專利名稱：一種互補(bǔ)型容錯(cuò)直線電機(jī)的制作方法
一種互補(bǔ)型容錯(cuò)直線電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域，更準(zhǔn)確地說是涉及一種初級(jí)永磁直線電機(jī)，尤其適用于輪軌交通等需要高可靠、高效率的直線驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
過去在需要直線運(yùn)動(dòng)場合，通常由旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中間傳動(dòng)裝置將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。但由于中間機(jī)械傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)中容易摩擦磨損，導(dǎo)致精度下降，給提高控制精度，及運(yùn)動(dòng)的可靠性帶來問題。同時(shí)位置、速度、加速度受制于傳動(dòng)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性(剛度、慣性)，也制約了高精度直線驅(qū)動(dòng)性能的提高。
直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，舍去了旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所包含的中間傳動(dòng)裝置，不僅縮減了制造成本減小體積，同時(shí)還提高了直線運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性與可靠性，對(duì)輪軌交通的發(fā)展有著重要意義?，F(xiàn)今在直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所采用的直線電機(jī)大多是感應(yīng)式的電機(jī)。直線感應(yīng)電機(jī)雖然制造方便，成本較低。但是它的功率因數(shù)、效率都比較低。對(duì)氣隙的變化也較為敏感。而永磁同步電機(jī)與電勵(lì)磁的感應(yīng)電機(jī)相比卻有著很高的功率因數(shù)和效率，可無論是將永磁同步電機(jī)的繞組沿軌道鋪設(shè)，還是將永磁體沿軌道鋪設(shè)，在長線的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的建設(shè)成本都將是巨大的，對(duì)物質(zhì)資源的一種浪費(fèi)。
針對(duì)上述缺點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者提出了一類定子永磁型雙凸極旋轉(zhuǎn)電機(jī)就是將永磁體與繞組均放置在定子上，而轉(zhuǎn)子為簡單的凸極結(jié)構(gòu)。將這種旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開為直線電機(jī)，永磁體和繞組所在的定子可以設(shè)為直線電機(jī)的短動(dòng)子(初級(jí))安裝在車體下面，這樣便減少了永磁材料和銅線的用量。原本旋轉(zhuǎn)電機(jī)的凸極轉(zhuǎn)子，可以將其展開后作為直線電機(jī)的長定子(次級(jí))安裝在列車的軌道上，這樣導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械強(qiáng)度大，易于維護(hù)。這種初級(jí)永磁型直線電機(jī)便具有了永磁同步直線電機(jī)效率高、力能指標(biāo)高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在應(yīng)用于長線的交通列車場合，它的制造成本也低的多。因此這類初級(jí)永磁型直線電機(jī)十分適用于長線的輪軌交通中。
