CN101783574B - 环形绕组分段式永磁同步直线电机 - Google Patents

Abstract

环形绕组分段式永磁同步直线电机，属于直线电机技术领域，它解决了现有分段式永磁同步直线电机推力波动大，系统运行可靠性差的问题。它的次级的两个永磁体励磁部件分别位于初级的上表面和下表面上，一个永磁体励磁部件的内侧表面与次级的上表面和另一个永磁体励磁部件的内侧表面与次级的下表面之间分别为气隙；初级的多段电枢铁心顺次紧密相接，每段电枢铁心上的环形电枢绕组为整数槽绕组；每个环形电枢绕组的单层环形线圈平面与次级的运动方向垂直；每个永磁体励磁部件上有多对平板形永磁体固定于动子铁轭的内侧表面上，平板形永磁体的充磁方向垂直于动子铁轭，位置相对的平板形永磁体的充磁方向相反。本发明用于长行程、大推力的直线推进系统。

Description

环形绕组分段式永磁同步直线电机

技术领域

本发明涉及一种环形绕组分段式永磁同步直线电机，属于直线电机技术领域。

背景技术

自上世纪九十年代，伴随以钕铁硼为代表的永磁材料技术的快速发展，永磁同步直线电动机(PMLSM)以其在推力、动态性能、定位精度等方面的优越性，而逐渐成为直线伺服系统的首选驱动部件。在大推力长行程需求的应用场合，如大载荷推进加速系统、提升运输系统等，长初级双边平板型永磁同步直线电机由于具有瞬时推力较大，运行可靠，无切向法向力的影响等优点，成为了一种重要的动力源，引起人们越来越多的重视。但是，这种长初级电机，如果对大电流驱动的初级定子进行整段供电，会造成能源极大的浪费，并且整个电枢绕组的电感较大，会增加控制的难度和成本。因此，长初级直线电机的电枢绕组通常采用分段式结构，现有国内外普遍采用的方法是：将电机的初级定子进行分段，使定子为不连续定子，如说明书附图5所示。图5中在机座4上，第一电枢铁心1和第二电枢铁心11相隔一段距离布置，动子在运动到间隔3处时自由滑行。这种方式，由于直线电机本身的端部效应及动子自由滑行时造成的动子与定子耦合面积的改变，使得电机动子在第一电枢铁心1和第二电枢铁心11的间隔3处运行时，产生较大的推力波动，严重影响整个系统运行的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种环形绕组分段式永磁同步直线电机，它解决了现有分段式永磁同步直线电机推力波动大，系统运行可靠性差的问题。

本发明包括初级和次级，次级包括两个永磁体励磁部件，两个永磁体励磁部件分别位于初级的上表面上侧和下表面下侧，一个永磁体励磁部件的内侧表面与初级的上表面之间设置有上气隙，另一个永磁体励磁部件的内侧表面与初级的下表面之间设置有下气隙；所述两个永磁体励磁部件的结构呈镜像对称；

所述初级由多段电枢铁心和多个环形电枢绕组组成，多段电枢铁心顺次紧密相接，每段电枢铁心的外表面上分别缠绕一个环形电枢绕组，每个环形电枢绕组为由多个单层环形线圈顺次连接组成的整数槽绕组；所述单层环形线圈的线圈平面与次级的运动方向垂直；

所述每个永磁体励磁部件由动子铁轭和多对平板形永磁体组成，多对平板形永磁体固定于动子铁轭的内侧表面上，多对平板形永磁体在动子铁轭的内侧表面上沿运动方向按单行多列式排布；平板形永磁体的充磁方向垂直于动子铁轭，相邻平板形永磁体的充磁方向相反；两个永磁体励磁部件上位置相对的两个平板形永磁体的充磁方向相反。

本发明的优点是：本发明所述的双边结构环形绕组分段式永磁同步直线电机，次级的两个边与初级之间形成的法向力的方向相反，能够相互抵消，可以满足大载荷高速推进系统对瞬时高推力的需求；采用的电枢铁心的分段方法，使相邻的电枢铁心紧密相接，不同环形电枢绕组在电路上断开，这样在整个电机运行的过程中，电机初级、次级的耦合面积始终保持不变。与现在通用的初级的分段方法相比，不存在相邻电枢铁心段之间的间隔，并且相邻的两个环形电枢绕组之间不存在空间的间隔，当电机次级进出初级电枢铁心的某段时，不会因明显的进出端效应而产生大的波动和噪声；不会因其耦合面积的减小，造成较大的推力跌落，使得整个系统运行稳定。同时能够减少能源消耗，提高系统效率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；图2为图1中电枢铁心分段处的横截面结构示意图；图3为本发明中永磁体磁路的原理图；图4是电枢铁心上缠绕的环形电枢绕组的三相排布图；图5为现有不连续定子的分段电机的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式包括初级和次级，次级包括两个永磁体励磁部件2，两个永磁体励磁部件2分别位于初级的上表面上侧和下表面下侧，一个永磁体励磁部件2的内侧表面与初级的上表面之间设置有上气隙，另一个永磁体励磁部件2的内侧表面与初级的下表面之间设置有下气隙；所述两个永磁体励磁部件2的结构呈镜像对称；

