CN110138173A - 一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，包括初级和次级。初级包括k*m*n个初级模块，m为相数，k、n为自然数；次级为齿槽结构。每个初级模块包括一个U形导磁材料和电枢绕组，以及设置于U形导磁材料槽口处的永磁体，永磁体充磁方向为水平充磁。次级为齿槽结构的导磁材料。本电机具有定位力小，功率密度高，次级结构简单，容错性能良好，成本低等特点，可用于作为电动机运行时，可以用于长距离轨道交通等领域，作为发电机运行时，可以应用于海浪发电等领域。

Description

一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机

技术领域

本发明涉及的是一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，属于电机制造技术领域。

背景技术

随着工业的发展，电机在各类场合应用越来越广泛。在轨道交通、垂直升降等领域，传 统旋转电机需要依靠机械传动装置，将旋转力矩转换为黏着式推力，导致效率较低，并且输 出推力受到轨道状况、摩擦系数等因素影响，因此其应用受到了一定的限制。与旋转电机相 比，直线电机驱动***直接产生电磁力，具有推力非黏着、体积小、功率密度高的优点，因 此在轨道交通、垂直升降等领域应用前景光明。

近年来，直线感应电机在国内外轨道交通领域应用广泛。直线感应电机的次级仅由感应 板与导磁板构成，初级由电枢绕组与铁心构成，具有结构简单，体积小，成本低的优点，但 是直线感应电机涡流损耗较高，因此效率与功率因数较低，同时直线感应电机的控制较为复 杂，因此其长期运营成本与***成本较高。

传统永磁直线同步电机的效率、功率因数、功率密度均较高；然而该类电机的永磁体置 于次级，沿轨道铺设，次级成本高昂，且定位力较大，同时，传统永磁电机的弱磁性能较 差，难以实现高速下的恒功率控制，调速范围有限，这些缺点极大地限制了其在长行程领域 的应用。

近年来，开关磁阻电机在轨道交通领域的应用受到了相关学者的关注。开关磁阻电机的 次级仅由导磁材料构成，结构简单，初级仅由电枢绕组与导磁材料构成，不含永磁体，因此 成本较低且容错性能较好。然而，开关磁阻电机的转矩波动较大，噪声较高，同时功率密度 与功率因数较低，较高的能耗与高昂的***成本限制了其在轨道交通领域的应用。

现有研究结果表明，初级混合励磁型电机兼具次级结构简单、功率密度高、功率因数 高、便于调节励磁磁场、便于实现弱磁调速的优点，因此，研究初级混合励磁型直线电机具 有重要意义。该类电机在长距离轨道交通、海浪发电、垂直升降等领域都有着广泛的应用前 景。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的在于提供一种模块化高推力密度开关磁阻直线 电机，该电机将永磁体置于初级，次级结构简单可靠，定位力小，且有效提高了电机的功率 密度与功率因数，进而提高了其效率与功率因数。此外，本发明中的互补式结构可以有效降 低电机的推力波动，进而降低电机运行时的噪声，提升其可靠性。

本发明提出一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，包括初级11和次级10，所述初 级11与次级10之间具有气隙，所述初级11包括初级模块110，所述次级10为齿槽结构；

每个所述初级模块110包括一个U形导磁材料111和电枢绕组112，以及设置于U形导 磁材料111槽口处的永磁体113；

m*n个连续所述初级模块110构成一个初级模组115；所述初级模组115中，每连续n个所述初级模块110为同相初级模块110；连续k个所述初级模组115构成完整的电机；

相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离为λ₁；相邻两个所述初级模组115中轴 线之间的距离为λ₂；当n≥2时，同一初级模组115中相邻两个同相初级模块100中轴线之间的距离为λ₃，相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离为τ_s；其中λ₁、λ₂、λ₃和 τ_s满足如下关系：

或

其中，m为相数，n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数，i、j、p为自 然数，k为初级模组115数，h为通过b类结构消除的推力谐波次数。

