CN114977718A - 一种初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机技术领域，具体公开了一种初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机，包括至少一个单相初级单元和次级单元，次级单元包括两个平板单元，单相初级单元位于两个平板单元之间；单相初级单元包括初级铁心、绕组和初级永磁体，初级铁心设置有多个，多个初级铁心分为两列，两列初级铁心交错分布，绕组缠绕在两列初级铁心上，初级铁心上均设置有初级永磁体，平板单元包括次级铁心和次级永磁体，次级铁心为板状，次级铁心与单相初级单元之间为气隙，次级永磁体设置在次级铁心上与单相初级单元相对的一侧，初级永磁体与次级永磁体相对设置。本发明具有空间利用率高、推力密度大、无法向力影响、容错能力强、易模块化的优点。

Description

一种初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别是一种初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机。

背景技术

在数控加工机床、物流运输、无绳电梯、轨道交通等需求运载部件进行直线运动的应用场合中，采用直线电机直接驱动负载可避免传统旋转电机间接驱动负载时由中间机械转换传动装置带来的位置精度下降、***效率降低、磨损加重、噪声增大等问题，具有显著的性能优势和良好的应用前景。因此，直线电机及其驱动***成为了电机领域的一个重点研究方向。

传统平板型永磁同步直线电机中，对应电负荷的绕组槽与对应磁负荷的铁心齿位于同一平面内，两者存在直接的竞争关系，无法同时提升，限制了直线电机推力密度的进一步提升。平板型横向磁通直线电机中主磁通回路与电机运动方向垂直，电机的电路与磁路在空间内相对解耦，电磁负荷可在一定范围内同时提升以增大电机的推力密度，使得横向磁通直线电机具有推力密度大、设计灵活、易模块化等优点。然而，受横向磁通电机中磁通分布特点限制，现有平板式横向磁通直线电机的初级铁心间距为永磁体极距的2倍，相邻初级铁心间存在大量的冗余空间，造成了电机空间的浪费，电机的推力密度有待进一步提升。此外，现有横向磁通直线电机的定位力通常比传统永磁同步直线电机更大，造成直线电机运行中的推力波动增加、输出力品质降低，限制了横向磁通直线电机的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机，包括至少一个单相初级单元和次级单元，所述次级单元包括两个平板单元，所述的单相初级单元位于两个平板单元之间；所述的单相初级单元包括初级铁心、绕组和初级永磁体，所述初级铁心设置有多个，多个初级铁心分为两列，两列初级铁心交错分布，所述绕组缠绕在两列初级铁心上，所述初级铁心上均设置有初级永磁体，所述平板单元包括次级铁心和次级永磁体，所述次级铁心为板状，次级铁心与单相初级单元之间为气隙，所述次级永磁体设置在次级铁心上与单相初级单元相对的一侧，所述初级永磁体与次级永磁体相对设置。

具体的，所述初级铁心为E形结构，其中间为大齿，上下两端为小齿，所述绕组缠绕在中间的大齿上，两列初级铁心的开口分别朝向不同的次级铁心。

具体的，所述初级铁心的大齿和小齿均为T型结构，其T型的短边的长度为两倍极距，长边的宽度小于一个极距。

具体的，所述初级铁心的大齿和小齿与次级铁心相对的端面上均沿竖直方向开设有浅槽，每列初级铁心相邻的初级铁心上的浅槽槽距为一个极距，同一初级铁心的上下两端的小齿上设置的浅槽上下对齐，所述初级铁心的大齿上设置的浅槽与小齿上设置的浅槽错位一个极距，所述初级永磁体镶嵌于浅槽内。

具体的，所述的次级铁心与单相初级单元相对的一侧沿长度方向均匀开设置有竖向的安装槽，所述的次级永磁体镶嵌在安装槽内，相邻所述安装槽的间距为两个极距，两个所述次级铁心上设置的安装槽错位一个极距。

具体的，同一所述次级铁心上设置的次级永磁体的充磁方向相同，且与相对的初级永磁体的充磁方向相同。

具体的，所述的单相初级单元还包括固定板，所述固定板设置有两个，两个固定板分别设置在两列初级铁心的上下两端，两个所述固定板通过螺栓固定在一起将两列初级铁心限位在两个固定板之间，所述固定板上设置有限位槽，所述两列初级铁心的上下两端分别卡入对应的固定板的限位槽内。

本发明具有以下优点：

1、通过两侧初级铁心的反向交错排布，充分利用了电机的初级空间，相比现有平板式横向磁通直线电机有效提高了初级空间利用率；

2、电机的初次极内均包含励磁永磁体，且双边磁路单元内永磁磁通交链绕组的方向全部一致，在未增大电机初级总体积的前提下，显著增大了交链绕组的永磁磁通，即提高了电机的推力密度，也有利于提升电机的功率因数；