然而由傳統(tǒng)的雙凸極旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開的得到的初級(jí)永磁直線電機(jī)，因?yàn)橹本€電機(jī)特有的端部效應(yīng)，致使各相的磁路不對(duì)稱，進(jìn)而帶來各相的反電勢(shì)波形不對(duì)稱，定位力較大等一系列問題。中國授權(quán)發(fā)明專利CN201010119957. X公開了一種在初級(jí)加裝輔助齒減小直線電機(jī)端部效應(yīng)的方法。輔助齒為端部漏磁通提供了路徑，可使漏磁通轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Т磐?，這樣使穿過位于端部的線圈磁通的路徑與內(nèi)線圈的情況類似，減弱了端部效應(yīng)給磁路帶來的不平衡，改善了對(duì)稱性。但是輔助齒的添加增加了電機(jī)的尺寸和永磁體用量，降低了電機(jī)整體的功率密度。中國授權(quán)發(fā)明專利CN201010584004. O公開了一種在初級(jí)中間加入由非導(dǎo)磁材料制成的磁障，將初級(jí)分成兩個(gè)模塊，通過兩個(gè)模塊結(jié)構(gòu)上的互補(bǔ)來達(dá)到抑制直線電機(jī)端部效應(yīng)的目的。這種方法既保證了電機(jī)的功率密度又減小了端部效應(yīng)，但電機(jī)的相間磁路耦合嚴(yán)重，容錯(cuò)性能比較差。
而在要求高可靠性運(yùn)行的直線系統(tǒng)，例如輪軌交通中，又必須要提高直線電機(jī)的容錯(cuò)性能。傳統(tǒng)的提高直線電機(jī)容錯(cuò)性能的方法主要有兩種一種是在初級(jí)中相鄰的電樞齒中間加入一個(gè)由導(dǎo)磁材料制成的容錯(cuò)齒，使各個(gè)電樞齒上的繞組相互隔離 (CN201010120847. 5)。另一種是在初級(jí)中，相鄰電樞齒的正中間加入合適大小的非導(dǎo)磁材料制成的隔離齒，使各相繞組相互隔離(CN 201010169681. 6)。這兩種方法都可以使各相磁路相互獨(dú)立，降低互感，提高該電機(jī)的容錯(cuò)性能。但是在直線電機(jī)初級(jí)長度一定的條件下， 不管加入的是由導(dǎo)磁材料制成的容錯(cuò)齒還是由不導(dǎo)磁材料制成的隔離齒，都會(huì)占用一定的槽空間，從而降低了電機(jī)的功率密度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，針對(duì)現(xiàn)有電機(jī)技術(shù)的不足，基于現(xiàn)有的定子永磁型旋轉(zhuǎn)電機(jī)及其初級(jí)永磁型直線電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)、提出一種互補(bǔ)型容錯(cuò)直線電機(jī)。本發(fā)明電機(jī)避免使用斜極、加裝輔助齒等傳統(tǒng)的削弱端部效應(yīng)的方法，僅僅用簡單的互補(bǔ)型結(jié)構(gòu)就達(dá)到了削弱直線電機(jī)中因?yàn)槎瞬啃?yīng)所產(chǎn)生的不利影響的目的，從而獲得更加正弦對(duì)稱的反電勢(shì)，較小的定位力與推力波動(dòng)。本發(fā)明電機(jī)不加入占用槽空間的容錯(cuò)齒或隔離齒，能在不犧牲電機(jī)功率密度前提下，同時(shí)獲得較高的容錯(cuò)性能。
具體地說，本發(fā)明是采取以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種互補(bǔ)型容錯(cuò)直線電機(jī)，包括初級(jí)、次級(jí)，次級(jí)為等齒寬的凸極結(jié)構(gòu)，初級(jí)和次級(jí)之間具有氣隙，所述初級(jí)由η個(gè)模塊組成，η為大于等于2的偶數(shù)；每個(gè)模塊包含有m個(gè)凸極結(jié)構(gòu)的等齒寬的電樞齒，其中m為電機(jī)的相數(shù)，每個(gè)電樞齒上繞有集中繞組，每個(gè)電樞齒下方貼裝有永磁體；相鄰模塊之間用導(dǎo)磁材料連接，相鄰模塊間的相對(duì)位移為A1= (j±0.5) τρ，次級(jí)極距與初級(jí)極距滿足Ts = kTp±(l/m) τρ，其中TsS電樞齒極距、τρ為次級(jí)齒極距、k和j為正整數(shù)。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于所述初級(jí)相鄰模塊中的屬于同一相的集中繞組通過反向串聯(lián)進(jìn)行連接。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于所述每個(gè)電樞齒下方貼裝的永磁體為兩塊大小相同、 充磁方向相反的永磁體，每塊永磁體的寬度為每個(gè)電樞齒齒寬的一半。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于所述每個(gè)電樞齒下方貼裝的永磁體為一塊寬度為每個(gè)電樞齒齒寬一半的永磁體，每個(gè)電樞齒上的永磁體的充磁方向一致且與每個(gè)電樞齒的中心軸線平行。
