CN112600384B - 不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机，属电机技术领域。它包括初级组件和次级组件；初级组件包括初级铁心和电枢绕组；初级铁心上开槽，分别形成初级铁心轭、初级铁心齿和槽；槽内设置电枢绕组，绕组采用集中绕组结构，次级组件包括次级铁心和永磁体；初级组件和次级组件之间为气隙结构，次级铁心开km+1个槽，k为大于等于2的正整数，m为相数，包括km‑1个中间槽和两个端部槽，其中两个端部槽为半槽；该结构利用磁阻推力部分代替永磁推力，有利于降低成本，不对称磁障结构利于降低电机的齿槽力，提高推力密度。
Description
技术领域
本发明属电机领域，特别涉及到一种不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机。
背景技术
在要求性价比与性能兼顾的直线电机运用场合，需要减少高成本、高性能永磁体的用量或采用低成本永磁体进行代替。在旋转电机中，永磁辅助磁阻同步电机是代替永磁同步电机的一种方案，电机的总转矩由磁阻转矩和永磁转矩构成，其中磁阻转矩占较大比重，起到了减少永磁体用量的作用，但由于磁阻转矩的性质，永磁辅助磁阻同步电机的转矩脉动较大。
在直线电机领域中，永磁辅助磁阻同步直线电机铁心开断存在边端效应，另外，由于利用了磁阻推力，存在较大的磁阻力波动，因此推力波动较大。
发明内容
本发明的目的是为了解决永磁辅助磁阻同步直线推力波动大的问题，提出一种不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机。
本发明的具体技术方案如下：
一种不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机，它包括初级组件和次级组件；初级组件包括初级铁心和电枢绕组；初级铁心上开槽，分别形成初级铁心轭、初级铁心齿和槽；槽内设置电枢绕组，绕组采用集中绕组结构，次级组件包括次级铁心和永磁体；初级组件和次级组件之间为气隙结构，
次级铁心开km+1个槽，k为大于等于2的正整数，m为相数，包括km-1个中间槽和两个端部槽，其中两个端部槽为半槽；
所述次级铁心设有梯形磁障，每组梯形磁障至少由三层叠置而成，每一层梯形磁障为由底部的平槽和两侧的斜槽形成的等腰梯形槽，每组梯形磁障中至少在一层的平槽内设置永磁体，每组梯形磁障内永磁体极性充磁方向相同，相邻两组梯形磁障内的永磁体极性充磁方向相反；
相邻梯形磁障的相邻侧斜槽向同一方向偏移距离δ，其中0<δ<Q，Q为梯形磁障中最内层磁障斜槽在次级组件上的投影长度；
进一步地，其中，偏移距离δ=τ/n，τ为极距，n为气隙磁密中含量最高的谐波次数。
进一步地，每组梯形磁障中同层磁障厚度相同，最外层槽厚度最大，中间层其次，最内层厚度最小，且最外层与中间层槽间距大于中间层与最内层槽间距；
进一步地，对于梯形磁障，不偏移侧的斜槽底边厚度一致。
进一步地，每组梯形磁障设有三层磁障，最外层的斜槽开角为θ3，中间层的斜槽开角为θ2，最内层开角θ1最小，其中θ1<θ2<θ3。
进一步地，每组梯形磁障中多层磁障的除最内层均设置有永磁体，永磁体厚度与磁障底部槽厚度相同。
进一步地，所述次级铁心对应每对极距下分别设置两组梯形磁障。
进一步地，直线电机采用单边不对称或双边错位不对称结构。
本发明不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机结构的原理为：
本发明不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机中，次级铁心每两个极距下分别设置三层梯形磁障，相邻梯形磁障相邻侧斜边同向偏移一定距离，如左部磁障右端向左偏移一定距离，右部磁障左端向左偏移一定距离，形成不对称的磁障结构。
