CN105099123A - 基于环形绕组和斥力磁场的直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于环形绕组和斥力磁场的直线电机，包括磁钢组件和电枢组件；电枢组件包括铁芯和环绕铁芯的环形绕组；环形绕组沿电机的直线运动方向环形绕制，且环形绕组的截面垂直于电机的直线运动方向；磁钢组件包括设置在电枢组件两侧的第一磁钢单元和第二磁钢单元，第一磁钢单元包括第一背铁和在第一背铁内表面上平行间隔设置的一排磁钢，第二磁钢单元包括第二背铁和在第二背铁内表面上平行间隔设置的一排磁钢；第一背铁和第二背铁上的磁钢数量相同，位于同一背铁上相邻两个磁钢极性相反，位于第一背铁和第二背铁相对位置的两个磁钢极性相同。该基于环形绕组和斥力磁场的直线电机铁损铜耗低、电机功率密度大、体积小，空间利用好。

Description

基于环形绕组和斥力磁场的直线电机

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及一种基于环形绕组和斥力磁场的直线电机。

背景技术

直线电机是一种能将电能直接转换成直线运动的机械能的动力装置，是一种能够提供大功率和高推力的驱动元件。现有的单定子单动子直线电机、无铁芯直线电机，均存在绕组端部大、体积大、电机功率密度低、铁耗铜耗高等缺点，有待进一步改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种改进的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于环形绕组和斥力磁场的直线电机，包括磁钢组件和电枢组件；

所述电枢组件包括铁芯和环绕所述铁芯的环形绕组；所述环形绕组沿电机的直线运动方向环形绕制，且所述环形绕组的截面垂直于电机的直线运动方向；

所述磁钢组件包括设置在所述电枢组件两侧的第一磁钢单元和第二磁钢单元，所述第一磁钢单元包括第一背铁、在所述第一背铁内表面上平行间隔设置的一排磁钢，所述第二磁钢单元包括第二背铁、在所述第二背铁内表面上平行间隔设置的一排磁钢；所述第一背铁和所述第二背铁上的磁钢数量相同，位于同一背铁上相邻两个磁钢极性相反，位于所述第一背铁和所述第二背铁相对位置的两个磁钢极性相同。

优选地，还包括驱使所述电枢组件相对所述磁钢组件运动的直线导轨支撑组件，此时，所述电枢组件为动子，所述第一磁钢单元和所述第二磁钢单元为定子。

优选地，还包括驱使所述磁钢组件相对所述电枢组件运动的直线导轨支撑组件，此时，所述电枢组件为定子，所述第一磁钢单元和所述第二磁钢单元为动子。

优选地，所述磁钢组件还包括用于连接所述第一背铁和所述第二背铁的衔接件，所述电枢组件还包括用于固定所述铁芯的底座，所述衔接件和所述底座分别与所述直线导轨支撑组件相连，并在所述直线导轨支撑组件控制下做直线运动。

优选地，所述第一背铁和所述第二背铁上的磁钢数量均为2P个，所述直线电机的基本参数应满足：L≥Pτ，q<P，其中τ为磁钢的极距，其中L是所述直线电机的长度；或者

所述第一背铁和所述第二背铁上的磁钢数量均为2P+1个，所述直线电机的基本参数应满足：L≥(P+0.5)τ，q<(P+0.5)，其中τ为磁钢的极距，其中L是所述直线电机的长度。

优选地，所述电枢组件还包括设置在所述铁芯两端的上绝缘端板和下绝缘端板，所述上绝缘端板和所述下绝缘端板均布Z＝2qm个用于分隔和定位所述环形绕组的凸起，其中Z是所述直线电机的虚槽数，q是所述环形绕组所跨磁钢磁极的对数，m是所述直线电机的相数。