本發(fā)明的有益效果如下
I、本發(fā)明避免使用斜極、加裝輔助齒等傳統(tǒng)方法平衡直線電機(jī)端部繞組的磁路， 減小了直線電機(jī)初級(jí)的長度和質(zhì)量，節(jié)約了材料。
2、本發(fā)明不加入占用槽空間的容錯(cuò)齒或隔離齒，而是將各相繞組反向串聯(lián)來降低互感，因此，在不降低電機(jī)功率密度的前提下，獲得了較高的容錯(cuò)性能。
3、本發(fā)明相鄰兩個(gè)模塊之間的連接部分也是由導(dǎo)磁材料制成，因此兩個(gè)模塊既可以分開制造，也可以作為一個(gè)整體加工，使電機(jī)的制造和安裝更加方便靈活。
4、本發(fā)明初級(jí)的相連兩個(gè)模塊中，屬于同一相的兩套集中繞組是反向串聯(lián)的，并且在空間上互差180度的電角度，這就使反電勢(shì)的基波得到了增強(qiáng)，而諧波部分相互抵消。 這一定程度上削弱了端部效應(yīng)對(duì)磁路的不良影響，進(jìn)而使各相反電勢(shì)的波形更加正弦對(duì)稱，解決了傳統(tǒng)直線電機(jī)由于端部效應(yīng)致使各相的反電勢(shì)不平衡的問題。
5、本發(fā)明初級(jí)的相連兩個(gè)模塊空間相位互差180度的電角度，這兩個(gè)相連模塊的定位力波形也相差180度的電角度，因此這兩個(gè)相連模塊合成的定位力大大減小，甚至抵消。6、本發(fā)明初級(jí)上的電樞繞組采用集中繞組，嵌線方便，端部較短，能夠減小電機(jī)的 電阻和銅耗。7、本發(fā)明永磁體貼裝于電樞齒表面，易于永磁體的散熱，避免了永磁體因?yàn)闇厣?而導(dǎo)致的不可逆退磁。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明又一種實(shí)施例直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例直線電機(jī)的繞組接線示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例直線電機(jī)和與之對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)直線電機(jī)的定位力波形圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例直線電機(jī)的反電勢(shì)波形圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例直線電機(jī)A相電樞反應(yīng)磁場分布圖。圖7為本發(fā)明實(shí)施例直線電機(jī)的A相電感波形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。為了能夠更加簡單明了的說明本發(fā)明直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和有益效果，下面結(jié)合 一個(gè)具體的三相電機(jī)來進(jìn)行詳細(xì)的表述。如圖1所示的本發(fā)明初級(jí)永磁直線電機(jī)，包括凸極結(jié)構(gòu)的初級(jí)1和次級(jí)2。初級(jí)1 與次級(jí)2之間具有氣隙，其中初級(jí)1是由導(dǎo)磁材料制成的模塊10a和模塊10b構(gòu)成，兩個(gè)模 塊之間用導(dǎo)磁材料14相連。初級(jí)1中包含電樞齒11，每個(gè)電樞齒11上繞有一套集中繞組 線圈12，極性相對(duì)的兩塊永磁體13采用表面貼裝的形式固定在電樞齒11的端部，每塊永磁 體的寬帶為電樞齒齒寬的一半。各個(gè)電樞齒上集中繞組繞組連接方式如圖3所示。次級(jí)2 上既無繞組，也無永磁體，僅由價(jià)格低廉的導(dǎo)磁材料制成。