3、电机各相间无磁路耦合，初级铁心易于模块化设计，提高了电机的容错能力；

4、电机设计为双边结构，两侧法向力方向相反，可互相抵消，避免了单边结构中由法向强拉力带来的附加摩擦力及导轨损耗问题，可延长直线导轨的使用寿命，与传统平板型横向磁通直线电机相比，本发明所提出的初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机具有空间利用率高、推力密度大、无法向力影响、容错能力强、易模块化的优点，在对直线电机体积、推力、容错能力要求严格的特殊应用场合中具有极其良好的应用前景。

附图说明

图1 为本发明的电机整体结构示意图；

图2 为本发明的单相初级单元整体结构示意图；

图3 为本发明的两列初级铁心排布结构示意图；

图4 为本发明的两列初级铁心***结构示意图；

图5 为本发明的初级铁心结构示意图；

图6 为本发明的固定板结构示意图；

图7 为本发明的次级单元结构示意图；

图8 为电角度0°时初级铁心的小齿处内主磁通回路示意图；

图9 为电角度0°时初级铁心的大齿处内主磁通回路示意图；

图10 为电角度0°时直线电机初次极相对位置变化时的电机内主磁通回路示意图；

图11 为电角度180°时初级铁心的小齿处内主磁通回路示意图；

图12 为电角度180°时初级铁心的大齿处内主磁通回路示意图；

图13 为电角度180°时直线电机初次极相对位置变化时的电机内主磁通回路示意图；

图中：1-单相初级单元，11-初级铁心，111-小齿，112-大齿，113-浅槽，12-绕组，13-初级永磁体，14-固定板，2-平板单元，21-次级铁心，22-次级永磁体。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1-图13所示，一种初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机，包括至少一个单相初级单元1和次级单元，所述次级单元包括两个平板单元2，所述的单相初级单元1位于两个平板单元2之间；所述的单相初级单元1包括初级铁心11、绕组12和初级永磁体13，所述初级铁心11设置有多个，多个初级铁心11分为两列，两列初级铁心11交错分布，所述绕组12缠绕在两列初级铁心11上，多个所述初级铁心11上均设置有初级永磁体13，所述平板单元2包括次级铁心21和次级永磁体22，所述次级铁心21为板状，次级铁心21与单相初级单元1之间为气隙，所述次级永磁体22设置在次级铁心21上与单相初级单元1相对的一侧，所述初级永磁体13与次级永磁体22相对设置。本实施例中的单相初级单元1的个数可以根据需求进行设置，本实例以U相、V相、W相三个单相初级单元为例进行说明，单相初级单元1位于两个平板单元2之间，且单相初级单元1与平板单元2之间均具有间隙，此间隙为电机的气隙，可见电机的各单相初级单元1间无磁路耦合，具有很强的容错工作能力；本实施例中初级铁心11的结构均相同，初级铁心11的个数满足两列初级铁心11的个数相等即可，同一列的初级铁心11并排并保持紧贴，形成初级铁心单元，同一列的相邻初级铁心11之间具有间隙，两列初级铁心11通过此间隙交错穿插在一起，每个单相初级单元1只有一个绕组12，绕组12缠绕在所有初级铁心11上，首尾相连形成一个环形跑道结构；采用上述的结构设计将两列初级铁心11反向交错排布，充分利用了电机的初级空间，相比现有平板式横向磁通直线电机有效提高了初级空间利用率，初次极内均包含励磁永磁体，且两个平板单元2内永磁磁通交链绕组的方向全部一致，在未增大电机初级总体积的前提下，显著增大了交链绕组的永磁磁通，即提高了电机的推力密度，也有利于提升电机的功率因数。

进一步的，所述初级铁心11为E形结构，其中间为大齿112，上下两端为小齿111，所述绕组12缠绕在中间的大齿112上，两列初级铁心11的开口分别朝向不同的次级铁心21。本实施例中初级铁心11采用E形的结构，其具有三个齿，上下两个为小齿111，中间为大齿112，小齿111与大齿112之间为通槽，两列初级铁心11的大齿112在同一平面上，绕组12通过该通槽穿入缠绕在所有初级铁心11的大齿112上，两列初级铁心11均沿电机运动方向依次排布。

