CN102594085A - 城市轨道交通用永磁游标直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种城市轨道交通用永磁游标直线电机，该电机包括电机初级（1）、与电机初级（1）通过气隙相隔的电机次级（2）；电机初级（1）包括扁平状的初级铁芯（3）、电枢绕组（5）、磁通调制极（6），初级铁芯（3）上设有凸出于其外周的初级齿（4），电枢绕组（5）绕于初级齿（4）上，初级齿（4）上凸出的小齿部分即为磁通调制极（6），电机初级（1）安置于列车上；电机次级（2）包括永磁体（7）、次级铁芯（8），永磁体（7）沿水平方向间隔地且等距离地嵌放在次级铁芯（8）上，电机次级（2）安置于列车轨道上。本发明可以提高城市轨道交通用直线电机低速运行时的平稳性，提高电机效率，具有很高的理论和实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及电工、电机、轨道交通领域，特指一种适用于城市轨道交通的新型Halbach低速大推力永磁游标直线电机。
背景技术
随着城市人口的膨胀和城建物的不断密集，城市轨道交通凭借便捷、环保、节能、安全和运量大等优点，在城市持续发展中起着十分重要的作用。而与此同时，城市轨道交通用牵引电机的研究也得到了相关领域学者越来越广泛的关注。
在城市轨道交通应用场合，牵引电机主要是采用旋转电机和直线电机这两种技术途径。采用直线电机的城轨电车，将电能直接转换成直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置，可避免滑行和空转产生的各种问题；此外，直线电机相比较于旋转电机，减小了车身体积和重量，从而降低了施工成本。因此，用于城市轨道交通的直线电机极具研究和实用价值。
当前，对城轨交通用直线电机的研究主要有直线感应电机和永磁直线同步电机。其中，直线感应电机应用的较多，但其在功率因数、功率密度等方面存在不足。传统的永磁直线同步电机兼有永磁电机和直线电机的双重优点，与直线感应电机相比，永磁直线同步电机的力能指标高、体积小、重量轻，且具有发电制动功能。然而，其也存在推力波动幅值大的明显缺点，直接影响定位和轨迹跟踪精度，在城轨交通应用场合中无疑带来低速运动平稳性问题。
若采用新型Halbach低速大推力永磁游标直线电机，通过初级齿上磁通调制极的引入，省去了传统磁齿轮中的高速侧以及独立的调磁环结构，使得电机结构更为简单，既可以调节速度，又具有噪声低、可靠性高、推力传输能力大、过载保护等优点。而且，次级上永磁体采用特殊的Halbach阵列，通过调整永磁体宽度比以及充磁方向，可以获得提供更大的有效磁场谐波成分和输出推力密度，降低次级磁轭的磁通密度及铁芯损耗。因此，有必要提出一种城市轨道交通用新型Halbach低速大推力永磁游标直线电机。
发明内容
技术问题：本发明针对传统城轨交通用直线电机在低速运动时存在平稳性问题，提出一种城市轨道交通用永磁游标直线电机，利用电机初级齿上磁通调制极的调制作用，省去了传统磁齿轮中的高速侧以及独立的调磁环结构，使得电机结构更为简单，既可以调节速度，又具有噪声低、可靠性高、推力传输能力大、过载保护等优点。同时次级永磁体采用特殊的Halbach阵列，可以提供更大的有效磁场谐波成份和输出推力密度，减少次级铁芯磁轭的磁通密度，降低铁芯损耗。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种城市轨道交通用永磁游标直线电机，该电机包括电机初级、与电机初级通过气隙相隔的电机次级；
电机初级包括扁平状的初级铁芯、电枢绕组、磁通调制极，初级铁芯上设有凸出于其外周的初级齿，电枢绕组绕于初级齿上，初级齿上凸出的小齿部分即为磁通调制极，电机初级安置于列车上；
电机次级包括永磁体、次级铁芯，永磁体沿水平方向间隔地且等距离地嵌放在次级铁芯上，电机次级安置于列车轨道上。
电机初级与电机次级之间只有一层气隙。
磁通调制极用于进行磁场调制，且满足磁通调制极的个数ns 等于电机初级电枢绕组极对数np与电机次级永磁体极对数nr 之和。
永磁体材料为钕铁硼，每块永磁体分成三份，每份永磁体的宽度和充磁方向均可调节。
初级铁芯和次级铁芯的材料均为硅钢片。
有益效果：
（1） 省去了传统磁齿轮中的高速侧以及独立的调磁环结构，使得电机结构更为
简单，既可以调节速度，又具有噪声低、可靠性高、推力传输能力大、过载保护等优点，适用于城市轨道交通场合；
（2） 电机为单气隙结构，加工工艺简单，稳定性及可靠性得到提高；
（3） 电机中有更多的磁力线通过气隙，因此气隙磁通密度的有效谐波成份值比普通磁场调制式永磁电机高，输出推力增大；
（4） 电机次级铁芯磁轭磁通密度可以大量减少，这将减少次级铁芯磁轭铁芯损耗，缩小次级铁芯轭部大小，节省材料；
（5） 次级永磁体之间通过铁芯隔离，阻断了各永磁体中涡流电流的相互流动，降低了次级永磁体中的涡流损耗。