所述初级由多段电枢铁心1-1和多个环形电枢绕组1-2组成，多段电枢铁心1-1顺次紧密相接，每段电枢铁心1-1的外表面上分别缠绕一个环形电枢绕组1-2，每个环形电枢绕组1-2为由多个单层环形线圈顺次连接组成的整数槽绕组；所述单层环形线圈的线圈平面与次级的运动方向垂直；

所述每个永磁体励磁部件2由动子铁轭2-1和多对平板形永磁体2-2组成，多对平板形永磁体2-2固定于动子铁轭2-1的内侧表面上，多对平板形永磁体2-2在动子铁轭2-1的内侧表面上沿运动方向按单行多列式排布；平板形永磁体2-2的充磁方向垂直于动子铁轭2-1，相邻平板形永磁体2-2的充磁方向相反；两个永磁体励磁部件2上位置相对的两个平板形永磁体2-2的充磁方向相反。

本实施方式中多个环形电枢绕组1-2仅在电路上断开，分别由独立的控制器控制供电。电机的永磁体总数为P＝2p，p为平板形永磁体2-2的对数；分别在两个永磁体励磁部件2上位置相对的两个平板形永磁体2-2，由于充磁方向相反，面向初级侧的极性相同；环形电枢绕组1-2采用的单层环形线圈的布置与传统的绕组不同，它的线圈平面与初级的运动方向垂直，与电枢铁心1-1的分段面平行，为竖直的环状，对于一个竖直的环形线圈来说，若上层有效边的电流为进，则下层有效边的电流即为出，当位置相对的两个平板形永磁体2-2的充磁方向相反，即可形成并联形式的电机主磁路，根据左手定则，使初级与两边的次级相互作用时，产生的力的方向一致，使得绕组的上下层有效边都可以得到充分利用；本发明中永磁体励磁部件2为可动部件，相邻的两段电枢铁心1-1在磁路上关联而电路上相互独立。

本发明所述的双边结构电机，环形电枢绕组1-2的上下层有效边均可切割磁力线，导体的利用率较高；环形电枢绕组1-2由于采用单层绕组结构，不会在电机端部形成半填槽，更有效的利用了电枢铁心1-1，同时由于单层环形线圈与电枢铁心1-1的分段面平行，使电枢铁心1-1的分段过程简单化，分段长度不受限制。该种分段方法可以根据行程和次级的长度来增加环形电枢绕组1-2的个数，各个环形电枢绕组1-2可在电路上分别控制，从而节约能源，提高系统效率，同时简化了加工制造。

对本实施方式所述分段电机进行控制时，要始终保持两个环形电枢绕组1-2通电，即次级所在电枢铁心1-1段与相邻的下一段电枢铁心1-1同时通电，当次级离开某个电枢铁心1-1段后，该段电枢铁心1-1即可断电。这样避免了动磁式电机整个环形电枢绕组1-2同时通电造成的资源浪费，提高了系统效率。同时由于采用动磁式结构，取消了冗长的导线拖链，避免了永磁体的大面积防护问题，适用于电磁弹射等大载荷高速推进系统。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述电枢铁心1-1为无槽结构，每段电枢铁心1-1上缠绕一个环形电枢绕组，每个环形电枢绕组1-2的相邻单层环形线圈中心之间的距离d与平板形永磁体2-2的极距τ_p之间的关系为3nd＝τ_p，式中n为自然数，每段电枢铁心1-1上单层环形线圈的环数为3的整数倍。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

本实施方式所述的无槽结构的电枢铁心1-1，将环形电枢绕组1-2缠绕在其光滑的表面上，绕组布线更易实现。

具体实施方式三：下面结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述每段电枢铁心1-1的两侧气隙侧外表面上对称开有多对长条槽，长条槽的开槽方向垂直于电机的运动方向，相邻长条槽之间为长条齿，电枢铁心1-1的齿距τ_s与平板形永磁体2-2的极距τ_p之间的关系为3nτ_s＝τ_p，式中n为自然数，每段电枢铁心1-1上长条槽的对数为3的整数倍；

每个环形电枢绕组1-2对应缠绕于一段电枢铁心1-1的长条槽内。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