进一步地，同一所述初级模块110内的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同相。

进一步地，永磁体113水平充磁，相邻永磁体113的充磁方向相同。

更进一步地，当λ₁、λ₂、λ₃和τ_s满足a类关系时，k个所述初级模组115串联构成 一个整体或分开控制。

更进一步地，当λ₁、λ₂、λ₃和τ_s满足b类关系时，电机形成互补结构，所述k个连 续初级模组115分开控制，相邻初级模组115的供电相差1/(2h)个电周期。

作为一种优选，该电机还包括在相邻所述初级模块110间的连接桥114，所述连接桥 114为导磁或非导磁材料。

作为上述电机的一种变换形式，该电机以所述次级10下边沿或初级11上边沿为轴垂直 翻转，构成双边平板结构电机。

作为一种优选，所述电枢绕组112为铜或超导材料。

作为上述电机的一种变换形式，所述一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机为发电机 或电动机。

本发明电机主要存在如下优点：

本发明提出的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，具有次级结构简单，便于维 护，定位力较小的特点。本发明改善了传统开关磁阻电机效率、功率因数较低的缺点，通过 初级永磁式结构有效提升了电机的功率密度、效率与功率因数，进而降低了电机长期运行成 本与***成本。此外，通过不同初级模组之间的分开控制，本发明实现了指定次数的推力谐 波进行消除，进而有效减小电机推力波动与噪声，提升其可靠性，降低对***要求。同时， 本发明作为电动机运行时，适用于对电机功率密度与效率有一定要求的场合，例如轨道交通 与垂直升降驱动电机。作为发电机运行时，该电机适合于海浪发电等领域。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图；

图2本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图；

图3本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图；

图4本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图；

图5本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图；

其中，10-次级，11-初级，100-次级齿，110-初级模块，111-U形导磁材料，112-电枢绕组，113-永磁体，114-连接桥，115-初级模组。

具体实施方式

本发明提供一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，为使本发明的目的，技术方案及 效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所 描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，包括初级11和次级10，所述初 级11与次级10之间具有气隙，所述初级11包括初级模块110，所述次级10为齿槽结构；

每个所述初级模块110包括一个U形导磁材料111和电枢绕组112，以及设置于U形导 磁材料111槽口处的永磁体113；

m*n个连续所述初级模块110构成一个初级模组115；所述初级模组115中，每连续n个 所述初级模块110为同相初级模块110；连续k个所述初级模组115构成完整的电机；

相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离为λ₁；相邻两个所述初级模组115中轴线 之间的距离为λ₂；当n≥2时，同一初级模组115中相邻两个同相初级模块100中轴线之间的 距离为λ₃；相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离为τ_s；其中λ₁、λ₂、λ₃和τ_s满足如下 关系：

或

其中，m为相数，n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数，i、j、p为自然数，k为初级模组115数，h为通过b类结构消除的推力谐波次数。

进一步地，同一所述初级模块110内的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同相。

进一步地，永磁体113水平充磁，相邻永磁体113的充磁方向相同。

更进一步地，当λ₁、λ₂、λ₃和τ_s满足a类关系时，k个所述初级模组115串联构成一个整 体或分开控制。

更进一步地，当λ₁、λ₂、λ₃和τ_s满足b类关系时，电机形成互补结构，所述k个连续初级模组115分开控制，相邻初级模组115的供电相差1/(2h)个电周期。

作为一种优选，该电机还包括在相邻所述初级模块110间的连接桥114，所述连接桥114 为导磁或非导磁材料。

作为上述电机的一种变换形式，该电机以所述次级10下边沿或初级11上边沿为轴垂直 翻转，构成双边平板结构电机。

作为一种优选，所述电枢绕组112为铜或超导材料。

作为上述电机的一种变换形式，所述一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机为发电机 或电动机。

实施例1

参见图1，本发明的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，λ₁、λ₂、λ₃和τ_s满足a类 关系，

本实施例中，m＝3，n＝1，k＝2，i＝2，(1)式中正负号取负。因此，λ₁＝5/3τ_s，λ₂＝3λ₁＝5τ_s。 其中，m为相数，n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数，k为完整初级11具 有的初级模组115数，λ₁为相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离；λ₂为相邻两个所 述初级模组115中轴线之间的距离；当n≥2时，λ₃为同一初级模组115中相邻两个同相初级 模块100中轴线之间的距离；τ_s为相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离。

本实施例中的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，包括初级11和次级10，初级 11与次级10之间具有气隙。初级11包括初级模块110，次级10为齿槽结构。每个初级模块 110包括一个U形导磁材料111和电枢绕组112，以及设置于U形导磁材料111槽口处的永磁体113。永磁体113采用水平充磁，相邻永磁体113充磁方向相同，均为向左。每个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同一相。本实施例中，初级模块110的电枢 绕组自左向右为A相-B相-C相循环。适用于传统开关磁阻电机的驱动方式同样适用于本发明，本实施例中的2个初级模组115可采用串联供电或分开控制。

