專利名稱：城市軌道交通用永磁游標(biāo)直線電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電工、電機(jī)、軌道交通領(lǐng)域，特指一種適用于城市軌道交通的新型 Halbach低速大推力永磁游標(biāo)直線電機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著城市人口的膨脹和城建物的不斷密集，城市軌道交通憑借便捷、環(huán)保、節(jié)能、 安全和運量大等優(yōu)點，在城市持續(xù)發(fā)展中起著十分重要的作用。而與此同時，城市軌道交通用牽引電機(jī)的研究也得到了相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者越來越廣泛的關(guān)注。在城市軌道交通應(yīng)用場合，牽弓I電機(jī)主要是采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)這兩種技術(shù)途徑。采用直線電機(jī)的城軌電車，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動的機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動裝置，可避免滑行和空轉(zhuǎn)產(chǎn)生的各種問題；此外，直線電機(jī)相比較于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，減小了車身體積和重量，從而降低了施工成本。因此，用于城市軌道交通的直線電機(jī)極具研究和實用價值。當(dāng)前，對城軌交通用直線電機(jī)的研究主要有直線感應(yīng)電機(jī)和永磁直線同步電機(jī)。 其中，直線感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用的較多，但其在功率因數(shù)、功率密度等方面存在不足。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，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，其也存在推力波動幅值大的明顯缺點，直接影響定位和軌跡跟蹤精度，在城軌交通應(yīng)用場合中無疑帶來低速運動平穩(wěn)性問題。若采用新型Halbach低速大推力永磁游標(biāo)直線電機(jī)，通過初級齒上磁通調(diào)制極的引入，省去了傳統(tǒng)磁齒輪中的高速側(cè)以及獨立的調(diào)磁環(huán)結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡單，既可以調(diào)節(jié)速度，又具有噪聲低、可靠性高、推力傳輸能力大、過載保護(hù)等優(yōu)點。而且，次級上永磁體采用特殊的Halbach陣列，通過調(diào)整永磁體寬度比以及充磁方向，可以獲得提供更大的有效磁場諧波成分和輸出推力密度，降低次級磁軛的磁通密度及鐵芯損耗。因此，有必要提出一種城市軌道交通用新型Halbach低速大推力永磁游標(biāo)直線電機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明針對傳統(tǒng)城軌交通用直線電機(jī)在低速運動時存在平穩(wěn)性問題， 提出一種城市軌道交通用永磁游標(biāo)直線電機(jī)，利用電機(jī)初級齒上磁通調(diào)制極的調(diào)制作用， 省去了傳統(tǒng)磁齒輪中的高速側(cè)以及獨立的調(diào)磁環(huán)結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡單，既可以調(diào)節(jié)速度，又具有噪聲低、可靠性高、推力傳輸能力大、過載保護(hù)等優(yōu)點。同時次級永磁體采用特殊的Halbach陣列，可以提供更大的有效磁場諧波成份和輸出推力密度，減少次級鐵芯磁軛的磁通密度，降低鐵芯損耗。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種城市軌道交通用永磁游標(biāo)直線電機(jī)，該電機(jī)包括電機(jī)初級、與電機(jī)初級通過氣隙相隔的電機(jī)次級；
電機(jī)初級包括扁平狀的初級鐵芯、電樞繞組、磁通調(diào)制極，初級鐵芯上設(shè)有凸出于其外周的初級齒，電樞繞組繞于初級齒上，初級齒上凸出的小齒部分即為磁通調(diào)制極，電機(jī)初級安置于列車上；
