机，属于直线电机技术领域。包括电机初级、电机次级、初级铁芯、气隙、初级线槽、初级半线槽、初级齿、初级边端齿、初级轭、饼式绕组、永磁体、导磁环等。采用双层分数槽绕组结构，降低电机极距，有效提高工作频率，从而提高电机效率，且使电机具有一定的调速范围。将边端槽宽度设为正常初级槽的一半、初级边端齿的厚度比初级齿小，同时电机初级的有效长度等于(n+1/2)×τ，对电机推力波动产生明显的抑制效果，降低电机的定位力，使电机运行更加稳定可靠。具有结构简单、成本较低、效率极高、较大调速范围、推力密度大、运行稳定可靠等优点，十分适用于低速、大推力场合。

Description

低速高推力密度双层分数槽绕组圆筒型直线电机
技术领域
本发明涉及一种圆筒型直线电机，特别是一种低速高推力密度双层分数槽绕组圆筒型直线电机。属于直线电机技术领域。
背景技术
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过中间任何转换装置的电机，与旋转电机传动方式相比较，可以省去中间转换机构，减少设备占用空间，提高***效率。作为直线电机的一种结构形式，圆筒型直线电机更具优越性：高运行效率、高功率及力密度、良好的伺服性能、封闭的结构。但对于低速、高推力密度的场合，圆筒型直线电机需要较低的同步速度，单绕组永磁电机极距一般较大，故工作频率过低，进而使电机的效率低下。
因此对于低速、高推力密度的场合，采用双层分数槽绕组技术，在一定同步速度的条件下，降低极距可以有效提高频率，从而提高电机效率，增加电机推力密度，同时还能抑制直线电机的推力波动，且使电机具有一定的调速范围。所以将双绕组分数槽绕组技术应用于圆筒型永磁直线电机的设计中，并设计合适的极槽配合方式对圆筒型直线电机稳态性能优化具有重大意义。
目前，该领域针对低速高推力密度直线电机有一些相关的研究和技术，如中国专利“低速高推力密度直线电机”（申请号：201110443116.9），提出了“一种新型磁场调制式永磁直驱直线电机，通过电机中定子齿的磁场调磁作用，实现无接触变速传动，同时定子上增加了永磁体，提高了气隙磁密，减少了漏磁”。但该电机采用单绕组结构，故其极距较大，调速范围较小；当电机工作在低速场合时，工作频率过低，进而使电机的效率低下，不能满足低速、推力密度高的要求。又如中国专利“一种大推力永磁直驱式直线电机”申请号（201110028079.5），该发明“利用电机特殊的结构，调制电机的气隙磁阻分布，电机运行时，电机初级内永磁磁通的运动速度成倍于电机次级的运动速度，实现升速的效果”，适用于低速直驱应用场合，该直驱式电机包括平板式、双边平板式和圆筒式结构。但该电机绕组为集中或分布式绕组，分布式绕组无法在圆筒式结构中应用，对于圆筒型电机难以按照其预想适用于低速直驱应用场合。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种低速高推力密度双层分数槽绕组圆筒型直线电机，解决了现有圆筒型永磁直线电机在低速、高推力密度的场合下，效率低、调速范围小、推力密度小的问题。同时抑制直线电机的推力波动，且使电机具有一定的调速范围。具有结构简单、成本较低、效率较高、较大的调速范围、推力密度大等优点，十分适用于低速、大推力场合。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
所述的低速高推力密度双层绕组的圆筒型直线电机，包括电机初级（1）、电机次级（2）。
电机初级（1）包括初级线槽（101）、初级半线槽（102）、初级齿（103）、初级边端齿（104）、初级轭（105）和饼式绕组（106）。电机初级（1）两端的槽为初级半线槽（102），其余槽为初级线槽（101）。两端的初级半线槽（102）内部各放置一组饼式绕组（106）；初级线槽（101）内部并排放置两组独立的饼式绕组（106）；相邻两个初级线槽（101）由初级齿（102）隔开，电机初级（1）两个端部的初级半线槽（102）的外侧为初级边端齿（104）；初级线槽（101）、初级半线槽（102）、初级齿（103）、初级边端齿（104）和初级轭（105）共同构成初级铁芯（3）。
电机次级（2）包括永磁体（201）、导磁环（202）、次级铁芯（203）。电机初级（1）固定不动，电机次级（2）沿着电机运动方向做往复直线运动。永磁体（201）、导磁环（202）为圆筒型结构，且厚度相同；永磁体（201）、导磁环（202）沿次级铁芯（203）轴心方向依次排列，嵌套于次级铁芯（203）外表面。
