專利名稱：互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)及由其構(gòu)成的電機(jī)模組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電機(jī)的制造技術(shù)領(lǐng)域，且特別是有關(guān)于一種繞組及結(jié)構(gòu)互補(bǔ)模塊化的永磁直線電機(jī)及由其構(gòu)成的電機(jī)模組。
背景技術(shù)：
電機(jī)是傳動系統(tǒng)的主要部件，合理的選擇電機(jī)可以提高整個系統(tǒng)的性能，提高效 率。在直線應(yīng)用場合，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)需要一定的機(jī)械傳動部件將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn) 動。這樣帶來了許多問題，比如，系統(tǒng)體積龐大，重量增加，噪聲高，維護(hù)成本增加，而在軌道 交通應(yīng)用中，速度過高會出現(xiàn)輪軌滑動等問題。因此，采用直線電機(jī)代替旋轉(zhuǎn)電機(jī)這一技術(shù) 手段，可以克服旋轉(zhuǎn)電機(jī)在此應(yīng)用場合中的上述缺點(diǎn)，提高整個系統(tǒng)的效率。我國是稀土永磁大國，隨著電力電子和磁性材料的發(fā)展，永磁無刷電機(jī)得到迅速 的發(fā)展。此類電機(jī)具有高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)。其相應(yīng)的直線結(jié)構(gòu)也被廣泛研究。傳 統(tǒng)的永磁直線同步電機(jī)兼有永磁電機(jī)和直線電機(jī)的雙重優(yōu)點(diǎn)。與直線感應(yīng)電機(jī)相比，永磁 直線同步電機(jī)的力能指標(biāo)高、體積小、重量輕，且具有發(fā)電制動功能。然而，由于傳統(tǒng)的永磁 電機(jī)的永磁體和電樞繞組分別安裝在初級和次級，而永磁體和電樞的成本都較高，在如軌 道交通等長定子應(yīng)用場合中無疑導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加。目前，國際上研究比較熱點(diǎn)的雙極性磁鏈的磁通切換永磁電機(jī)具有較高的功率密 度，其永磁體和電樞繞組均放置在定子上，轉(zhuǎn)子無繞組、無電刷、無永磁體，僅為導(dǎo)磁鐵心材 料，具有功率密度高，結(jié)構(gòu)簡單，易于散熱，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。對其直線結(jié)構(gòu)而言，可以把旋 轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的定子作為初級動子，由永磁體和繞組組成，而旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的動子作為次級長定子，僅 由導(dǎo)磁性材料組成，因此，此結(jié)構(gòu)電機(jī)在長定子應(yīng)用場合可以大大降低系統(tǒng)成本。然而，傳 統(tǒng)磁通切換直線電機(jī)端部相繞組的磁通正負(fù)半周不對稱，從而引起各相反電勢不平衡。傳 統(tǒng)模塊化磁通切換直線電機(jī)沒有考慮到每相繞組及結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性，存在每相反電勢正負(fù)半 周不對稱，定位力大的缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于提供一種互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)及由其 構(gòu)成的電機(jī)模組，該電機(jī)的每相繞組具有對稱互補(bǔ)性，電機(jī)反電勢波形對稱、正弦，而且結(jié) 構(gòu)的互補(bǔ)性大大降低甚至抵消電機(jī)的定位力。本實(shí)用新型提出一種互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)及由其構(gòu)成的電機(jī)模組。其 中，永磁直線電機(jī)包括定子和動子。定子和動子均為凸極結(jié)構(gòu)，且兩者之間具有氣隙。動子 包括2m個E型模塊，m為電機(jī)的相數(shù)。相鄰兩個E型模塊之間填充非導(dǎo)磁材料。每個E型 模塊包括2個U型導(dǎo)磁齒和設(shè)置于U型導(dǎo)磁齒之間的永磁體，集中繞組設(shè)置于E型模塊的 槽中且套住永磁體。