電機(jī)次級包括永磁體、次級鐵芯，永磁體沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在次級鐵芯上，電機(jī)次級安置于列車軌道上。電機(jī)初級與電機(jī)次級之間只有一層氣隙。磁通調(diào)制極用于進(jìn)行磁場調(diào)制，且滿足磁通調(diào)制極的個數(shù)ns等于電機(jī)初級電樞繞組極對數(shù)np與電機(jī)次級永磁體極對數(shù)之和。永磁體材料為釹鐵硼，每塊永磁體分成三份，每份永磁體的寬度和充磁方向均可調(diào)節(jié)。 初級鐵芯和次級鐵芯的材料均為娃鋼片。有益效果
(1)省去了傳統(tǒng)磁齒輪中的高速側(cè)以及獨立的調(diào)磁環(huán)結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)結(jié)構(gòu)更為
簡單，既可以調(diào)節(jié)速度，又具有噪聲低、可靠性高、推力傳輸能力大、過載保護(hù)等優(yōu)點， 適用于城市軌道交通場合；
(2)電機(jī)為單氣隙結(jié)構(gòu)，加工工藝簡單，穩(wěn)定性及可靠性得到提高；
(3)電機(jī)中有更多的磁力線通過氣隙，因此氣隙磁通密度的有效諧波成份值比普通磁場調(diào)制式永磁電機(jī)高，輸出推力增大；
(4)電機(jī)次級鐵芯磁軛磁通密度可以大量減少，這將減少次級鐵芯磁軛鐵芯損耗，縮小次級鐵芯軛部大小，節(jié)省材料；
(5)次級永磁體之間通過鐵芯隔離，阻斷了各永磁體中渦流電流的相互流動，降低了次級永磁體中的渦流損耗。次級永磁體采用表面插入式結(jié)構(gòu)，使得該電機(jī)具有很寬的恒功率弱磁能力，特別適用于城軌交通需要靈活變化速度的場合。


圖I為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意其中有電機(jī)初級I、電機(jī)次級2、初級鐵芯3、初級齒4、電樞繞組5、磁通調(diào)制極6、永磁體7、次級鐵芯8 ；
圖2為本發(fā)明次級局部永磁體充磁方向示意其中有永磁體7、次級鐵芯8、初級齒4、電樞繞組5、磁通調(diào)磁極6。永磁體7每個極被分成三份，圖中箭頭所指方向為該份永磁體的充磁方向，每份永磁體的寬度和充磁方向均可調(diào)節(jié)，以達(dá)到最大的功率輸出。
具體實施例方式下面將參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明。本發(fā)明提出了一種城市軌道交通用低速大推力永磁游標(biāo)直線電機(jī)。它通過電機(jī)初級齒上磁通調(diào)制極的作用，進(jìn)行磁場調(diào)制，解決傳統(tǒng)直線電機(jī)低速運行時推力輸出能力小的問題，同時次級永磁體采用特殊的Halbach陣列，可以提供更大的有效磁場諧波成份和輸出推力密度，減少次級鐵芯磁軛的磁通密度，降低鐵芯損耗。因此，本發(fā)明在提高城軌交通用直線電機(jī)低速運行平穩(wěn)性的同時，也提高了電機(jī)效率。該電機(jī)包括初級、次級；電機(jī)初級包括初級鐵芯、初級齒、電樞繞組、磁通調(diào)制極， 初級鐵芯采用凸極嵌入式游標(biāo)結(jié)構(gòu)，電樞繞組繞于初級齒上，初級齒上凸極的小齒部分即為磁通調(diào)制極，初級安置于列車上；電機(jī)次級包括永磁體、次級鐵芯，永磁體沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在次級鐵芯上，次級安置于列車軌道上。本發(fā)明提供的城市軌道交通用永磁游標(biāo)直線電機(jī)，該電機(jī)包括電機(jī)初級I、與電機(jī)初級I通過氣隙相隔的電機(jī)次級2。電機(jī)初級I包括扁平狀的初級鐵芯3、電樞繞組5、磁通調(diào)制極6，初級鐵芯3上設(shè)有凸出于其外周的初級齒4，電樞繞組5繞于初級齒4上，初級齒4上凸出的小齒部分即為磁通調(diào)制極6，電機(jī)初級I安置于列車上。電機(jī)次級2包括永磁體7、次級鐵芯8，永磁體7沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在次級鐵芯8上，電機(jī)次級2安置于列車軌道上。電機(jī)初級I與電機(jī)次級2之間只有一層氣隙。磁通調(diào)制極6用于進(jìn)行磁場調(diào)制，且滿足磁通調(diào)制極6的個數(shù)ns等于電機(jī)初級I 電樞繞組極對數(shù)np與電機(jī)次級2永磁體極對數(shù)之和。永磁體7材料為釹鐵硼，每塊永磁體分成三份，圖2中箭頭所指方向為該份永磁體的充磁方向，每份永磁體的寬度和充磁方向均可調(diào)節(jié)，以達(dá)到最大的功率輸出。初級鐵芯3和次級鐵芯8的材料均為娃鋼片。初級電樞繞組極對數(shù)與永磁體極對數(shù)之比即為該電機(jī)可實現(xiàn)的速度變比。本發(fā)明基于磁通調(diào)制極的空間磁場調(diào)制原理，利用空間諧波傳遞磁場和能量，當(dāng)給該直線電機(jī)初級電樞繞組通以固定頻率的交流電時，電樞繞組電流產(chǎn)生的行波磁場同步