优选地，所述铁芯为若干方形硅钢片叠压而成的方形铁芯。

优选地，所述方形硅钢片的厚度为0.2～0.5mm。

优选地，所述电枢组件沿动子运动方向设有Z个虛槽，Z＝2qm＝6q，m＝3为三相永磁直线电机；U、V、W三相绕组，沿动子直线运动的方向环形绕制形成三相独立绕组或者三相绕组中点相连形成Y连接方式。

优选地，所述电枢组件沿动子运动方向设有Z个虛槽，Z＝2qm＝4q，m＝2为两相永磁直线电机；A、B两相绕组，沿动子直线运动的方向环形绕制，形成两相独立绕组。

本发明与现有技术相比具有如下优点：实施本发明，设置第一磁钢单元和第二磁钢单元，使位于第一背铁和第二背铁上的两个磁钢极性相同，形成斥力磁场，以保证极大部分磁力线垂直进入环形绕组及其所在铁芯，位于铁芯表面的环形绕组切割磁力线以产生有效力矩，磁力线进入环形绕组所在铁芯后随即偏转90°，形成与动子运动方向一致的切向磁场，从而使铁损的性质成为铁芯表面涡流损耗，铁损的数值有大幅下降，并且电机功率密度大、体积小，空间利用好，体积不变的功率密度增加100％。而且，本发明采用斥力磁场的直线电机设计，电机绕组可沿绕组所在铁芯环形绕制，使绕组的端部尺寸减半，与传统直线电机相比，可以减少铜耗30％左右。本发明绕组的绕制方法更加简便，容易实现全自动绕线，使直线电机的可靠性和一致性提高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例中基于环形绕组和斥力磁场的直线电机的结构示意图。

图2是本发明一实施例中基于环形绕组和斥力磁场的直线电机的剖面图。

图3是本发明一实施例中基于环形绕组和斥力磁场的直线电机的磁力线示意图。

图4是本发明一实施例中U相绕组的结构示意图及三相绕组展开示意图。

图中：10、电枢组件；11、铁芯；12、环形绕组；13、上绝缘端板；14、下绝缘端板；15、底座；20、磁钢组件；21、第一背铁；22、第二背铁；23、磁钢；24、衔接件。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1及图2示出本实施例中的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机。该直线电机包括磁钢组件20和电枢组件10。具体地，电枢组件10包括铁芯11和环绕铁芯11的环形绕组12。环形绕组12沿电机的直线运动方向环形绕制，且环形绕组12的截面垂直于直线电机的直线运动方向，该电机的直线运动方向为动子运动方向。可以理解地，环形绕组12沿铁芯11环形绕制，使环形绕组12的端部尺寸减半，与传统直线电机相比，可使绕组线圈的铜耗减少30％左右。而且，本发明所提供的环形绕组12的绕制方法更加简便，容易实现全自动绕线，使直线电机的可靠性和一致性提高。

如图1、图2所示，磁钢组件20包括设置在电枢组件10两侧的第一磁钢单元(图中未示出)和第二磁钢单元(图中未示出)，可以理解地，第一磁钢单元和第二磁钢单元相对于电枢组件10对称分布。第一磁钢单元包括第一背铁21以及在第一背铁21内表面上平行间隔设置的一排磁钢23，第二磁钢单元包括第二背铁22以及在第二背铁22内表面上平行间隔设置的一排磁钢23，可以理解地，第一背铁21上的磁钢23和第二背铁22上的磁钢23相对设置。如图2、图3所示，第一背铁21和第二背铁22上的磁钢23数量相同，位于同一背铁上相邻两个磁钢23极性相反(即N极与S极相间设置)，位于第一背铁21和第二背铁22相对位置的两个磁钢23极性相同，以使其对置的空间形成斥力磁场，电枢组件10处于该斥力磁场内。

