CN205249022U - 一种凸极开槽永磁阵列及直线电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于直线电机及其驱动领域，具体涉及一种凸极开槽永磁阵列及直线电机，凸极开槽永磁阵列，包括交替贴装的导磁凸铁极和纵向磁体，相邻纵向磁体的充磁方向相对或背离，在导磁凸铁极靠近气隙的表面上开有槽，槽内设置有法向磁体，法向磁体的表面极性与凸铁极表面极性一致，凸极开槽永磁阵列与次级构成直线电机。采用本实用新型结构可大幅降低次级内部漏磁甚至完全消除，相同体积和制造成本下，可大幅增加电机功率和出力，或相同功率下，大幅降低电机体积和制造使用成本，特别适用于大气隙、长行程、大功率和大推力直线电机工程应用场合。

Description

一种凸极开槽永磁阵列及直线电机

技术领域

本实用新型属于直线电机驱动领域，具体涉及一种凸极开槽永磁阵列及直线电机。

背景技术

永磁直线电机已经广泛应用于各行各业。如直线电机磁悬浮列车、直驱电梯、直线电机自动化流水线等很多应用领域和场合。永磁直线电动机有多种类型。按结构可分为平面型、圆筒型（管型）、弧型四种。按动子永磁体的布置方式可分为隐极型、凸极型、混合型等，按初级的布置方式还可分为双边型和单边型以及复合型三种。现有的隐极型永磁直线电机结构中，次级轭部由导磁的铁轭材料构成，永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线一致，极间漏滋小，工艺简单，但永磁体本身不仅要承受推力，还要承受比推力大4~9倍的法向力，而且，永磁体可等效为通电的空芯线圈，故永磁体对于励磁磁路来说，可看做空气隙，会产生很大的磁阻和磁压降，使得励磁磁势有相当大一部分消耗到永磁体等效空气隙中了，导致电机功率密度、出力和效率降低。对于现有的凸极型结构，次级轭部由非磁性材料构成，永磁体磁化方向与气隙磁通轴线垂直，电机产生的推力和很大的法向力主要由凸铁极承受，故永磁体本身基本不受力，机械强度比隐极机要好，但次级轭部漏磁明显增大，永磁体利用率低。导致上述隐极型和凸极型永磁直线电机的功率密度、推力/自重比较低，造成电机体积大，制造和使用成本高。已成为制约直线电机工程应用的瓶颈问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是现有直线电机输出功率低、推力/自重比小、力能指标低、体积过大、成本过高的工程应用瓶颈问题，为解决上述问题，采用一种凸极开槽永磁阵列及直线电机。

为达到上述目的，采用以下技术方案：

一种凸极开槽永磁阵列，包括交替贴装的导磁凸铁极和纵向磁体，相邻纵向磁体的充磁方向相对或背离，在导磁凸铁极靠近气隙的表面上开有槽，槽内设置有法向磁体，法向磁体的表面极性与凸铁极表面极性一致。

法向磁体的形状为矩形、等腰梯形、三角形、“凸”字形或半圆形，槽形与法向磁体配合设置。

导磁凸铁极或纵向磁体的截面形状为矩形、等腰梯形、三角形、“凸”字形“中”字形、“工”字形或半圆形。

应用一种凸极开槽永磁阵列的单边直线电机，包括单边初级和单边次级，单边初级和单边次级之间具有气隙，其特征在于：单边次级为凸极开槽永磁阵列。

在凸极开槽永磁阵列远离单边初级的一侧连接有非磁性轭部。

应用一种凸极开槽永磁阵列的双边直线电机，双边初级和设置在双边初级之间的双边次级，其特征在于：所述的双边次级包括两个背靠背设置的凸极开槽永磁阵列。

两个凸极开槽永磁阵列中间连接一个共用的非磁性轭部。

两个凸极开槽永磁阵列对应凸铁极之间采用导磁连接桥连接，各连接桥互不相交，任意相邻两个连接桥之间设置有至少一列磁体。

在凸铁极表面设置一层连接薄片，将各凸铁极连成一个整体；连接薄片为导磁薄片、导电薄片或导磁导电复合薄片，或为带若干槽的导磁齿槽薄片，槽内嵌导电体，各导电体横向端部通过导电短路环连成一体。

所述的双边次级每边的凸铁极和/或导磁连接桥的横向端部通过相应的连接板彼此连接成一体构成统一的双边次级。

所述的磁体、法向磁体和纵向磁体为永磁体、超导磁体或者电励磁体。

本实用新型由于在双边次级设置了内嵌法向磁体的导磁铁和纵向磁体，使漏磁大幅降低甚至完全消除，相同体积和制造成本下，可大幅增加电机功率和出力。从而提供了一种体积和成本可大幅减小、输出功率可大幅增加、结构简单、性价比极高，特别适用于大气隙、长行程、大功率和大推力应用场合的凸极开槽大推力永磁直线电机。

