CN111064341B - 一种六单元永磁直线电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种六单元永磁直线电机，定子部分包括六棱柱状定子，六棱柱状定子的六个侧面分别设置有凹槽，凹槽内分别设置有永磁体；动子部分包括：动子铁心、铁心线圈、动子外壳、端盖以及动子内壳；6个动子铁心设置在动子外壳、端盖以及动子内壳构成的壳体内；铁心线圈绕制在动子铁心的线槽内，动子内壳与定子部分之间存在气隙，六棱柱状定子与动子部分为同轴装配。本发明功率密度高，利用直线电机在圆周方向的磁场空间产生电磁推力，具有六个独立控制的电机单元，在任意一个电机单元产生故障后，都能够通过改变控制策略继续平稳运行，有出色容错能力，相比传统的单边和双边型直线电机具有更好的运行平稳性，能更有效的消除空间不对称径向力。

Description

一种六单元永磁直线电机
技术领域
本发明涉及一种永磁直线电机，特别是一种六单元高功率密度永磁直线电机，属于电机技术领域。
背景技术
传统能源使用过程中伴随着污染与开发费用越来越高的问题，人们开始重视可再生能源的开发和利用。目前能够利用的可再生能源主要有太阳能、风能、波浪能等。
海洋占地球总面积的70％，因此开发海洋能源有着十分广阔的前景。为了提高波浪能发电的效率和提高发电装置的功率密度，本发明设计了一种六单元永磁直线电机。最常见的直线电机是利用单边动子滑块与单面贴合永磁体的定子之间的相对运动产生输出功率。为了提高效率和空间利用率，双边及圆筒式直线电机也被广泛采用。
由于受到海浪冲击和浮游生物生长等情况的影响，电机在波浪能发电***中长时间工作后发生故障的概率较大。例如单定子直线电机结构中，当绕组线圈出现故障，将导致整个***无法正常工作，双边结构直线电机虽然具有一定的容错性能，但是出现故障后将产生不平衡磁拉力，导致***稳定性大大降低。此外，目前现有结构直线电机的功率密度较低，波浪能转化的效率不高，这都将影响波浪能的开发和利用前景。
因此，为了提高***容错率与设备可靠性，同时提高输出功率密度，本发明设计了一种六单元永磁直线发电机装置。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、运行可靠，容错性好，功率密度高的的六单元高功率密度永磁直线发电机装置，能够满足技术要求的输出功率和转矩。
为解决上述技术问题，本发明的一种六单元永磁直线电机，包括动子部分和定子部分，定子部分包括六棱柱状定子8，六棱柱状定子8的六个侧面分别设置有凹槽，凹槽内分别设置有永磁体9；
动子部分包括：动子铁心1、铁心线圈2、动子外壳5、端盖6以及动子内壳7；6个动子铁心1设置在动子外壳5、端盖6以及动子内壳7构成的壳体内；铁心线圈2绕制在动子铁心1的线槽内，动子内壳7与定子部分之间存在气隙，六棱柱状定子8与动子部分为同轴装配。
作为本发明的一种改进，6个动子铁心1分别与六棱柱状定子8的6个侧面一一对应。
作为本发明的另一种改进，动子铁心1和端盖之间设置有辅助块，辅助块包括玻璃钢辅助块3和硅钢片辅助块4。
作为本发明的又一种改进，6个动子铁心1的一端卡在动子外壳5的凹槽11中，另一端与动子内壳7贴合，动子外壳5的凹槽11开槽深度h的设计范围具体为：
Figure BDA0002367290170000021
其中，k为裕量系数，本设计中的取值范围为1.1-1.4，Fτ为单元电机的径向电磁力，Fn为动子外壳材料的许用抗压强度，He为动子铁芯的轭部高度。
作为本发明的再一种改进，相邻的动子外壳5的凹槽11间设置有三个轴向均布的通孔12，通孔用于穿过铁心线圈导线，使其与电源变换器连接。
本发明的有益效果：本发明充分考虑了传统单边、双边以及圆筒式直线电机结构及性能的局限性，优化了直线电机的结构，提出的六单元永磁直线电机具备更高的功率密度、可靠性。
提出了六棱柱型直线电机结构，具有较高的功率密度，充分利用直线电机在圆周方向的磁场空间产生电磁推力。且本发明提出的六棱柱型直线电机无法通过现有直线电机结构联想出来，是需要根据所提出的结构进行电磁场计算和分析确定结构尺寸。
电机具有六个独立控制的电机单元，在任意一个电机单元产生故障后，都能够通过改变控制策略继续平稳运行，有出色的容错能力。
本发明提出的六棱柱型电机相比于传统的单边和双边型直线电机具有更良好的运行平稳性，能更有效的消除空间不对称径向力。
附图说明
图1为本发明的总体装配结构前视剖面图；
图2为本发明的总体装配结构左视剖面图；
图3为本发明的动子部分前视剖面图；
图4为本发明的动子外壳左视图；
图5为本发明的动子部分左视剖面图；
图6为本发明的定子部分前视剖面图；
图7为本发明的永磁体分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
结合图1—图7，本发明的六棱柱状直线电机包括：动子和定子两个部分。其中动子部分主要包括6个动子铁心1、铁心线圈2、辅助块，其中包括玻璃钢辅助块3和硅钢片辅助块4两种，各12个、动子外壳5、2个端盖6以及动子内壳7等部分。定子部分主要包括六棱柱状定子8、永磁体9、无纬带10等部分。
定子部分呈六棱柱状，永磁体9贴合六个侧面，并紧密排布。六块动子铁心1围绕六棱柱状定子8一周均匀分布；铁心线圈2绕制在动子铁心线槽内；一个动子铁心1与其相对应的定子部分共同组成电机的一个单元。紧贴动子铁心两侧的依次是尺寸不同的玻璃钢辅助块3和硅钢片辅助块4。动子外壳5位于动子铁心1外，动子内壳7位于定子部分和动子铁心1之间，紧贴动子铁心1，且与定子部分之间存在气隙。动子内壳7与动子外壳5共同作用于动子铁心1，使其固定。端盖6位于动子外壳5两侧，与动子外壳5和动子内壳7固定。
动子外壳5的凹槽与动子铁心1的尺寸配合、玻璃钢辅助块3和硅钢片辅助块4与动子外壳5的尺寸配合以及动子内壳7与动子铁心1尺寸配合均为过渡配合；动子外壳5与端盖6为螺栓连接，端盖6与动子内壳7尺寸配合为间隙配合。
动子外壳5上，每两个动子外壳凹槽11间存在有三个轴向均布的通孔12，用于穿过铁心线圈2导线，使其与电源变换器连接；两个动子外壳凹槽间进行圆角处理。六棱柱状定子8与动子部分为同轴装配。永磁体9与六棱柱状定子8之间为胶粘连接，沿轴线紧密排布，并围绕轴线均布于六棱柱状定子8六个表面；六棱柱状定子8外绑扎无纬带10，用于加固永磁体9。
其中重要参数的设计如下所示：
结合图6，永磁体9的截面宽度D的设计范围如公式(1)所示。
Figure BDA0002367290170000031
其中，Pem为直线电机的电磁总功率，N为绕组线圈的匝数，B0为永磁体表磁，leq为线圈等效径向长度，IN为绕组额定电流值，R为六棱柱定子圆周半径长度。
动子外壳部件的凹槽开槽深度h的设计范围如公式(2)所示。
Figure BDA0002367290170000032
其中，k为裕量系数，本设计中的取值范围为1.1-1.4，Fτ为单元电机的径向电磁力，Fn为动子外壳材料的许用抗压强度，He为动子铁芯的轭部高度。
工作过程如下：
发电机的工作过程本质是机械能转化为电能的过程，输入量为推力和速度，输出量为电压和电流。推力作用在六单元高功率密度永磁直线电机的动子部分，使动子部分相对于同轴装配的定子部分做直线往复运动。当动子部分运动时，绕组线圈将切割磁感线，利用“电磁感应”原理产生感应电动势，实现三相交流电压的输出。所设计电机的六个单元可以独立装配，能够通过各自的驱动器独立控制，每个单元输出三相交流电。永磁体径向充磁，并采用斜极的方式安装。驱动方式和普通三相发电机相同，也可以采用普通三相永磁同步电机控制策略。