由于位于第一背铁21和第二背铁22上的两个磁钢23极性相同，形成斥力磁场，保证极大部分磁力线垂直进入环形绕组12及其所在铁芯11，位于铁芯11表面的环形绕组12切割磁力线以产生有效力矩，磁力线进入环形绕组12所在铁芯11后随即偏转90°，形成与动子运动方向一致的切向磁场，从而使铁损的性质成为铁芯11表面涡流损耗，铁损的数值有大幅下降，并且电机功率密度大、体积小，空间利用好，体积不变的功率密度增加100％。

具体地，第一背铁21和所述第二背铁22上的磁钢23数量均为2P个，直线电机的基本参数应满足：L≥Pτ，q<P，其中τ为磁钢23的极距，其中L是直线电机的长度。或者

第一背铁21和所述第二背铁22上的磁钢23数量均为2P+1个，直线电机的基本参数应满足：L≥(P+0.5)τ，q<(P+0.5)，其中τ为磁钢23的极距，其中L是直线电机的长度。

如图4所示，电枢组件10包括铁芯11、设置在铁芯11两端的上绝缘端板13和下绝缘端板14、以及环绕铁芯11的环形绕组12。具体地，上绝缘端板13和下绝缘端板14均布Z＝2qm个用于分隔和定位环形绕组12的凸起，用于分隔和定位绕组，其中Z是直线电机的虚槽数，q是环形绕组12所跨磁钢23磁极的对数，m是直线电机的相数。

图4中(a)是绕U相绕组的组件示意图，(b)是三相绕组展开后的表示其空间关系的示意图，三相绕组沿圆周按120°电角度均匀分布。如图4所示，电枢组件10可以沿动子运动方向设有Z个虛槽，Z＝2qm＝6q，m＝3为三相永磁直线电机；U、V、W三相绕组，沿动子直线运动的方向环形绕制形成三相独立绕组或者所述三相绕组中点相连形成Y连接方式。

可以理解地，电枢组件10还可以沿动子运动方向设有Z个虛槽，Z＝2qm＝4q，m＝2为两相永磁直线电机；A、B两相绕组，沿动子直线运动的方向环形绕制，形成两相独立绕组。

铁芯11为若干方形硅钢片叠压而成的方形铁芯11。如图2所示，直线电机的铁损性质为铁芯11表面涡流损耗，采用硅钢片制成而成的铁芯11，可有效抑制铁芯11表面的涡流损耗，而由于采用沿直线电机动子运动方向环形绕制的环形绕组12，并使电枢组件10处于斥力磁场内，使得铁芯11内部的磁力线与电机的动子运动方向一致，产生的涡流损耗极小甚至不产生涡流损耗，进而使本实施例所提供的直线电机与传统直线电机相比，铁损数值大幅下降。具体地，方形硅钢片的厚度为0.2～0.5mm，可进一步减小铁芯11表面铁损，使直线电机适用高速高频运行。

具体地，该基于环形绕组和斥力磁场的直线电机还包括连接电枢组件10和磁钢组件20的直线导轨支撑组件(图中未示出)，用于支撑并保持电枢组件10和磁钢组件20上对置的两排磁钢23之间的气隙。可以理解地，直线导轨支撑组件可以用于驱使电枢组件10相对磁钢组件20运动，此时，电枢组件10为动子，第一磁钢单元和第二磁钢单元为定子，电枢组件10相对于第一磁钢单元和第二磁钢单元沿直线导轨运动，共同构成单动子、双定子的斥力磁场直线电机。

可以理解地，该直线导轨支撑组件还可以用于驱使磁钢组件20相对电枢组件10运动的直线导轨支撑组件，此时，电枢组件10为定子，第一磁钢单元和第二磁钢单元为动子，第一磁钢单元和第二磁钢单元相对于电枢组件10沿直线导轨运动，共同构成单定子、双动子的斥力磁场直线电机。

具体地，磁钢组件20还包括用于连接第一背铁21和第二背铁22的衔接件24，电枢组件10还包括用于固定铁芯11的底座15，衔接件24和底座15分别与直线导轨支撑组件相连，并在直线导轨支撑组件控制下做直线运动。