附图说明

图1为单边直线电机结构示意图一；

图2为单边直线电机结构示意图二；

图3为双边直线电机结构示意图一；

图4为双边直线电机结构示意图二；

图5为双边直线电机结构示意图三；

图6为双边直线电机结构示意图四；

图7为双边直线电机结构示意图五；

图8为双边直线电机结构示意图六；

图9为双边直线电机结构示意图七；

图10为双边直线电机结构示意图八；

图11为双边直线电机结构示意图九；

图12为双边凸极开槽永磁阵列结构示意图；

图13为连接板结构示意图一；

图14为设有连接板的双边凸极永磁直线电机示意图一；

图15为连接板结构示意图二；

图16为设有连接板的双边凸极永磁直线电机示意图二。

其中：1.初级铁芯；2.初级绕组；3.凸铁极；4.连接桥；5.纵向磁体；6.磁体；7.非磁性轭部；8.法向磁体。

具体实施方式

如图1-图16所示，一种单边直线电机，包括单边次级，与单边次级对应的单边初级，初级和次级之间具有气隙，所述的单边次级由带非磁性轭部7或不带非磁性轭部的开槽凸极磁体阵列组成，所述的开槽凸极磁体阵列由m个表面开设至少一个开口槽的导磁凸铁极3、m个嵌放在凸铁极开口槽中的法向磁体8、n个沿运动方向充磁的纵向磁体5交替贴装组成，相邻两凸铁极3中心线之间的距离为次级极距Ts，m为电机的极数，n为纵向磁体5的个数，纵向为凸铁极表面切向方向或次级运动方向，法向为凸铁极3中心线方向或气隙方向，横向为垂直于纵向、法向的方向，相邻纵向磁体5的充磁方向相反，在相邻凸铁极3上形成N、S极***替的磁极，嵌放在凸铁极3开口槽中的法向磁体8表面极性与凸铁极3表面极性相同，单边次级与对应的单边初级配合构成一种单边直线电机。其中，所述的法向磁体8形状为矩形或梯形或三角形或“凸”形或闭口弧形，开口槽槽形与法向磁体8配合设置。

图3中，两个不带非磁性轭部7的单边次级背靠背设置，两者中间连接一个共用的非磁性轭部7一起构成双边次级，所述的双边次级两侧对应凸铁极3表面形成的磁极相同或相反，双边次级与对应的双边初级配合构成了一种双边直线电机。

图4、图5、图6所示为本实用新型的凸极开槽永磁双边直线电机结构示意图三，所述的两个不带非磁性轭部7的单边次级背靠背设置，凸极磁体阵列由表面开设一个开口槽的导磁凸铁极3、在凸铁极3开口槽中嵌放一个法向磁体8，两侧对应凸铁极3之间采用导磁连接桥4相连，各连接桥4互不相交，任意相邻两个连接桥4之间设置至少一组纵向充磁的磁体6构成双边次级，所述的双边次级两侧对应凸铁极3表面形成的磁极极性相同，各磁体6的充磁方向与两侧对应纵向磁体5的充磁方向一致，双边次级与对应的双边初级配合构成了一种双边直线电机。其中，图4为任意相邻两个连接桥之间靠近中部处设置一组纵向充磁的磁体6结构示意图，图中，相邻两个连接桥4之间的磁体6与两侧对应纵向纵向磁体5之间可空置或设置非磁性轭部7；图5为任意相邻两个连接桥4、两侧纵向磁体5之间全部填充为纵向充磁的磁体6；图6为任意相邻两个连接桥4与两侧纵向磁体5之间设置两组纵向充磁的磁体6的结构示意图，图5中，两组磁体6之间可空置或设置非磁性轭部7。

图7、图8、图9所示为双边直线电机结构示意图，凸极磁体阵列由表面开设两个开口槽或一个“凸”形槽的导磁凸铁极3、在凸铁极3开口槽中嵌放两个法向磁体8。

图12为横向端部（图中伸出部分）未加固定的双边次级三维结构示意图；图13为次级端部连接板三维结构示意图一，图14所示为设有连接板的双边凸极永磁直线电机示意图一，分散布置的各连接桥4或凸铁或凸铁与连接桥4的横向伸出端与相应侧的次级端部支连接板固结成一个整体，形成坚固统一的双边次级，双边次级与对应的双边初级配合构成了一种双边直线电机，如图13、图14所示。

双边次级还可以采取将整块端部连接板与次级横向端部直接通过螺栓连接或焊接等多种方式固定，如图15、图16所示，其中，图15为次级端部连接板三维结构示意图二，图16为设有连接板的双边凸极永磁直线电机示意图二。