次级永磁体采用表面插入式结构，使得该电机具有很宽的恒功率弱磁能力，特别适用于城轨交通需要灵活变化速度的场合。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
其中有：电机初级1、电机次级2、初级铁芯3、初级齿4、电枢绕组5、磁通调制极6、永磁体7、次级铁芯8；
图2为本发明次级局部永磁体充磁方向示意图；
其中有：永磁体7、次级铁芯8、初级齿4、电枢绕组5、磁通调磁极6。永磁体7每个极被分成三份，图中箭头所指方向为该份永磁体的充磁方向，每份永磁体的宽度和充磁方向均可调节，以达到最大的功率输出。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行说明。
本发明提出了一种城市轨道交通用低速大推力永磁游标直线电机。它通过电机初级齿上磁通调制极的作用，进行磁场调制，解决传统直线电机低速运行时推力输出能力小的问题，同时次级永磁体采用特殊的Halbach阵列，可以提供更大的有效磁场谐波成份和输出推力密度，减少次级铁芯磁轭的磁通密度，降低铁芯损耗。因此，本发明在提高城轨交通用直线电机低速运行平稳性的同时，也提高了电机效率。
该电机包括初级、次级；电机初级包括初级铁芯、初级齿、电枢绕组、磁通调制极，初级铁芯采用凸极嵌入式游标结构，电枢绕组绕于初级齿上，初级齿上凸极的小齿部分即为磁通调制极，初级安置于列车上；电机次级包括永磁体、次级铁芯，永磁体沿水平方向间隔地且等距离地嵌放在次级铁芯上，次级安置于列车轨道上。
本发明提供的城市轨道交通用永磁游标直线电机，该电机包括电机初级1、与电机初级1通过气隙相隔的电机次级2。
电机初级1包括扁平状的初级铁芯3、电枢绕组5、磁通调制极6，初级铁芯3上设有凸出于其外周的初级齿4，电枢绕组5绕于初级齿4上，初级齿4上凸出的小齿部分即为磁通调制极6，电机初级1安置于列车上。
电机次级2包括永磁体7、次级铁芯8，永磁体7沿水平方向间隔地且等距离地嵌放在次级铁芯8上，电机次级2安置于列车轨道上。
电机初级1与电机次级2之间只有一层气隙。
磁通调制极6用于进行磁场调制，且满足磁通调制极6的个数ns 等于电机初级1电枢绕组极对数np与电机次级2永磁体极对数nr 之和。
永磁体7材料为钕铁硼，每块永磁体分成三份，图2中箭头所指方向为该份永磁体的充磁方向，每份永磁体的宽度和充磁方向均可调节，以达到最大的功率输出。
初级铁芯3和次级铁芯8的材料均为硅钢片。
初级电枢绕组极对数与永磁体极对数之比即为该电机可实现的速度变比。
本发明基于磁通调制极的空间磁场调制原理，利用空间谐波传递磁场和能量，当给该直线电机初级电枢绕组通以固定频率的交流电时，电枢绕组电流产生的行波磁场同步速度为 
，经磁通调制极的磁场调制作用，在气隙中产生一个调制行波磁场，其同步速度为
，该磁场与次级上的永磁体相互作用，从而带动初级同步运动，负号表示电枢绕组磁场与调制磁场的行波方向相反。通过改变通入绕组电流的频率来实现不同的同步速度
，进而得到不同的初级运动速度
，实现调速驱动。
:
为调速比，数值上等于
(
)。因此，该电机满足在低速时输出较大推力的要求，适用于城市轨道交通领域。
该电机次级永磁体采用特殊的Halbach阵列，利用有限元优化调整永磁体宽度比以及充磁方向，可以获得提供更大的有效磁场谐波成份和输出推力密度，降低次级磁轭的磁通密度及铁芯损耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (5)
1. 一种城市轨道交通用永磁游标直线电机，其特征在于：该电机包括电机初级（1）、与电机初级（1）通过气隙相隔的电机次级（2）；
电机初级（1）包括扁平状的初级铁芯（3）、电枢绕组（5）、磁通调制极（6），初级铁芯（3）上设有凸出于其外周的初级齿（4），电枢绕组（5）绕于初级齿（4）上，初级齿（4）上凸出的小齿部分即为磁通调制极（6），电机初级（1）安置于列车上；
电机次级（2）包括永磁体（7）、次级铁芯（8），永磁体（7）沿水平方向间隔地且等距离地嵌放在次级铁芯（8）上，电机次级（2）安置于列车轨道上。
2. 根据权利要求1所述的城市轨道交通用永磁游标直线电机，其特征在于：电机初级（1）与电机次级（2）之间只有一层气隙。
3. 根据权利要求1所述的城市轨道交通用永磁游标直线电机，其特征在于：磁通调制极（6）用于进行磁场调制，且满足磁通调制极（6）的个数ns 等于电机初级（1）电枢绕组极对数np与电机次级（2）永磁体极对数nr 之和。
4. 根据权利要求1所述的城市轨道交通用永磁游标直线电机，其特征在于：永磁体（7）材料为钕铁硼，每块永磁体分成三份,每份永磁体的宽度和充磁方向均可调节。
5. 根据权利要求1所述的城市轨道交通用永磁游标直线电机，其特征在于：初级铁芯（3）和次级铁芯（8）的材料均为硅钢片。
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