电机初级（1）内径大于电机次级（2）外径，电机初级（1）和电机次级（2）设有气隙（4）。
进一步地，初级线槽（101）与初级半线槽（102）的槽数之和与对应永磁体（201）极数相同。由于初级半线槽（102）的槽宽为初级线槽（101）的一半，故初级线槽（101）与初级半线槽（102）的槽数之和与电机有效槽数之差为1。每个极下每相布置槽数的数目为分数，属于分数槽绕组。
进一步地，电机初级（1）的初级齿（103）厚度与初级边端齿（104）不同，初级齿（103）厚度较边端初级齿（104）厚，约1/3齿距。对电机初级（1）的初级边端齿（104）进行剪齿，可明显减小直线电机的齿槽力，同时抑制推力波动。
进一步地，设极数为n，极距为τ，电机初级（1）的有效长度等于(n+1/2)×τ。当电机初级（1）的有效长度等于(n+1/2)×τ，直线电机的端部力最小。
进一步地，所述圆筒型电机的绕组排列方式为A+，A-A-，A+A+，A-A-，A+A+，A-B+，B-B-，B+B+，B-B-，B+B+，B-C+，C-C-，C+C+，C-C-，C+C+，C-。边端绕组A+及边端绕组C-所在槽为初级半线槽（102），其余绕组所在槽为初级线槽（101）。
进一步地，永磁体（201）充磁方向与次级铁芯（203）轴心方向平行。
进一步地，所述的圆筒型直线电机多台串联运行，以在其他性能不变的情况下增大输出推力。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1、采用双层分数槽绕组结构，降低永磁体极距，有效提高工作频率，解决了现有圆筒型永磁直线电机在低速、高推力密度的场合下，效率低、调速范围小、推力密度小的问题。且使电机具有一定的调速范围。具有结构简单、成本较低等优点，十分适用于低速、大推力场合。
2、将双层分数槽绕组圆筒型直线电机边端槽宽度设为正常初级槽的一半、初级边端齿的厚度比初级齿小，同时电机初级的有效长度等于(n+1/2)×τ，这种极槽配合方式对电机推力波动产生明显的抑制效果，同时降低电机的定位力，使电机运行更加稳定可靠。
附图说明
图1：双层分数槽绕组圆筒型直线电机结构图。
图2：不同频率下两种结构电机效率对比图。
图3：不同频率下两种结构电机推力对比图。
图4：不同频率下两种结构电机推力波动百分比对比图。
图中：1—电机初级、2—电机次级、3—初级铁芯、4—气隙、101—初级线槽、102—初级半线槽、103—初级齿、104—初级边端齿、105—初级轭、106—饼式绕组、201—永磁体、202—导磁环、203—次级铁芯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
低速高推力密度双层绕组的圆筒型直线电机如图1所示，包括电机初级（1）、电机次级（2）。
电机初级（1）包括初级线槽（101）、初级半线槽（102）、初级齿（103）、初级边端齿（104）、初级轭（105）和饼式绕组（106）。电机初级（1）两端的槽为初级半线槽（102），其余槽为初级线槽（101）；两端的初级半线槽（102）内部各放置一组饼式绕组（106）；初级线槽（101）内部并排放置两组独立的饼式绕组（106）；相邻两个初级线槽（101）由初级齿（102）隔开，电机初级（1）两个端部的初级半线槽（102）的外侧为初级边端齿（104）；初级线槽（101）、初级半线槽（102）、初级齿（103）、初级边端齿（104）和初级轭（105）共同构成初级铁芯（3）。
电机次级（2）包括永磁体（201）、导磁环（202）、次级铁芯（203）。电机初级（1）固定不动，电机次级（2）沿着电机运动方向做往复直线运动。永磁体（201）充磁方向与次级铁芯（203）轴心方向平行；永磁体（201）、导磁环（202）为圆筒型结构，且厚度相同；永磁体（201）、导磁环（202）沿次级铁芯（203）轴心方向依次排列，嵌套于次级铁芯（203）外表面。
电机初级（1）内径大于电机次级（2）外径，电机初级（1）和电机次级（2）设有气隙（4）。
初级线槽（101）与初级半线槽（102）的槽数之和与对应永磁体（201）极数相同。由于初级半线槽（102）的槽宽为初级线槽（101）的一半，故初级线槽（101）与初级半线槽（102）的槽数之和与电机有效槽数之差为1。每个极下每相布置槽数的数目为分数，属于分数槽绕组。
电机初级（1）的初级齿（103）厚度与初级边端齿（104）不同，初级齿（103）厚度较边端初级齿（104）厚1/3齿距。对电机初级（1）的初级边端齿（104）进行剪齿，可明显减小直线电机的齿槽力，同时抑制推力波动。