可以理解地，本发明通过采用斥力磁场和环形线圈绕组技术，有效地提升了气隙磁密，压缩了磁路长度，大幅度地减小了绕组端部，使直线电机具有更大的输出力矩，同时降低了电枢组件10中环形绕组12的铜损和铁芯11的铁损，节能和高效。

实施例1

本发明提供一种基于环形绕组和斥力磁场的三相直线电机，如图1所示，当直线导轨支撑组件允许电枢组件10相对磁钢组件20运动时，图中电枢组件10的环形绕组12、环形绕组12所在的铁芯11、环形绕组12与铁芯11之间的上绝缘端板13和下绝缘端板14成为动子，磁钢23、第一背铁21、第二背铁22、以及第一背铁21和第二背铁22间的衔接件24成为定子，共同构成单动子、双定子的直线电机；其中，定子和动子均呈直线型。

本实施例中直线电机的电枢组件10由三相环形绕组12构成，如图4所示，其中图4(a)是绕了U相绕组的组件示意图，图4(b)是三相环形绕组12展开后的表示其空间关系的示意图，三相环形绕组12沿圆周按120°电角度均匀分布。环形绕组12与铁芯11间的上绝缘端板13和下绝缘端板14安装在环形绕组12所在铁芯11上，然后将三相环形绕组12嵌入到上绝缘端板13和下绝缘端板14内，构成电枢组件10，可以理解地，铁芯11固定在底座15上。

本实施例中直线电机的两排磁钢23分别贴在第一背铁21和第二背铁22的内侧。两排磁钢23的磁极数均为2P或2P+1，且两排磁钢23中的相向的磁钢23极性相同，即同为N极或S极，呈“相斥磁场”。

由于两排磁钢23的磁极为同极相对，从而保证极大部分磁力线垂直进入环形绕组12及其所在铁芯11，环形绕组12切割磁力线产生有效力矩，而磁力线在进入环形绕组12所在铁芯11后随即偏转90°，形成与直线电机运动方向一致的切向磁场，如图3所示。本实施例中，使直线电机铁损的性质为铁芯11表面涡流损耗。由于铁芯11采用硅钢片叠压而成，抑制了铁芯11表面涡流损耗，而铁芯11内部的磁力线与直线电机运动方向一致，不产生涡流损耗；故本实施例所提供的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机的铁损的与传统直线电机相比，数值上有大幅下降，并且该直线电机的环形绕组12的端部非常小，直线电机的全部绕组都可以产生力矩。综上，本实施例中的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机的功率密度大、体积小，空间利用好，体积不变的功率密度增加100％。

如图4所示，基于环形绕组和斥力磁场直线电机的环形绕组12设计，使环形绕组12的端部尺寸减半，从而使绕组线圈的铜损减少30％左右，环形绕组12的绕制方法更加简便，容易实现全自动绕线，使直线电机的可靠性和一致性提高。本实施例中，环形绕组12所在铁芯11硅钢片的厚度为0.35mm，可以进一步减少表面铁损，使直线电机适应高速高频运行。

实施例2

本发明提供一种基于环形绕组和斥力磁场的三相直线电机，如图1所示，当直线导轨支撑组件允许磁钢组件20相对电枢组件10运动时，图中磁钢23、第一背铁21、第二背铁22、以及第一背铁21和第二背铁22间的衔接件24成为动子，电枢组件10的环形绕组12、环形绕组12所在的铁芯11、环形绕组12与铁芯11之间的上绝缘端板13和下绝缘端板14成为定子，共同构成单定子、双动子的直线电机；其中，定子和动子均呈直线型。