进一步的，所述初级铁心11的大齿112和小齿111均为T形结构，其T形的短边的长度为两倍极距，长边的宽度小于一个极距。本实施例中的大齿112和小齿111沿水平面的截面为T形结构，同一列的相邻初级铁心11的T形结构的短边贴合在一起，由于大齿112和小齿111的长边沿电机移动方向的宽度小于T形的短边的长度，这样相邻的初级铁心11的大齿112和小齿111的长边之间就具有间隙，且长边的宽度小于一个极距，这样两列初级铁心11交错穿插设置后相邻初级铁心11之间除短边处具有间隙。

进一步的，所述初级铁心11的大齿112和小齿111与次级铁心21相对的端面上均沿竖直方向开设有浅槽113，每列初级铁心11相邻的初级铁心11上的浅槽113槽距为一个极距，同一初级铁心11的上下两端的小齿111上设置的浅槽113上下对齐，所述初级铁心11的大齿112上设置的浅槽113与小齿111上设置的浅槽113错位一个极距，所述初级永磁体13镶嵌于浅槽113内。本实施例中在初级铁心11的大齿112和小齿111的T形的短边与次级铁心21相对的端面上设置安装初级永磁体13的浅槽113，大齿112和小齿111上均设置一个长度沿竖直方向的浅槽113，浅槽113的宽度为一个极距，初级永磁体13的形状大小与各浅槽113适配，初级铁心11的大齿112上的浅槽113与小齿111上的浅槽113在电机的移动方向上错位一个极距，本发明中初级铁心11优先采用软磁复合材料注模塑造制成，也可采用组合硅钢片或高磁导率电工纯铁材料加工制成，初级永磁体13的充磁方向垂直于电机的气隙平面，且每列初级铁心11中的初级永磁体13充磁方向一致、两列初级铁心11中初级永磁体13充磁方向相反。

进一步的，所述的次级铁心21与单相初级单元1相对的一侧沿长度方向均匀开设置有竖向的安装槽，所述的次级永磁体22镶嵌在安装槽内，相邻所述安装槽的间距为两个极距，两个所述次级铁心21上设置的安装槽错位一个极距。本实施例中次级永磁体22呈长条形，全部次级永磁体22尺寸一致，单侧次级中次级永磁体22充磁方向相同，且两侧次级中次级永磁体22充磁方向与其对应初级侧初级永磁体13充磁方向一致，安装槽的宽度为一个极距，其中安装槽贯穿次级铁心21的上下两端面，次级永磁体22的形状尺寸与安装槽形状尺寸相同，次级铁心21优先采用软磁复合材料注模塑造制成，也可采用组合硅钢片或高磁导率电工纯铁材料加工制成。

进一步的，所述的单相初级单元1还包括固定板14，所述固定板14设置有两个，两个所述固定板14分别设置在两列初级铁心11的上下两端，两个所述固定板14通过螺栓固定在一起将两列初级铁心11限位在两个固定板14之间，所述固定板14上设置有限位槽15，所述两列初级铁心11的上下两端分别卡入对应固定板14的限位槽15内。

当位于电角度0°时，第一列初级铁心11的小齿111上的初级永磁体13与对应一侧的次级永磁体22错位、大齿112的初级永磁体13与次级永磁体22对齐，此时初级铁心11的小齿111的初级永磁体13与对应的次级永磁体22错位形成励磁侧，中间大齿112处为漏磁侧，励磁侧次级永磁体22的励磁磁通穿过气隙后进入对应的初级铁心11小齿111，之后在对应的初级永磁体13磁场作用下与初级永磁体13励磁磁通相互串联后进入初级铁心11的两小齿111的长边内，经初级铁心11流至初级铁心11中间的大齿112的长边，之后穿过气隙进入次级铁心21内穿过次级铁心21后返回次级永磁体22，形成交链绕组的闭合回路，此时，初级铁心11的中间大齿112处初次极永磁体励磁磁通直接经由相邻初次极铁心小齿和气隙闭合，不与绕组12交链；

第二列的初级铁心11的小齿初级永磁体13与次级永磁体22对齐，初级铁心11中间大齿的下的初级永磁体13与次级永磁体22错位，此时初级铁心11的小齿111处为漏磁侧、中间大齿112处为励磁侧：类比上述第一列初级铁心11内磁通分布特点，由初次极相对位置及永磁体充磁方向可知，此时第二列初级铁心11内交链绕组的磁通方向与上第一列初级铁心11内交链绕组的磁通方向一致。 其闭合回路如图10所示。

当位于电角度180°时，第一列初级铁心11的小齿111的初级永磁体13与对应的次级永磁体22对齐、初级铁心11中间的大齿112的初级永磁体13与次级永磁体22错位，此时初级铁心11的小齿111处为漏磁侧、中间大齿112处为励磁侧：类比电角度0°处第一列初级铁心11内磁通分布特点可知，此时初级铁心11内交链绕组的磁通方向与电角度0°时第一列初级铁心11内磁通方向相反，其闭合回路如图13所示。