次級(jí)2由均勻分布的等寬的凸極 齒構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單。因此，本發(fā)明特別適用于長線程的輪軌交通中。圖2給出了另一種本發(fā)明初級(jí)永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)。與圖1相比，圖2的區(qū)別在 于每個(gè)電樞齒的表面只貼有一塊永磁體，每塊永磁體的寬度為電樞齒齒寬的一半,每個(gè)永 磁體13的充磁方向都平行于電樞齒的中心線且方向一致，如圖2中永磁體13的向下箭頭 所標(biāo)明的方向。這種結(jié)構(gòu)的好處是能夠節(jié)約永磁材料的用量，同時(shí)大大降低了消耗在漏磁 回路上的漏磁通，進(jìn)而增大了有效磁通，提高了永磁體的利用率。為了更清楚的解釋本發(fā)明，將本發(fā)明直線電機(jī)的極槽比具體化，根據(jù)上文所提出 的公式，取m=3，即為三相電機(jī)，n=2，即電機(jī)由兩個(gè)模塊構(gòu)成。第一模塊10a與第二模塊 10b相對(duì)位移入丨=(j±0. 5) t p，取j=10，即第一模塊10a與第二模塊10b相對(duì)位移入1 = 10. 5xp, xp為次級(jí)極距。此時(shí)初級(jí)的兩個(gè)模塊10a和10b空間相位互差180度的電角度， 所以這兩個(gè)模塊的定位力波形也互差180度的電角度。因此這兩個(gè)模塊合成得到的定位力 大大減小，甚至抵消。由圖4可得為本發(fā)明直線電機(jī)的定位力相比于對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)直線電機(jī) 確實(shí)削弱了不少。
次級(jí)極距與同一模塊中初級(jí)極距滿足Ts = kTp±(l/m) τρ，其中，次級(jí)極距為inτ ρ，初級(jí)極距為τ s，k為正整數(shù)，m為電機(jī)的相數(shù)、本例中等于3。取k=3,即*^ = 了τρ。
如圖3所示第一模塊IOa中A相集中電樞繞組Al與第二模塊IOb中A相集中電樞繞組Α2反向串聯(lián)組成A相。因?yàn)榉謱僭趦蓚€(gè)模塊上的A相的兩套繞組在空間上相差 10. 5 τ ρ，即相差180度的電角度，所以在同一個(gè)電周期內(nèi)通過Al線圈磁鏈變化為正的幅值最大_負(fù)的幅值最大_正的幅值最大，通過Α2線圈磁鏈變化為負(fù)的幅值最大_正的幅值最大_負(fù)的幅值最大，又因?yàn)锳l與Α2繞組是反向串聯(lián)的這就使A相的磁路具有互補(bǔ)性。 同理B相和C相也具有互補(bǔ)性，這就使三相反電勢(shì)的基波都得到了增強(qiáng)，而高次偶次諧波部分相互抵消。一定程度上減弱了端部效應(yīng)對(duì)磁路的不良影響，進(jìn)而使各相反電勢(shì)的波形更加正弦對(duì)稱，解決了傳統(tǒng)直線電機(jī)由于端部效應(yīng)的不良影響致使各相的反電勢(shì)不平衡的問題。圖5給出了本發(fā)明實(shí)施例直線電機(jī)反電勢(shì)波形圖，由圖可見，三相反電勢(shì)正弦對(duì)稱，易于進(jìn)行無刷交流驅(qū)動(dòng)。
圖6為本實(shí)施例A相電樞反應(yīng)磁場分布,不考慮永磁磁勢(shì)將永磁體設(shè)置為相對(duì)磁導(dǎo)率大于I的空氣 介質(zhì)，只對(duì)A相通電時(shí)的電樞反應(yīng)磁場。從圖6中可以看到Α相繞組產(chǎn)生的電樞磁通大部分經(jīng)過自身的電樞齒，氣隙與電樞齒下對(duì)應(yīng)的次級(jí)齒構(gòu)成回路，幾乎沒有磁通匝鏈B相和C相，相間的耦合很小，各相相互獨(dú)立。
圖7為本發(fā)明實(shí)施例直線電機(jī)的A相電感波形圖，可以看到A相互感近似為0，因此，本發(fā)明具有較高的容錯(cuò)性能。