本实施例中直线电机的电枢组件10由三相环形绕组12构成，如图4所示，其中图4(a)是绕了U相绕组的组件示意图，图4(b)是三相环形绕组12展开后的表示其空间关系的示意图，三相环形绕组12沿圆周按120°电角度均匀分布。环形绕组12与铁芯11间的上绝缘端板13和下绝缘端板14安装在环形绕组12所在铁芯11上，然后将三相环形绕组12嵌入到上绝缘端板13和下绝缘端板14内，构成电机组件，可以理解地，铁芯11固定在底座15上。

本实施例直线电机的两排磁钢23分别贴在第一背铁21和第二背铁22的内侧。两排磁钢23的磁极数均为2P或2P+1，且两排磁钢23中的相向磁钢23极性相同，即同为N极或S极，呈“相斥磁场”。

由于两排磁钢23的磁极为同极相对，从而保证极大部分磁力线垂直进入环形绕组12及其所在铁芯11，环形绕组12切割磁力线产生有效力矩，而磁力线在进入环形绕组12所在铁芯11后随即偏转90°，形成与直线电机运动方向一致的切向磁场，如图3所示。本实施例是，使直线电机铁损的性质成为铁芯11表面涡流损耗。由于铁芯11采用硅钢片叠压而成，抑制了铁芯11表面涡流损耗，而铁芯11内部的磁力线与直线电机运动方向一致，不产生涡流损耗，本实施例所提供的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机的铁损的与传统直线电机相比，数值上有大幅下降，并且该直线电机的环形绕组12的端部非常小，直线电机的全部绕组都可以产生力矩。综上，本实施例中的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机的功率密度大、体积小，空间利用好，体积不变的功率密度增加100％。

如图3所示，基于环形绕组和斥力磁场的直线电机的环形绕组12设计，使绕组的端部尺寸减半，从而使绕组线圈的铜损减少30％左右，环形绕组12的绕制方法更加简便，容易实现全自动绕线，使直线电机的可靠性和一致性提高。本实施例中，环形绕组12所在铁芯11硅钢片的厚度为0.45mm，可以进一步减少表面铁损，使直线电机适应高速高频运行。

实施例3

本实施例提供一种基于环形绕组和斥力磁场的两相直线电机，如图1所示，当直线导轨支撑组件允许电枢组件10相对磁钢组件20运动时，电枢组件10的环形绕组12、环形绕组12所在的铁芯11、环形绕组12与铁芯11之间的上绝缘端板13和下绝缘端板14成为动子，磁钢23、第一背铁21、第二背铁22、以及第一背铁21和第二背铁22间的衔接件24成为定子，共同构成单动子、双定子的直线电机。

定子和动子均呈直线型，第一背铁21和第二背铁22分别位于环形绕组12及其所在铁芯11的两侧；两排磁钢23贴在第一背铁21和第二背铁22的内侧；两排磁钢23的磁极数均为2P或2P+1，且两排磁钢23的相向的磁钢23的极性相同，呈“相斥磁场”，环形绕组12所在铁芯11上设置有A、B两相绕组。

实施例4

本实施例提供一种基于环形绕组和斥力磁场的两相直线电机，如图1所示，当直线导轨支撑系统允许磁钢23相对电枢绕组运动时，磁钢23、第一背铁21、第二背铁22、以及第一背铁21和第二背铁22间的衔接件24成为动子，电枢组件10的环形绕组12、环形绕组12所在的铁芯11、环形绕组12与铁芯11之间的上绝缘端板13和下绝缘端板14成为定子，共同构成单定子、双动子的直线电机。

定子和动子均呈直线型，第一背铁21和第二背铁22分别位于环形绕组12及其所在铁芯11的两侧；两排磁钢23贴在第一背铁21和第二背铁22的内侧；两排磁钢23的磁极数均为2P或2P+1，且两排磁钢23的相向的磁钢23的极性相同，呈“相斥磁场”，环形绕组12所在铁芯11上设置有A、B两相绕组。

本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换和等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1.基于环形绕组和斥力磁场的直线电机，包括磁钢组件（20）和电枢组件（10）；其特征在于，