同理，电角度180°时，第二初级铁心11小齿的下的初级永磁体13与次级永磁体22错位，初级铁心11中间大齿的下的初级永磁体13与对应的次级永磁体22对齐，此时初级铁心11的小齿111处为励磁侧、中间大齿112处为漏磁侧：类比电角度0°时第二列初级铁心11内磁通分布特点可知，此时初级铁心11内交链绕组的磁通方向与电角度0°时第二列初级铁心11内磁通方向相反，其闭合回路如图13所示。

结合上述中本发明直线电机初次极不同位置处的磁路分布规律，可知：电机内交链绕组的主磁通回路所处平面与电机运动方向互相垂直，说明本发明直线电机属于横向磁通直线电机的范畴；当所述直线电机初次极相对位置不断变化时，交链绕组的永磁磁链呈双极***替变化，将在绕组内产生双极性感应电动势，进而依据能量守恒定律，当绕组内通入相位适宜的交流电流时，所述直线电机将产生稳定的电磁推力，由上述实施方式的说明可知，所述横向磁通直线电机中初次极永磁体均可提供交链绕组的永磁磁通，在电机体积、安匝数、电流密度等其他条件保持一致的前提下，该发明的电机结构有益于增大横向磁通直线电机的推力密度和功率因数，有效改善了现有横向磁通直线电机中初级空间利用率、推力密度偏低的问题。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机，其特征在于：包括至少一个单相初级单元（1）和次级单元，所述次级单元包括两个平板单元（2），所述的单相初级单元（1）位于两个平板单元（2）之间；所述的单相初级单元（1）包括初级铁心（11）、绕组（12）和初级永磁体（13），所述初级铁心（11）设置有多个，多个初级铁心（11）分为两列，两列初级铁心（11）交错分布，所述绕组（12）缠绕在两列初级铁心（11）上，多个所述初级铁心（11）上均设置有初级永磁体（13），所述平板单元（2）包括次级铁心（21）和次级永磁体（22），所述次级铁心（21）为板状，次级铁心（21）与单相初级单元（1）之间为气隙，所述次级永磁体（22）设置在次级铁心（21）上与单相初级单元（1）相对的一侧，所述初级永磁体（13）与次级永磁体（22）相对设置。

2.根据权利要求1所述的一种初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机，其特征在于：所述初级铁心（11）为E形结构，其中间为大齿（112），上下两端为小齿（111），所述绕组（12）缠绕在中间的大齿（112）上，两列初级铁心（11）的开口分别朝向不同的次级铁心（21）。

3.根据权利要求1所述的一种初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机，其特征在于：所述初级铁心（11）的大齿（112）和小齿（111）均为T形结构，其T形的短边的长度为两倍极距，长边的宽度小于一个极距。

4.根据权利要求3所述的一种初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机，其特征在于：所述初级铁心（11）的大齿（112）和小齿（111）与次级铁心（21）相对的端面上均沿竖直方向开设有浅槽（113），每列初级铁心（11）相邻的初级铁心（11）上的浅槽（113）槽距为一个极距，同一初级铁心（11）的上下两端的小齿（111）上设置的浅槽（113）上下对齐，所述初级铁心（11）的大齿（112）上设置的浅槽（113）与小齿（111）上设置的浅槽（113）错位一个极距，所述初级永磁体（13）镶嵌于浅槽（113）内。

5.根据权利要求1所述的一种初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机，其特征在于：所述的次级铁心（21）与单相初级单元（1）相对的一侧沿长度方向均匀开设置有竖向的安装槽，所述的次级永磁体（22）镶嵌在安装槽内，相邻所述安装槽的间距为两个极距，两个所述次级铁心（21）上设置的安装槽错位一个极距。

6.根据权利要求5所述的一种初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机，其特征在于：同一所述次级铁心（21）上设置的次级永磁体（22）的充磁方向相同，且与相对的初级永磁体（13）的充磁方向相同。

7.根据权利要求2所述的一种初级铁心交错式双边平板型横向磁通直线电机，其特征在于：所述的单相初级单元（1）还包括固定板（14），所述固定板（14）设置有两个，两个所述固定板（14）分别设置在两列初级铁心（11）的上下两端，两个所述固定板（14）通过螺栓固定在一起将两列初级铁心（11）限位在两个固定板（14）之间，所述固定板（14）上设置有限位槽（15），所述两列初级铁心（11）的上下两端分别卡入对应固定板（14）的限位槽（15）内。

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