專利名稱：一種互補(bǔ)型容錯直線電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電機(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)動領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
過去在需要直線運(yùn)動場合，通常由旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動中間傳動裝置將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動。但由于中間機(jī)械傳動裝置的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在長時間的運(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)動的可靠性帶來問題。同時位置、速度、加速度受制于傳動裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性(剛度、慣性)，也制約了高精度直線驅(qū)動性能的提高。直線電機(jī)直接驅(qū)動，舍去了旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動所包含的中間傳動裝置，不僅縮減了制造成本減小體積，同時還提高了直線運(yùn)動的穩(wěn)定性與可靠性，對輪軌交通的發(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。對氣隙的變化也較為敏感。而永磁同步電機(jī)與電勵磁的感應(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)動系統(tǒng)中的建設(shè)成本都將是巨大的，對物質(zhì)資源的一種浪費(fèi)。針對上述缺點(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)的短動子(初級)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)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稱，進(jìn)而帶來各相的反電勢波形不對稱，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CN201010584004.0公開了一種在初級中間加入由非導(dǎo)磁材料制成的磁障，將初級分成兩個模塊，通過兩個模塊結(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)的容錯性能。傳統(tǒng)的提高直線電機(jī)容錯性能的方法主要有兩種:一種是在初級中相鄰的電樞齒中間加入一個由導(dǎo)磁材料制成的容錯齒，使各個電樞齒上的繞組相互隔離(CN201010120847.5)。另一種是在初級中，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)的容錯性能。但是在直線電機(jī)初級長度一定的條件下，不管加入的是由導(dǎo)磁材料制成的容錯齒還是由不導(dǎo)磁材料制成的隔離齒，都會占用一定的槽空間，從而降低了電機(jī)的功率密度。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是，針對現(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)型容錯直線電機(jī)。本實(shí)用新型電機(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稱的反電勢，較小的定位力與推力波動。本實(shí)用新型電機(jī)不加入占用槽空間的容錯齒或隔離齒，能在不犧牲電機(jī)功率密度前提下，同時獲得較高的容錯性能。具體地說，本實(shí)用新型是采取以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種互補(bǔ)型容錯直線電機(jī)，包括初級、次級，次級為等齒寬的凸極結(jié)構(gòu)，初級和次級之間具有氣隙，所述初級由n個模塊組成，n為大于等于2的偶數(shù)；每個模塊包含有m個凸極結(jié)構(gòu)的等齒寬的電樞齒，其中m為電機(jī)的相數(shù)，每個電樞齒上繞有集中繞組，每個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，相鄰模塊間的相對位移為X1= (j±0.5) Tp，次級極距與初級極距滿足Ts = kTp±(l/m) Tp，其中TsS電樞齒極距、Tp為次級齒極距、k和j為正整數(shù)。本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征在于:所述初級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。本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征在于:所述每個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電樞齒齒寬的一半。本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征在于:所述每個電樞齒下方貼裝的永磁體為一塊寬度為每個電樞齒齒寬一半的永磁體，每個電樞齒上的永磁體的充磁方向一致且與每個電樞齒的中心軸線平行。本實(shí)用新型的有益效果如下:1、本實(shí)用新型避免使用斜極、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)初級的長度和質(zhì)量，節(jié)約了材料。2、本實(shí)用新型不加入占用槽空間的容錯齒或隔離齒，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，獲得了較高的容錯性能。3、本實(shí)用新型相鄰兩個模塊之間的連接部分也是由導(dǎo)磁材料制成，因此兩個模塊既可以分開制造，也可以作為一個整體加工，使電機(jī)的制造和安裝更加方便靈活。4、本實(shí)用新型初級的相連兩個模塊中，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)對磁路的不良影響，進(jìn)而使各相反電勢的波形更加正弦對稱，解決了傳統(tǒng)直線電機(jī)由于端部效應(yīng)致使各相的反電勢不平衡的問題。5、本實(shí)用新型初級的相連兩個模塊空間相位互差180度的電角度，這兩個相連模塊的定位力波形也相差180度的電角度，因此這兩個相連模塊合成的定位力大大減小，甚至抵消。6、本實(shí)用新型初級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、本實(shí)用新型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鴮?dǎo)致的不可逆退磁。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型又一種實(shí)施例直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例直線電機(jī)的繞組接線示意圖。圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例直線電機(jī)和與之對應(yīng)的傳統(tǒng)直線電機(jī)的定位力波形圖。圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例直線電機(jī)的反電勢波形圖。圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例直線電機(jī)A相電樞反應(yīng)磁場分布圖。圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例直線電機(jī)的A相電感波形圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述。為了能夠更加簡單明了的說明本實(shí)用新型直線電機(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所示的本實(shí)用新型初級永磁直線電機(jī)，包括凸極結(jié)構(gòu)的初級I和次級2。初級I與次級2之間具有氣隙，其中初級I是由導(dǎo)磁材料制成的模塊IOa和模塊IOb構(gòu)成，兩個模塊之間用導(dǎo)磁材料14相連。初級I中包含電樞齒11，每個電樞齒11上繞有一套集中繞組線圈12，極性相對的兩塊永磁體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。各個電樞齒上集中繞組繞組連接方式如圖3所示。次級2上既無繞組，也無永磁體，僅由價格低廉的導(dǎo)磁材料制成。次級2由均勻分布的等寬的凸極齒構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單。因此，本實(shí)用新型特別適用于長線程的輪軌交通中。圖2給出了另一種本實(shí)用新型初級永磁直線電機(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實(shí)用新型，將本實(shí)用新型直線電機(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)由兩個模塊構(gòu)成。第一模塊IOa與第二模塊IOb相對位移入I = (p±0.5) T p，取j=10，即第一模塊IOa與第二模塊IOb相對位移入i = 10.5 T p，Tp為次級極距。此時初級的兩個模塊IOa和IOb空間相位互差180度的電角度，所以這兩個模塊的定位力波形也互差180度的電角度。因此這兩個模塊合成得到的定位力大大減小，甚至抵消。由圖4可得為本實(shí)用新型直線電機(jī)的定位力相比于對應(yīng)的傳統(tǒng)直線電機(jī)確實(shí)削弱了不少。[0032]次級極距與同一模塊中初級極距滿足Ts = kTp±(l/m) Tp，其中，次級極距為T p，初級極距為T 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^ =譬Tpt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A2反向串聯(lián)組成A相。因?yàn)榉謱僭趦蓚€模塊上的A相的兩套繞組在空間上相差10.5 T p，即相差180度的電角度，所以在同一個電周期內(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A2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A2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)對磁路的不良影響，進(jìn)而使各相反電勢的波形更加正弦對稱，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不平衡的問題。圖5給出了本實(shí)用新型實(shí)施例直線電機(jī)反電勢波形圖，由圖可見，三相反電勢正弦對稱，易于進(jìn)行無刷交流驅(qū)動。圖6為本實(shí)施例A相電樞反應(yīng)磁場分布,不考慮永磁磁勢將永磁體設(shè)置為相對磁導(dǎo)率大于I的空氣介質(zhì)，只對A相通電時的電樞反應(yīng)磁場。從圖6中可以看到:A相繞組產(chǎn)生的電樞磁通大部分經(jīng)過自身的電樞齒，氣隙與電樞齒下對應(yīng)的次級齒構(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為本實(shí)用新型實(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，本實(shí)用新型具有較高的容錯性能。本實(shí)用新型初級永磁直線電機(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稱的反電勢，較小的定位力與推力波動。同時不加入占用槽空間的導(dǎo)磁的容錯齒或不導(dǎo)磁的隔離齒，間接提高了功率密度，且獲得較高的容錯性能。雖然本實(shí)用新型已以較`佳實(shí)施例公開如上，但實(shí)施例并不是用來限定本實(shí)用新型的。在不脫離本實(shí)用新型之精神和范圍內(nèi)，所做的任何等效變化或潤飾，同樣屬于本實(shí)用新型之保護(hù)范圍。因此本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本申請的權(quán)利要求所界定的內(nèi)容為標(biāo)準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.種互補(bǔ)型容錯直線電機(jī)，包括初級、次級，次級為等齒寬的凸極結(jié)構(gòu)，初級和次級之間具有氣隙，其特征在于:所述初級由《個模塊組成，/7為大于等于2的偶數(shù)；每個模塊包含有m個凸極結(jié)構(gòu)的等齒寬的電樞齒，其中m為電機(jī)的相數(shù)，每個電樞齒上繞有集中繞組，每個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，相鄰模塊間的相對位移為4 = (/ 土 OS)rp,次級極距與初級極距滿足Ts = Jcrp 土(l/mjTp,其中+Tf為電樞齒極距、為次級齒極距、々和j'為正整數(shù)。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種互補(bǔ)型容錯直線電機(jī)，其特征在于:所述初級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.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種互補(bǔ)型容錯直線電機(jī)，其特征在于:所述每個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電樞齒齒寬的一半。
4.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種互補(bǔ)型容錯直線電機(jī)，其特征在于:所述每個電樞齒下方貼裝的永磁體為一塊寬度為每個電樞齒齒寬一半的永磁體，每個電樞齒上的永磁體的充磁方向一致且與每個電樞齒的中心軸線平行。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種互補(bǔ)型容錯直線電機(jī)，屬于電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域。一種互補(bǔ)型容錯直線電機(jī)，包括初級、次級，次級為等齒寬的凸極結(jié)構(gòu)，初級和次級之間具有氣隙，所述初級由偶數(shù)個模塊組成，每個模塊包含有多個凸極結(jié)構(gòu)的電樞齒，每個電樞齒上繞有集中繞組，每個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。本實(shí)用新型電機(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稱的反電勢，較小的定位力與推力波動。本實(shí)用新型電機(jī)不加入占用槽空間的容錯齒或隔離齒，能在不犧牲電機(jī)功率密度前提下，同時獲得較高的容錯性能。
文檔編號H02K41/02GK202931164SQ20122062500
公開日2013年5月8日 申請日期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 申請人:江蘇大學(xué)