上述实施例中，所述的磁体6、纵向磁体5和法向磁体8可以采用永磁体，或者超导磁体，或者电励磁体，根据具体的需要而定。一般来说，优先采用钕铁硼材料制成的强磁性永磁体。

上述实施例中，在凸铁极3表面设置一层连续布置的连接薄片（这些薄片同时也将磁体包裹在内），将个凸铁极3连成一个整体；连接薄片为导磁薄片、导电薄片或导磁导电复合薄片，或为带若干槽的导磁齿槽薄片，槽内嵌导电体，各导电体横向端部通过导电短路环连成一体。这些内嵌导电体的齿槽薄片的结构和工作原理类似于常见的旋转鼠笼感应电机鼠笼端部短路环，在起动过程中，这些导电体将感应电势，将这些导电体短路，这些感应电势将在导电体内产生短路电流（起动电流），产生很大的起动力矩（力）起到自起动电机作用，当稳态同步运行时这些导电体将不起作用，因为同步速下的感应电势为零，异步运行才起作用。而本实用新型那些导磁薄片、导电薄片或导磁导电复合薄片也起到类似作用，在直线电机中也经常用到，只不过其起动力、起动力矩较小，主要起到动态稳定（防止失步）和一定的防护作用。

目前常用的隐极型永磁直线电机的电磁等效气隙较大，为机械气隙（一般为2~10mm）和永磁体磁化高度（磁化高度一般为5~20mm）之和，凸极型永磁直线电机的电磁等效气隙相对较小，但次级轭部漏磁明显较大，都导致电机的功率密度和出力及效率较低。本实用新型所述的电机，结构上属于永磁凸极直线电机，由于设置了纵向磁体和内嵌法向磁体的凸铁极，次级轭部漏磁大幅降低，当次级中部除连接桥4之外全部填充为中部纵向的磁体6工况下，理论上可以完全消除次级轭部漏磁。因此，采用本实用新型的直线电机，功率密度和推力可大幅增加，相同体积和制造成本下，可大幅增加电机功率和出力，或者相同功率和出力下，可大幅降低电机的体积、制造使用成本。从而解决了长期以来制约直线电机工程应用的瓶颈问题。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种凸极开槽永磁阵列，包括交替贴装的导磁凸铁极和纵向磁体，相邻纵向磁体的充磁方向相对或背离，其特征在于：在导磁凸铁极靠近气隙的表面上开有槽，槽内设置有法向磁体，法向磁体的表面极性与凸铁极表面极性一致。

2.根据权利要求1所述的一种凸极开槽永磁阵列，其特征在于：法向磁体的形状为矩形、等腰梯形、三角形、“凸”字形或半圆形，槽形与法向磁体配合设置。

3.根据权利要求1所述的一种凸极开槽永磁阵列，其特征在于：导磁凸铁极或纵向磁体的截面形状为矩形、等腰梯形、三角形、“凸”字形“中”字形、“工”字形或半圆形。

4.应用权利要求1、2或3所述一种凸极开槽永磁阵列的单边直线电机，包括单边初级和单边次级，单边初级和单边次级之间具有气隙，其特征在于：单边次级为凸极开槽永磁阵列。

5.根据权利要求4所述的单边直线电机，其特征在于：在凸极开槽永磁阵列远离单边初级的一侧连接有非磁性轭部。

6.应用权利要求1、2或3所述一种凸极开槽永磁阵列的双边直线电机，双边初级和设置在双边初级之间的双边次级，其特征在于：所述的双边次级包括两个背靠背设置的凸极开槽永磁阵列。

7.根据权利要求6所述的双边直线电机，其特征在于：两个凸极开槽永磁阵列中间连接一个共用的非磁性轭部。

8.根据权利要求6所述的双边直线电机，其特征在于：两个凸极开槽永磁阵列对应凸铁极之间采用导磁连接桥连接，各连接桥互不相交，任意相邻两个连接桥之间设置有至少一列磁体。

9.根据权利要求8所述的双边直线电机，其特征在于：在凸铁极表面设置一层连接薄片，将各凸铁极连成一个整体；连接薄片为导磁薄片、导电薄片或导磁导电复合薄片，或为带若干槽的导磁齿槽薄片，槽内嵌导电体，各导电体横向端部通过导电短路环连成一体。

10.根据权利要求9所述的双边直线电机，其特征在于：所述的双边次级每边的凸铁极的横向端部通过相应的连接板彼此连接成一体构成统一的双边次级。

11.根据权利要求9所述的双边直线电机，其特征在于：所述的磁体、法向磁体和纵向磁体为永磁体、超导磁体或者电励磁体。