兩個同相E型模塊之間的相對位移為X1 = (η±1/2) τ s，兩個異相E 型模塊之間的相對位移為入2= (j士 1/m) τ3, 為定子極距，n，j均為正整數(shù)。本實(shí)用新型中，所述U型導(dǎo)磁齒的外側(cè)頂端具有倒角α，且α取0° 90°，兩相鄰的U型導(dǎo)磁齒的頂端由倒角α構(gòu)成凹口。進(jìn)一步的，所述永磁體的高度小于或等于U 型導(dǎo)磁齒的高度。本實(shí)用新型突破了旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)磁通切換永磁電機(jī)中永磁體和齒的形狀的限 制，此結(jié)構(gòu)保證了永磁體的寬度根據(jù)需要靈活變化時，達(dá)到動子齒中部的寬度大于齒尖寬 度的目的。可以避免動子齒中部磁通密度較飽和而引起齒中間部分磁阻較大，增加齒尖和 氣隙的磁通密度，提高反電勢幅值，節(jié)省永磁材料，降低系統(tǒng)成本。本實(shí)用新型中，所述定子為導(dǎo)磁材料。由于定子上既無永磁體也無繞組，僅僅由價(jià) 格較低的導(dǎo)磁材料組成，使得本實(shí)用新型特別適用于如軌道交通、高層樓房電梯等長定子 應(yīng)用場合，可以大大降低系統(tǒng)的成本。本實(shí)用新型中，同相E型模塊中的集中繞組相互串聯(lián)在一起，相鄰兩個永磁體采 用交替平行充磁。本實(shí)用新型中，所述互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)是單邊平板結(jié)構(gòu)、雙邊平板結(jié) 構(gòu)或圓筒型結(jié)構(gòu)。而且，所述互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)是電動機(jī)或發(fā)電機(jī)。本實(shí)用新型還提出一種由上述互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)構(gòu)成的電機(jī)模組，包 括由k個所述互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，k為正整數(shù)。進(jìn)一步的，所述k個所述互補(bǔ)型 磁通切換永磁直線電機(jī)串聯(lián)構(gòu)成一個整體或分開單獨(dú)控制。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，具有較強(qiáng)輸出推力、較高功率密度以及較小推力波 動。永磁直線電機(jī)的任意相集中繞組由兩個在空間位置上相距A1= (n±l/2) Ts的線圈 串聯(lián)組成。因此兩線圈電磁參數(shù)對稱互補(bǔ)，順序串聯(lián)時可以利用兩線圈對稱互補(bǔ)性，在合成 為一相磁鏈和反電勢時，高次偶次諧波分量幅值相等而相位相反，相互抵消，保留了基波分 量，從而使電機(jī)在集中繞組和直槽定子及較大氣隙磁通密的情況下就可以得到對稱的近似 正弦的反電勢和磁鏈波形，適用于矢量控制。由于任意相包含的兩E型模塊的相對位移為(η±1/2) τ s，此時兩個模塊產(chǎn)生的定 位力波形相位相差180°，形成互補(bǔ)，從而使任意相兩個E型模塊合成的定位力波形周期性 和對稱性較好，多相模塊定位力之間有一定相位差，保證合成的定位力大大降低甚至抵消。由于相鄰E型模塊之間采用非導(dǎo)磁材料隔離，減小繞組之間的互感，實(shí)現(xiàn)電磁的 絕緣，增加容錯能力。每個E型模塊相互獨(dú)立，合理的調(diào)節(jié)E型模塊之間的距離，從而大大 降低、甚至消除端部效應(yīng)弓I起三相反電勢不平衡問題。綜上，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)導(dǎo)致其具有永磁體設(shè)計(jì)靈活、反電勢對稱正弦、 定位力較小、推力波動小、氣隙的磁通密度大、輸出推力較強(qiáng)、功率密度較高、效率較高、模 塊化設(shè)計(jì)、工藝簡單、長定子應(yīng)用場合電機(jī)成本低等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型特別適合于長定子結(jié) 構(gòu)直線電機(jī)應(yīng)用場合，例如城市軌道交通直線電機(jī)、工廠運(yùn)輸傳動設(shè)備、高層樓房電梯等直 線驅(qū)動場合。

圖1所示為根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示 意圖。圖2所示為根據(jù)本實(shí)用新型又一實(shí)施例的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu) 示意圖。