速度為V1，經(jīng)磁通調(diào)制極的磁場調(diào)制作用，在氣隙中產(chǎn)生一個調(diào)制行波磁場，其同步速度為 -I該磁場與次級上的永磁體相互作用，從而帶動初級同步運動，負(fù)號表示電樞繞組磁場與調(diào)制磁場的行波方向相反。通過改變通入繞組電流的頻率來實現(xiàn)不同的同步速度V1 ,進(jìn)而得到不同的初級運動速度I,實現(xiàn)調(diào)速驅(qū)動。V1 :巧為調(diào)速比，數(shù)值上等于(k = nr
)。因此，該電機(jī)滿足在低速時輸出較大推力的要求，適用于城市軌道交通領(lǐng)域。該電機(jī)次級永磁體采用特殊的Halbach陣列，利用有限元優(yōu)化調(diào)整永磁體寬度比以及充磁方向，可以獲得提供更大的有效磁場諧波成份和輸出推力密度，降低次級磁軛的磁通密度及鐵芯損耗。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種城市軌道交通用永磁游標(biāo)直線電機(jī)，其特征在于該電機(jī)包括電機(jī)初級(I)、 與電機(jī)初級(I)通過氣隙相隔的電機(jī)次級(2 );電機(jī)初級(I)包括扁平狀的初級鐵芯(3 )、電樞繞組(5 )、磁通調(diào)制極(6 )，初級鐵芯(3 ) 上設(shè)有凸出于其外周的初級齒(4)，電樞繞組(5)繞于初級齒(4)上，初級齒(4)上凸出的小齒部分即為磁通調(diào)制極(6)，電機(jī)初級(I)安置于列車上；電機(jī)次級(2 )包括永磁體(7 )、次級鐵芯(8 )，永磁體(7 )沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在次級鐵芯(8)上，電機(jī)次級(2)安置于列車軌道上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的城市軌道交通用永磁游標(biāo)直線電機(jī)，其特征在于電機(jī)初級 (O與電機(jī)次級(2)之間只有一層氣隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的城市軌道交通用永磁游標(biāo)直線電機(jī)，其特征在于磁通調(diào)制極(6)用于進(jìn)行磁場調(diào)制，且滿足磁通調(diào)制極(6)的個數(shù)ns等于電機(jī)初級(I)電樞繞組極對數(shù)np與電機(jī)次級(2 )永磁體極對數(shù)之和。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的城市軌道交通用永磁游標(biāo)直線電機(jī)，其特征在于永磁體 (7)材料為釹鐵硼，每塊永磁體分成三份，每份永磁體的寬度和充磁方向均可調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的城市軌道交通用永磁游標(biāo)直線電機(jī)，其特征在于初級鐵芯 (3 )和次級鐵芯(8 )的材料均為娃鋼片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種城市軌道交通用永磁游標(biāo)直線電機(jī)，該電機(jī)包括電機(jī)初級(1)、與電機(jī)初級(1)通過氣隙相隔的電機(jī)次級(2)；電機(jī)初級(1)包括扁平狀的初級鐵芯(3)、電樞繞組(5)、磁通調(diào)制極(6)，初級鐵芯(3)上設(shè)有凸出于其外周的初級齒(4)，電樞繞組(5)繞于初級齒(4)上，初級齒(4)上凸出的小齒部分即為磁通調(diào)制極(6)，電機(jī)初級(1)安置于列車上；電機(jī)次級(2)包括永磁體(7)、次級鐵芯(8)，永磁體(7)沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在次級鐵芯(8)上，電機(jī)次級(2)安置于列車軌道上。本發(fā)明可以提高城市軌道交通用直線電機(jī)低速運行時的平穩(wěn)性，提高電機(jī)效率，具有很高的理論和實用價值。
文檔編號H02K41/02GK102594085SQ20121002794
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月9日
發(fā)明者於鋒, 樊英, 金小香, 黃進(jìn) 申請人:東南大學(xué)