本实施例中m＝3，即电机为三相电机，包含A、B、C三相，每m*n＝3个初级模块110组成一个初级模组115，每个初级模组115中每相仅由n＝1个初级模块110构成，因此，λ₃不具实际意义，k＝2个初级模组115构成完整的初级11。

本实施例的结构特点如下：第一，对比传统开关磁阻电机，本发明为初级永磁式结构， 功率密度以及功率因数更高；第二，对比传统永磁电机，本发明在空载时永磁体磁路由U型 导磁材料短路，几乎不经过气隙，因此定位力较小，同时，永磁体的利用率也更高；第三， 次级仅为齿槽结构的导磁材料，结构简单，便于维护，成本较低；第四，电机采用模块化结 构，便于生产制造。

实施例2

图2也为一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，λ₁、λ₂、λ₃和τ_s满足a类关系，

本实施例中，m＝3，n＝2，k＝1，i＝4，p＝2，(1)式中正负号取正。因此，λ₁＝13/3τ_s，λ₃＝2τ_s。 其中，m为相数，n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数，k为完整初级11具 有的初级模组115数，λ₁为相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离；λ₂为相邻两个所 述初级模组115中轴线之间的距离；当n≥2时，λ₃为同一初级模组115中相邻两个同相初级 模块100中轴线之间的距离；τ_s为相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离。

本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中，每m*n＝6个初级模块110组成一个 初级模组115，每个初级模组115中每相由连续n＝2个初级模块110构成，本实施例中k＝1， 单初级模组115即为完整的初级11，故λ₂不具实际意义。

本实施例中，永磁体113采用水平充磁，相邻永磁体113充磁方向相同，均为向左。每 个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同一相。本实施例中，初级模块110 的电枢绕组自左向右为A相-A相-C相-C相-B相-B相。适用于传统开关磁阻电机的驱动方式 同样适用于本发明。

本实施例的结构特点如下：第一，与实施例1相比，本实施例中的同相初级模块连续设 置，可使各相供电更为紧凑，在大功率场合，降低供电设备设置的复杂程度，提高***容错 性；第二，一般情况下，针对(1)式或(4)式中正负号取正的情况，与不采用连续同相初级模块的结构相比，本实施例可以有效减小初级的长度，减小初级的体积，进而提升电机的功率密度。

实施例3

图3也为一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，λ₁、λ₂、λ₃和τ_s满足b类关系，

本实施例中，m＝3，n＝1，k＝2，i＝2，j＝0，h＝1，(4)式中正负号取负。因此，λ₁＝5/3τ_s， λ₂＝5.5τ_s。其中，m为相数，n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数，k为完整 初级11具有的初级模组115数，λ₁为相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离；λ₂为相 邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离；当n≥2时，λ₃为同一初级模组115中相邻两个 同相初级模块100中轴线之间的距离；τ_s为相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离。

本实施例与实施例1的不同之处在于，相邻初级模组115与次级10的相对位置不同，错 开1/(2h)个电周期，由此可以消除h次的推力谐波。

本实施例也为三相电机，包含A、B、C三相，本实施例中采用了互补式结构，每m*n＝3 个初级模块110组成一个初级模组115，每个初级模组115中每相仅由n＝1个初级模块110构成，因此，λ₃不具实际意义，k＝2个初级模组115构成完整的初级11。

本实施例中，永磁体113采用水平充磁，相邻永磁体113充磁方向相同，均为向左。每 个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同一相。本实施例中，初级模块110 的电枢绕组自左向右为A相-B相-C相循环。适用于传统开关磁阻电机的驱动方式同样适用 于本发明。本实施例中的2个初级模组114由控制器分开控制。

本实施例的结构特点如下：通过采用互补式空间分布的模组，可以实现针对某次推力谐 波的消除，进而降低推力波动，降低噪音，提升***稳定性。

实施例4

图4也为一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机。本实施例与实施例1的不同之处在 于，本实施例为一台五相电机，并且相邻初级模块110之间设有连接桥114。本实施例中，连 接桥114的材料与U形导磁材料111相同，因此在制造时可直接制造整个初级。λ₁、λ₂、λ₃和 τ_s满足a类关系，