具體實(shí)施方式
為讓本實(shí)用新型的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí) 施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。為了說明本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)行原理，下面以一臺三相電機(jī)為例來說明。實(shí)施例1 如圖1所示，本實(shí)用新型所提供的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)1由定子10和動 子11組成，兩者之間具有氣隙。如圖所示，定子10和動子11均采用凸極結(jié)構(gòu)。其中，定子 10上既無永磁體也無繞組，僅為導(dǎo)磁材料。動子11由2m個E型模塊110組成，且相鄰兩個E型模塊之間填充非導(dǎo)磁材料111。 本實(shí)施例中，m = 3，即電機(jī)具有圖中所示A、B、C三相。進(jìn)一步的，每個E型模塊110由兩 個U型導(dǎo)磁齒112、永磁體113組合而成。集中繞組114放在E型模塊110的兩個槽中，且 套著永磁體113及與其相鄰的U型導(dǎo)磁齒112。 在本實(shí)施例中，每一相中均具有兩組相同的E型模塊110，下面將不同相中的第一 組(即圖中Al、Bi、Cl)的E型模塊110中的繞組稱為第一集中繞組，第二組(即圖中A2、 B2、C2)中的繞組稱為第二集中繞組。如圖1所示，A相中的集中繞組是由Al中第一集中繞組和A2中的第二集中繞組 串聯(lián)而成，且Al相和A2相的E型模塊110之間相對位移為X1 = (η±1/2) τ sD B、C相上 的集中繞組114與A相的連接方式相同，且三相繞組對應(yīng)的兩相鄰的E型模塊110之間的 依次相差位移為λ2= (j士 1/m) ，其中為定子極距，n，j均為大于零的整數(shù)。此結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)第一，動子11運(yùn)動一個電氣周期360° (即移動％距離)過 程中，A、B、C相中第一集中繞組和第二集中繞組與定子10相對位置存在磁路上的差異，從 而導(dǎo)致第一集中繞組中的磁鏈和反電勢與第二集中繞組中的磁鏈和反電勢對稱互補(bǔ)，即第 一集中繞組中磁鏈或反電勢波形移動180°相位并反向后與第二集中繞組中磁鏈或反電勢 基本重合。此互補(bǔ)對稱特性導(dǎo)致兩線圈中感應(yīng)反電勢高次偶次諧波分量幅值相等，相位相 反，在合成為一相反電勢時相互抵消，從而保證電機(jī)的永磁磁鏈和反電勢具有高度的正弦 對稱性。第二，兩相鄰的同相E型模塊110之間相對位移為λ i = (η±1/2) τ s，從而保證 兩部分定位力波形有180°相位差，兩部分合成的定位力被大大削弱甚至抵消。本實(shí)用新型中的永磁體113交替平行充磁，且永磁體113的高度小于或等于U型 導(dǎo)磁齒112的齒高。如圖1所示，U型導(dǎo)磁齒112的外側(cè)頂端具有倒角α，且α取0° 90°，兩相鄰的U型導(dǎo)磁齒112的頂端由倒角α構(gòu)成凹口，兩U型導(dǎo)磁齒112的齒形狀相 同。當(dāng)永磁體113寬度變化時，動子齒尖邊緣與永磁體113的底部連線的角度在0° 90° 變化，而不影響動子齒尖寬度占動子極距的比例，避免因永磁體厚度變化影響反電勢波形 的正弦度，同時達(dá)到動子齒的中部的寬度大于齒尖的寬度的目的。圖1中具體實(shí)施例也可以作為一個電機(jī)模塊，由k個這樣的互補(bǔ)型磁通切換永磁 直線電機(jī)模塊組合成一個電機(jī)模組，k為正整數(shù)，進(jìn)一步減小定位力，提高輸出力。其中，這 些k個所述互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)串聯(lián)構(gòu)成一個整體或分開單獨(dú)控制。實(shí)施例2 如圖2所示，本實(shí)施例中的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)與實(shí)施例1中的不同點(diǎn)在于A相的第一集中繞組和第二集中繞組所在的兩個E型模塊的相鄰放置。兩E型模塊相 對定子的位移也為X1= (η士 1/2) τ s，從而形成互補(bǔ)對稱結(jié)構(gòu)。B、C相與A相結(jié)構(gòu)相同。 A、B、C三相繞組所在的E型模塊相對定子的位移依次為λ2= (j 士 1/m) Ts，其中τ s為定 子極距，n, j均為正整數(shù)。其他結(jié)構(gòu)和特性均與實(shí)施例1相同。 本實(shí)用新型中所述具體實(shí)施案例僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施案例而已，并非用來限定本實(shí)用新型的實(shí)施范圍。即凡依本實(shí)用新型申請專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修 飾，都應(yīng)作為本實(shí)用新型的技術(shù)范疇。