本实施方式中环形电枢绕组1-2的每个单层环形线圈的两个长边嵌放于电枢铁心上下对称的长条槽内，呈缠绕于电枢铁心1-1的状态。所述单层环形线圈的个数与每段电枢铁心1-1上长条槽的对数相等。电枢铁心1-1安放在电机的机座上。

图4所示，单层环形线圈与普通单层绕组的线圈的区别只是端部联接形式发生了变化，单层环形线圈在长条槽中有效导体的分布并未发生改变，因此其性能分析计算方法、磁路计算、主要参数如励磁电抗、槽漏抗、谐波漏抗等的计算均同普通单层绕组线圈相同，端部联接形式的不同，只是使电阻计算及端部漏抗的计算有所不同。本实施方式所述的齿槽结构电机，由于初级铁心采用开槽结构，使初级与次级之间形成的有效气隙的长度减小，气隙磁密得到提高，相比于非齿槽结构的电机，可以产生更大的电磁推力。

具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一、二或三的不同之处在于所述电枢铁心1-1为两段；所述每个永磁体励磁部件2的动子铁轭2-1上固定一对平板形永磁体2-2。其它组成及连接关系与实施方式一、二或三相同。

图1所示，附图标记A处是两段电枢铁心1-1的相接处，即两段电枢铁心1-1的分段处，对于动磁式长初级结构的永磁同步直线电机，在电机运行时，动子(次级)从定子(初级)一端运动到另一端期间，如果整个行程内全部环形电枢绕组都同时通电，实际上起到产生电磁推力的环形电枢绕组仅为与动子耦合的一段，其它通电段只起到产生损耗的负面作用，主要体现在：一、电机绕组的有效部分占实际通电部分的比例小，而整个通电部分都将产生损耗，导致了整个系统的效率降低；二、全部环形电枢绕组同时通电使得电路中的电感、电阻等参数变大，直接限制了电机的输出特性；三、通电的行程越长对外部电力电子器件的要求越高，使得整个系统的成本提高。

Claims (4)

1.一种环形绕组分段式永磁同步直线电机，它包括初级和次级，其特征在于：次级包括两个永磁体励磁部件(2)，两个永磁体励磁部件(2)分别位于初级的上表面上侧和下表面下侧，一个永磁体励磁部件(2)的内侧表面与初级的上表面之间设置有上气隙，另一个永磁体励磁部件(2)的内侧表面与初级的下表面之间设置有下气隙；所述两个永磁体励磁部件(2)的结构呈镜像对称；

所述初级由多段电枢铁心(1-1)和多个环形电枢绕组(1-2)组成，多段电枢铁心(1-1)顺次紧密相接，每段电枢铁心(1-1)的外表面上分别缠绕一个环形电枢绕组(1-2)，每个环形电枢绕组(1-2)为由多个单层环形线圈顺次连接组成的整数槽绕组；所述单层环形线圈的线圈平面与次级的运动方向垂直；

所述每个永磁体励磁部件(2)由动子铁轭(2-1)和多对平板形永磁体(2-2)组成，多对平板形永磁体(2-2)固定于动子铁轭(2-1)的内侧表面上，多对平板形永磁体(2-2)在动子铁轭(2-1)的内侧表面上沿运动方向按单行多列式排布；平板形永磁体(2-2)的充磁方向垂直于动子铁轭(2-1)，相邻平板形永磁体(2-2)的充磁方向相反；两个永磁体励磁部件(2)上位置相对的两个平板形永磁体(2-2)的充磁方向相反。

2.根据权利要求1所述的环形绕组分段式永磁同步直线电机，其特征在于：所述电枢铁心(1-1)为无槽结构，每段电枢铁心(1-1)上缠绕一个环形电枢绕组，每个环形电枢绕组(1-2)的相邻单层环形线圈中心之间的距离d与平板形永磁体(2-2)的极距τ_p之间的关系为3nd＝τ_p，式中n为自然数，每段电枢铁心(1-1)上单层环形线圈的环数为3的整数倍。

3.根据权利要求1所述的环形绕组分段式永磁同步直线电机，其特征在于：所述每段电枢铁心(1-1)的两侧气隙侧外表面上对称开有多对长条槽，长条槽的开槽方向垂直于电机的运动方向，相邻长条槽之间为长条齿，电枢铁心(1-1)的齿距τ_s与平板形永磁体(2-2)的极距τ_p之间的关系为3nτ_s＝τ_p，式中n为自然数，每段电枢铁心(1-1)上长条槽的对数为3的整数倍；

每个环形电枢绕组(1-2)对应缠绕于一段电枢铁心(1-1)的长条槽内。

4.根据权利要求1、2或3所述的环形绕组分段式永磁同步直线电机，其特征在于：所述电枢铁心(1-1)为两段；所述每个永磁体励磁部件(2)的动子铁轭(2-1)上固定一对平板形永磁体(2-2)。

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