设极数为n，极距为τ，电机初级（1）的有效长度等于(n+1/2)×τ。当电机初级（1）的有效长度等于(n+1/2)×τ，直线电机的端部力最小。
所述圆筒型电机的绕组排列方式为A+，A-A-，A+A+，A-A-，A+A+，A-B+，B-B-，B+B+，B-B-，B+B+，B-C+，C-C-，C+C+，C-C-，C+C+，C-。边端绕组A+及边端绕组C-所在槽为初级半线槽（102），其余绕组所在槽为初级线槽（101）。
在关键参数相同的条件下，单层分数槽绕组圆筒型永磁直线电机与双层分数槽绕组推力性能进行对比。当单绕组电机加激励源时，单绕组电机的推力在6.95kN左右，最小力为6.25kN，最大力为7.65kN，推力波动为20.14%；当双绕组电机加激励源时，双绕组电机的推力在9.61kN左右，最小力为9.29kN，最大力为9.93kN，推力波动为7.3%。显然，单层分数槽绕组结构电机与双层分数槽结构电机在相同额定功率7.5KW、相同同步速度0.45m/s的条件下，双层分数槽绕组的电机推力大小及推力波动百分都远优于单层分数槽绕组的电机。
在关键参数相同的条件下，只改变工作频率（即电机的同步速度不同），单层分数槽绕组圆筒型永磁直线电机与双层分数槽绕组稳态性能进行对比，如图2、3、4所示。
由图2、3可以看出，直线电机工作频率在30Hz以下，采用分数槽的双绕组圆筒型直线电机在效率及推力密度远优于单绕组结构电机。但是直线电机工作频率在30Hz附近时，采用分数槽的双绕组圆筒型直线电机与单绕组结构电机效率及推力密度性能相似。但直线电机工作频率超过30Hz时，采用分数槽的双绕组圆筒型直线电机在效率及推力密度略优于单绕组结构电机。由图4可以看出，直线电机工作在任何频率下，双绕组电机的推力波动百分比远优于单绕组结构电机。因此采用分数槽的双绕组圆筒型直线电机对于提高电机推力密度，抑制直线电机推力波动，提升电机效率，提高永磁直线电机的稳定性具有重要意义，该结构圆筒型直线电机十分适用于低速、大推力场合。
以上所述仅为本发明的较佳实施实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.低速高推力密度双层分数槽绕组圆筒型直线电机，其特征在于：包括电机初级(1)、电机次级(2)；
电机初级(1)包括初级线槽(101)、初级半线槽(102)、初级齿(103)、初级边端齿(104)、初级轭(105)和饼式绕组(106)；
电机初级(1)两端的槽为初级半线槽(102)，其余槽为初级线槽(101)；
两端的初级半线槽(102)内部各放置一组饼式绕组(106)；初级线槽(101)内部并排放置两组独立的饼式绕组(106)；相邻两个初级线槽(101)由初级齿(103)隔开，电机初级(1)两个端部的初级半线槽(102)的外侧为初级边端齿(104)；初级线槽(101)、初级半线槽(102)、初级齿(103)、初级边端齿(104)和初级轭(105)共同构成初级铁芯(3)；
电机次级(2)包括永磁体(201)、导磁环(202)、次级铁芯(203)；
永磁体(201)、导磁环(202)为圆筒型结构，且厚度相同；永磁体(201)、导磁环(202)沿次级铁芯(203)轴心方向依次排列，嵌套于次级铁芯(203)外表面；
电机初级(1)内径大于电机次级(2)外径，电机初级(1)和电机次级(2)设有气隙(4)；
电机初级(1)固定不动，电机次级(2)沿着电机运动方向做往复直线运动；
初级线槽(101)与初级半线槽(102)的槽数之和与对应永磁体(201)极数相同；每个极下每相布置槽数的数目为分数，属于分数槽绕组，且极数与有效槽数之差为1；
电机初级(1)的初级齿(103)厚度与初级边端齿(104)不同，初级齿(103)较初级边端齿(104)厚；
设极数为n，极距为τ，电机初级(1)的有效长度等于(n+1/2)×τ。
2.根据权利要求1所述的低速高推力密度双层分数槽绕组圆筒型直线电机，其特征在于：绕组排列方式A+，A-A-，A+A+，A-A-，A+A+，A-B+，B-B-，B+B+，B-B-，B+B+，B-C+，C-C-，C+C+，C-C-，C+C+，C-。
3.根据权利要求1所述的低速高推力密度双层分数槽绕组圆筒型直线电机，其特征在于：永磁体(201)充磁方向与次级铁芯(203)轴心方向平行。
4.根据权利要求1所述的低速高推力密度双层分数槽绕组圆筒型直线电机，其特征在于：所述的圆筒型直线电机多台串联运行。
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