權(quán)利要求一種互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，包括定子和動子，所述定子和動子均為凸極結(jié)構(gòu)，且兩者之間具有氣隙，其特征在于，所述動子包括2m個E型模塊，m為電機(jī)的相數(shù)；相鄰兩個E型模塊之間填充非導(dǎo)磁材料；每個E型模塊包括2個U型導(dǎo)磁齒和設(shè)置于U型導(dǎo)磁齒之間的永磁體，集中繞組設(shè)置于E型模塊的槽中且套住永磁體；兩個同相E型模塊之間的相對位移為λ1＝(n±1/2)τs，兩個異相E型模塊之間的相對位移為λ2＝(j±1/m)τs，τs為定子極距，n，j均為正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，其特征在于，所述U型導(dǎo)磁齒 的外側(cè)頂端具有倒角α，且α取0° 90°，兩相鄰的U型導(dǎo)磁齒的頂端由倒角α構(gòu)成凹
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，其特征在于，同相E型模塊中 的集中繞組相互串聯(lián)在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，其特征在于，所述定子為導(dǎo) 磁材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，其特征在于，相鄰兩個永磁 體采用交替平行充磁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，其特征在于，所述永磁體的 高度小于或等于U型導(dǎo)磁齒的高度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，其特征在于，所述互補(bǔ)型磁 通切換永磁直線電機(jī)是單邊平板結(jié)構(gòu)、雙邊平板結(jié)構(gòu)或圓筒型結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，其特征在于，所述互補(bǔ)型磁 通切換永磁直線電機(jī)是電動機(jī)或發(fā)電機(jī)。
9.一種由權(quán)利要求1 8所述的互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)構(gòu)成的電機(jī)模組，其特 征在于，包括由k個所述互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)，k為正整數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電機(jī)模組，其特征在于，所述k個所述互補(bǔ)型磁通切換永磁 直線電機(jī)串聯(lián)構(gòu)成一個整體或分開單獨(dú)控制。
專利摘要本實(shí)用新型提出一種互補(bǔ)型磁通切換永磁直線電機(jī)及由其構(gòu)成的電機(jī)模組。永磁直線電機(jī)包括定子和動子。定子和動子均為凸極結(jié)構(gòu)，且兩者之間具有氣隙。動子包括2m個E型模塊，m為電機(jī)的相數(shù)。相鄰兩個E型模塊之間填充非導(dǎo)磁材料。每個E型模塊包括2個U型導(dǎo)磁齒和設(shè)置于U型導(dǎo)磁齒之間的永磁體，集中繞組設(shè)置于E型模塊的槽中且套住永磁體。兩個同相E型模塊之間的相對位移為λ1＝(n±1/2)τs，兩個異相E型模塊之間的相對位移為λ2＝(j±1/m)τs，τs為定子極距，n，j均為正整數(shù)。該電機(jī)的每相繞組具有對稱互補(bǔ)性，電機(jī)反電勢波形對稱、正弦，而且結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性大大降低甚至抵消電機(jī)的定位力。
文檔編號H02K41/02GK201656740SQ201020187380
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月12日
發(fā)明者曹瑞武, 程明, 花為, 趙文祥 申請人:東南大學(xué)