Claims (4)

1.一种六单元永磁直线电机，包括动子部分和定子部分，其特征在于：定子部分包括六棱柱状定子(8)，六棱柱状定子(8)的六个侧面分别设置有凹槽，凹槽内分别设置有永磁体(9)；
动子部分包括：动子铁心(1)、铁心线圈(2)、动子外壳(5)、端盖(6)以及动子内壳(7)；6个动子铁心(1)设置在动子外壳(5)、端盖(6)以及动子内壳(7)构成的壳体内；铁心线圈(2)绕制在动子铁心(1)的线槽内，动子内壳(7)与定子部分之间存在气隙，六棱柱状定子(8)与动子部分为同轴装配；动子铁心(1)和端盖之间设置有玻璃钢辅助块；动子部分长度小于定子部分长度；
电机的六个单元通过各自的驱动器独立控制，每个单元输出三相交流电；
永磁体(9)的截面宽度D的设计范围满足：
Figure FDA0003242491180000011
其中，Pem为直线电机的电磁总功率，N为绕组线圈的匝数，B0为永磁体表磁，leq为线圈等效径向长度，IN为绕组额定电流值，R为六棱柱定子圆周半径长度；
6个动子铁心(1)的一端卡在动子外壳(5)的凹槽(11)中，另一端与动子内壳(7)贴合，所述动子外壳(5)的凹槽(11)开槽深度h的设计范围具体为：
Figure FDA0003242491180000012
其中，k为裕量系数，本设计中的取值范围为1.1-1.4，Fτ为单元电机的径向电磁力，Fn为动子外壳材料的许用抗压强度，He为动子铁芯的轭部高度。
2.根据权利要求1所述的一种六单元永磁直线电机，其特征在于：6个动子铁心(1)分别与六棱柱状定子(8)的6个侧面一一对应。
3.根据权利要求1或2所述的一种六单元永磁直线电机，其特征在于：动子铁心(1)和端盖之间设置有硅钢片辅助块。
4.根据权利要求1所述的一种六单元永磁直线电机，其特征在于：相邻的动子外壳(5)的凹槽(11)间设置有三个轴向均布的通孔(12)，通孔用于穿过铁心线圈导线，使其与电源变换器连接。
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