由于上述结构设计，当电机电枢轴线与磁障中心线重合时，磁力线通过铁心闭合，此时的磁路磁阻最小，电感最大；当电机电枢轴线与两个相邻梯形磁障的中线重合时，磁力线通过磁障中的三层气隙和三层铁心闭合，此时的磁路磁阻最大，电感最小，因此电机的凸极率大，产生的磁阻推力大。永磁体起到提高功率因数、提供永磁推力的作用，提升了推力密度。梯形磁障其中的一部分边端偏移一定距离，磁路磁阻变化的不同引起电感相位变化不同，使两组磁障产生的磁阻力部分谐波幅值相近，相位相反，从而抑制磁阻同步电机推力波动，如图5所示，且不存在体积与损耗增大等问题。
本发明的结构设计相比现有技术具有如下优点：
1.本发明的电机总推力中磁阻推力占比较高，永磁体仅作为辅助作用，本发明可以采用低性能永磁体或较少的稀土永磁体，有利于电机总成本的控制。
2.本发明采用不对称磁障错位结构抑制了电机推力波动，而电机平均推力不会下降，电机的体积与损耗不会增大。
附图说明
图1为不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机结构示意图；
图2为梯形磁障的结构示意图；
图3为梯形磁障偏移示意图；
图4为双边错位不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机结构示意图；
图5为不对称磁障与对称磁障磁阻同步直线电机推力对比图；
图中，1：初级铁心；1-1：初级铁心轭；1-2：初级铁心齿；1-3：槽；1-3-1：中间槽；1-3-2：端部槽；2：电枢绕组；3：次级铁心；3-1：梯形磁障；3-2：梯形磁障；4：永磁体；5：初级铁心；6：电枢绕组。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明
实施例一：
如图1、2所示，本实施例为单边不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机，它包括初级组件和次级组件。初级组件包括初级铁心1和电枢绕组2。初级铁心1上开槽，形成初级铁心轭1-1，初级铁心齿1-2和槽1-3。本例中槽1-3包括十一个中间槽1-3-1、两个端部槽1-3-2，两个端部槽为半槽，共十三个槽。槽1-3内设置电枢绕组2，绕组采用集中绕组结构，次级组件主要由次级铁心3和永磁体4组成，初级组件和次级组件之间为气隙结构。
次级铁心3对应每对极距下分别设置两组梯形磁障。本例中，初级铁心对应有效长度下的次级铁心设有十组梯形磁障，每组梯形磁障由三层叠置而成，每一层梯形磁障为由底部的平槽和两侧的斜槽形成的等腰梯形槽，每组梯形磁障中底部二层的平槽内设置永磁体，每组梯形磁障内永磁体极性充磁方向相同，相邻两组梯形磁障内的永磁体极性充磁方向相反。
如图3所示，相邻磁障的相邻侧斜槽向同一方向偏移δ距离，其中0<δ<Q，Q为梯形磁障中最内层磁障斜槽在次级组件上的投影长度；图中梯形磁障3-1与梯形磁障3-2，梯形磁障3-1右端向右偏移距离δ，梯形磁障3-2左端向右偏移距离δ，虚线部分为偏移前磁障位置，实线部分为偏移后磁障位置，每层磁障端部偏移量相同。
本实例进一步设计在于，其中，偏移距离δ=τ/n，τ为极距，n为气隙磁密中含量最高的谐波次数。偏移产生的额外气隙谐波磁动势与偏移前的最大谐波磁动势幅值相近，方向相反，相互抵消，降低气隙磁密谐波引起的推力波动。
每组梯形磁障中同层磁障厚度相同，最外层槽厚度最大，中间层其次，最内层厚度最小，且最外层与中间层槽间距大于中间层与最内层槽间距；
对于梯形磁障，不偏移侧的斜槽底边厚度一致。每组梯形磁障中底部二层磁障的内均设置有永磁体，永磁体厚度与磁障底部槽厚度相同。每组梯形磁障设有三层磁障，最外层的斜槽开角为θ3，中间层的斜槽开角为θ2，最内层开角θ1最小，其中θ1<θ2<θ3。进一步降低推力波动
实施例二：
如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于：采用双边错位磁障结构，该双边不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机，上下两边相邻的磁障错开位移为τ/2（τ为电机的次级极距）。相绕组采用分数槽集中绕组，上层线圈排列为：A1-X1-Y1-B1-C1-Z1-X1-A1-B1-Y1-Z1-C1；下层线圈排列为：A2-X2-Y2-B2-C2-Z2-X2-A2-B2-Y2-Z2-C2。上下层线圈电流相位相差90°。