本实施例中，m＝5，n＝1，k＝2，i＝2，(1)式中正负号取负。因此，λ₁＝9/5τ_s，λ₂＝5λ₁＝9τ_s。 其中，m为相数，n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数，k为完整初级11具 有的初级模组115数，λ₁为相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离；λ₂为相邻两个所 述初级模组115中轴线之间的距离；当n≥2时，λ₃为同一初级模组115中相邻两个同相初级 模块100中轴线之间的距离；τ_s为相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离。

本实施例为五相电机，包含A、B、C、D、E三相，本实施例中采用了互补式结构，每 m*n＝5个初级模块110组成一个初级模组115，每个初级模组115中每相仅由n＝1个初级模 块110构成，因此，λ₃不具实际意义，k＝2个初级模组115构成完整的初级11。

本实施例中，永磁体113采用水平充磁，相邻永磁体113充磁方向相同，均为向左。相 邻初级模块110之间不设连接桥114，每个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反，且 属于同一相。本实施例中，初级模块110的电枢绕组自左向右为A相-B相-C相-D相-E相循环。适用于传统开关磁阻电机的驱动方式同样适用于本发明。本实施例中的2个初级模组115 可串联控制或分开控制。

实施例5

图5也为一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机。本实施例与实施例1的不同之处在 于，本实施例为双边平板式电机。

以实施例1中电机的次级10下边沿为轴进行垂直翻转，构成的双边平板结构电机即为本 实施例。本实施例中，永磁体113采用水平充磁，相邻永磁体113充磁方向相同，均为向左。 相邻初级模块110之间不设连接桥114，每个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反， 且属于同一相。本实施例中，初级模块110的电枢绕组自左向右为A相-B相-C相循环。适用 于传统开关磁阻电机的驱动方式同样适用于本发明。本实施例中的一侧的2个初级模组可以 串联或分开控制，同时，本实施例的上下两边也可以串联或并联控制。

本实施例的结构特点如下：电机采用双边结构，可以有效提升电机的功率输出，适用于 如垂直升降、长距离驱动等大功率场合。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应 该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原 理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进 都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，包括初级(11)和次级(10)，所述初级(11)与次级(10)之间具有气隙，所述初级(11)包括初级模块(110)，所述次级(10)为齿槽结构，其特征在于，

每个所述初级模块(110)包括一个U形导磁材料(111)和缠绕在U形导磁材料(111)齿上的电枢绕组(112)，以及设置于U形导磁材料(111)槽口处的永磁体(113)；

m*n个连续所述初级模块(110)构成一个初级模组(115)；所述初级模组(115)中，每连续n个所述初级模块(110)为同相初级模块(110)；连续k个所述初级模组(115)构成完整的电机；

相邻两相所述初级模块(110)中轴线之间的距离为λ1；相邻两个所述初级模组(115)中轴线之间的距离为λ2；当n≥2时，同一初级模组(115)中相邻两个同相初级模块(100)中轴线之间的距离为λ3；相邻两个所述次级齿(100)中轴线之间的距离为τs；其中λ1、λ2、λ3和τs满足如下关系：

或

其中，m为相数，n为初级每个初级模组(115)中同相的初级模块(110)数，i、j、p为自然数，k为初级模组(115)数，h为通过b类结构消除的推力谐波次数。

2.根据权利要求1所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，其特征在于，同一所述初级模块(110)内的电枢绕组(112)绕线方向相反，且属于同相。

3.根据权利要求1所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，其特征在于，永磁体(113)水平充磁，相邻永磁体(113)的充磁方向相同。

4.根据权利要求1所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，其特征在于，当λ1、λ2、λ3和τs满足a类关系时，k个所述初级模组(115)串联构成一个整体或分开控制。

5.根据权利要求1所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，其特征在于，当λ1、λ2、λ3和τs满足b类关系时，电机形成互补结构，所述k个连续初级模组(115)分开控制，相邻初级模组(115)的供电相差1/(2h)个电周期。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，其特征在于，该电机还包括在相邻所述初级模块(110)间的连接桥(114)，所述连接桥(114)为导磁或非导磁材料。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，其特征在于，以所述次级(10)下边沿或初级(11)上边沿为轴垂直翻转，构成双边平板结构电机。

8.根据权利要求1至6任一项所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，其特征在于，所述电枢绕组(112)为铜或超导材料。

9.根据权利要求1至7任一项所述的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，其特征在于，所述一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机为发电机或电动机。