所述电枢组件（10）包括铁芯（11）和环绕所述铁芯（11）的环形绕组（12）；所述环形绕组（12）沿电机的直线运动方向环形绕制，且所述环形绕组（12）的截面垂直于电机的直线运动方向；

所述磁钢组件（20）包括设置在所述电枢组件（10）两侧的第一磁钢单元和第二磁钢单元，所述第一磁钢单元包括第一背铁（21）、在所述第一背铁（21）内表面上平行间隔设置的一排磁钢（23），所述第二磁钢单元包括第二背铁（22）、在所述第二背铁（22）内表面上平行间隔设置的一排磁钢（23）；所述第一背铁（21）和所述第二背铁（22）上的磁钢（23）数量相同，位于同一背铁上相邻两个磁钢（23）极性相反，位于所述第一背铁（21）和所述第二背铁（22）相对位置的两个磁钢（23）极性相同。

2.根据权利要求1所述的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机，其特征在于，还包括驱使所述电枢组件（10）相对所述磁钢组件（20）运动的直线导轨支撑组件，此时，所述电枢组件（10）为动子，所述第一磁钢单元和所述第二磁钢单元为定子。

3.根据权利要求1所述的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机，其特征在于，还包括驱使所述磁钢组件（20）相对所述电枢组件（10）运动的直线导轨支撑组件，此时，所述电枢组件（10）为定子，所述第一磁钢单元和所述第二磁钢单元为动子。

4.根据权利要求2或3所述的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机，其特征在于，所述磁钢组件（20）还包括用于连接所述第一背铁（21）和所述第二背铁（22）的衔接件（24），所述电枢组件（10）还包括用于固定所述铁芯（11）的底座（15），所述衔接件（24）和所述底座（15）分别与所述直线导轨支撑组件相连，并在所述直线导轨支撑组件控制下做直线运动。

5.根据权利要求1所述的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机，其特征在于，所述第一背铁（21）和所述第二背铁（22）上的磁钢（23）数量均为2P个，所述直线电机的基本参数应满足：L≥Pτ，q<P，其中τ为磁钢（23）的极距，其中L是所述直线电机的长度；或者

所述第一背铁（21）和所述第二背铁（22）上的磁钢（23）数量均为2P+1个，所述直线电机的基本参数应满足：L≥(P+0.5)τ，q<(P+0.5)，其中τ为磁钢（23）的极距，其中L是所述直线电机的长度。

6.根据权利要求1所述的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机，其特征在于，所述电枢组件（10）还包括设置在所述铁芯（11）两端的上绝缘端板（13）和下绝缘端板（14），所述上绝缘端板（13）和所述下绝缘端板（14）均布Z=2qm个用于分隔和定位所述环形绕组（12）的凸起，其中Z是所述直线电机的虚槽数，q是所述环形绕组（12）所跨磁钢（23）磁极的对数，m是所述直线电机的相数。

7.根据权利要求1所述的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机，其特征在于，所述铁芯（11）为若干方形硅钢片叠压而成的方形铁芯（11）。

8.根据权利要求7所述的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机，其特征在于，所述方形硅钢片的厚度为0.2～0.5mm。

9.根据权利要求1-3、5-8任一项所述的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机，其特征在于，所述电枢组件（10）沿动子运动方向设有Z个虛槽，Z=2qm=6q，m=3为三相永磁直线电机；U、V、W三相绕组，沿动子直线运动的方向环形绕制形成三相独立绕组或者三相绕组中点相连形成Y连接方式。

10.根据权利要求1-3、5-8任一项所述的基于环形绕组和斥力磁场的直线电机，其特征在于，所述电枢组件（10）沿动子运动方向设有Z个虛槽，Z=2qm=4q，m=2为两相永磁直线电机；A、B两相绕组，沿动子直线运动的方向环形绕制，形成两相独立绕组。