测试实例一：
如图5为不对称磁障磁阻同步直线电机（A）与对称磁障磁阻同步直线电机（B）推力对比的有限元计算结果图。电机（A）的推力波动小于电机（B）。测试两台电机的次级极距相同，均为21mm；初级同为12槽10极集中绕组结构，其中电机（A）每两个极距下的一组梯形磁障如图2所示进行偏移设置，电机（B）磁障为对称机构，无偏移，其中电机（A）δ=1.2mm，磁障3-1 θ1=69°，θ2=60°，θ3=62°，θ4=42°，θ5=50°；磁障3-2 θ1=42°，θ2=50°，θ3=56°，θ4=28°，θ5=43°，θ6=51°，电机（B）δ=0，磁障对称，θ1=θ4=42°，θ2=θ5=50°，θ3=θ6=56°且电机（A）与电机（B）每组磁障除最内层磁障底部安置永磁体，相邻磁障下永磁体方向相反。计算结果显示电机（A）的平均推力为226N，推力波动为8%，电机（B）的平均推力为232N，推力波动为17%。
Claims (8)
1.不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机，它包括初级组件和次级组件；初级组件包括初级铁心和电枢绕组；初级铁心上开槽，分别形成初级铁心轭、初级铁心齿和槽；槽内设置电枢绕组，绕组采用集中绕组结构，次级组件包括次级铁心和永磁体；初级组件和次级组件之间为气隙结构，其特征在于：
初级铁心开km+1个槽，k为大于等于2的正整数，m为相数，包括km-1个中间槽和两个端部槽，其中两个端部槽为半槽；中间槽为十一个，初级铁心共开十三个槽；
所述次级铁心上设有梯形磁障，每组梯形磁障至少由三层叠置而成，每一层梯形磁障为由底部的平槽和两侧的斜槽形成的梯形槽，每组梯形磁障中至少在一层的平槽内设置永磁体，每组梯形磁障内永磁体极性充磁方向相同，相邻两组梯形磁障内的永磁体极性充磁方向相反；
每组梯形磁障的每一层梯形磁障一侧的斜槽均向一方向偏移距离δ,另一侧的斜槽不偏移，形成非等腰梯形槽,相邻两组梯形磁障的偏移的斜槽相邻且偏移方向相同，其中0<δ<Q，Q为梯形磁障中最内层磁障斜槽在次级组件上的投影长度。
2.根据权利要求1所述不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机，其特征在于：其中，偏移距离δ=τ/n，τ为极距，n为气隙磁密中含量最高的谐波次数。
3.根据权利要求1或2所述不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机，其特征在于：每组梯形磁障中同层磁障厚度相同，最外层槽厚度最大，中间层其次，最内层厚度最小，且最外层与中间层槽间距大于中间层与最内层槽间。
4.根据权利要求3所述不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机，其特征在于：对于梯形磁障，不偏移侧的斜槽底边厚度一致。
5.根据权利要求4所述不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机，其特征在于：每组梯形磁障设有三层磁障，最外层的斜槽开角为θ3，中间层的斜槽开角为θ2，最内层开角θ1最小，其中θ1<θ2<θ3，所述斜槽开角指梯形磁障底边与斜槽的夹角。
6.根据权利要求5所述不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机，其特征在于：每组梯形磁障中多层磁障的除最内层均设置有永磁体，永磁体厚度与磁障底部槽厚度相同。
7.根据权利要求6所述不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机，其特征在于：所述次级铁心对应每对极距下分别设置两组梯形磁障。
8.根据权利要求1所述不对称磁障永磁辅助磁阻同步直线电机，其特征在于：直线电机采用单边不对称或双边错位不对称结构。
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