本發(fā)明初級(jí)永磁直線電機(jī)避免使用斜極、加裝輔助齒等傳統(tǒng)的削弱端部效應(yīng)的方法，僅僅用簡單的互補(bǔ)型結(jié)構(gòu)就達(dá)到了削弱直線電機(jī)中因?yàn)槎瞬啃?yīng)所產(chǎn)生的不利影響的目的，從而獲得更加正弦對(duì)稱的反電勢(shì)，較小的定位力與推力波動(dòng)。同時(shí)不加入占用槽空間的導(dǎo)磁的容錯(cuò)齒或不導(dǎo)磁的隔離齒，間接提高了功率密度，且獲得較高的容錯(cuò)性能。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，但實(shí)施例并不是用來限定本發(fā)明的。在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，所做的任何等效變化或潤飾，同樣屬于本發(fā)明之保護(hù)范圍。因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本申請(qǐng)的權(quán)利要求所界定的內(nèi)容為標(biāo)準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種互補(bǔ)型容錯(cuò)直線電機(jī)，包括初級(jí)、次級(jí)，次級(jí)為等齒寬的凸極結(jié)構(gòu)，初級(jí)和次級(jí)之間具有氣隙，其特征在于所述初級(jí)由《個(gè)模塊組成，η為大于等于2的偶數(shù)；每個(gè)模塊包含有》個(gè)凸極結(jié)構(gòu)的等齒寬的電樞齒，其中》為電機(jī)的相數(shù)，每個(gè)電樞齒上繞有集中繞組，每個(gè)電樞齒下方貼裝有永磁體；相鄰模塊之間用導(dǎo)磁材料連接，相鄰模塊間的相對(duì)位移為 = (/ 士 0.5) ,次級(jí)極距與初級(jí)極距滿足Ti = 士其中\(zhòng)為電樞齒極距、T1為次級(jí)齒極距、左和^/為正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種互補(bǔ)型容錯(cuò)直線電機(jī)，其特征在于所述初級(jí)相鄰模塊中的屬于同一相的集中繞組通過反向串聯(lián)進(jìn)行連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種互補(bǔ)型容錯(cuò)直線電機(jī)，其特征在于所述每個(gè)電樞齒下方貼裝的永磁體為兩塊大小相同、充磁方向相反的永磁體，每塊永磁體的寬度為每個(gè)電樞齒齒寬的一半。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種互補(bǔ)型容錯(cuò)直線電機(jī)，其特征在于所述每個(gè)電樞齒下方貼裝的永磁體為一塊寬度為每個(gè)電樞齒齒寬一半的永磁體，每個(gè)電樞齒上的永磁體的充磁方向一致且與每個(gè)電樞齒的中心軸線平行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種互補(bǔ)型容錯(cuò)直線電機(jī)，屬于電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域。一種互補(bǔ)型容錯(cuò)直線電機(jī)，包括初級(jí)、次級(jí)，次級(jí)為等齒寬的凸極結(jié)構(gòu)，初級(jí)和次級(jí)之間具有氣隙，所述初級(jí)由偶數(shù)個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊包含有多個(gè)凸極結(jié)構(gòu)的電樞齒，每個(gè)電樞齒上繞有集中繞組，每個(gè)電樞齒下方貼裝有永磁體，相鄰模塊之間用導(dǎo)磁材料連接。本發(fā)明電機(jī)避免使用斜極、加裝輔助齒等傳統(tǒng)的削弱端部效應(yīng)的方法，僅僅用簡單的互補(bǔ)型結(jié)構(gòu)就達(dá)到了削弱直線電機(jī)中因?yàn)槎瞬啃?yīng)所產(chǎn)生的不利影響的目的，從而獲得更加正弦對(duì)稱的反電勢(shì)，較小的定位力與推力波動(dòng)。本發(fā)明電機(jī)不加入占用槽空間的容錯(cuò)齒或隔離齒，能在不犧牲電機(jī)功率密度前提下，同時(shí)獲得較高的容錯(cuò)性能。
文檔編號(hào)H02K41/02GK102931802SQ20121048053
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者趙文祥, 徐亮, 吉敬華, 劉國海, 崔業(yè)成 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)