CN103248193B - 容错式初级永磁游标直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于高可靠性直线驱动领域的容错式初级永磁游标直线电机。包括初级，次级和电枢绕组，次级为简单的梯形齿的凸极结构，次级长度大于初级长度，初级和次级之间存在气隙；初级上均匀分布偶数个电枢齿，每个电枢齿上绕有一套集中绕组，相邻两个所述电枢齿之间设置一个容错齿；每个电枢齿下方表面贴装有永磁体，永磁体的充磁方向平行于电枢齿的中心对称轴线，每个电枢齿上均匀分布永磁体，永磁体的充磁方向N-S、S-N交替排列，每个电枢齿上永磁体的充磁方向排列顺序都一样；容错齿的高度等于表面贴装有永磁体的电枢齿的高度加上永磁体的高度。本发明结构简单、推力大、推力脉动小、可靠性高，电机带故障运行和容错性能强。

Description

容错式初级永磁游标直线电机

技术领域

本发明涉及一种初级永磁游标直线电机，可用于轨道交通、低速大推力等高可靠、高效率的直线运动领域。

背景技术

直线电机是一种将电能直接转化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，从而较传统的传动方式有明显的优势，如结构简单，无磨损，精度高，效率高等。因此，直线电机得到越来越广泛的应用。

目前，直线驱动技术正逐步应用于轨道交通方面。直线感应电机机械结构简单，但是工作效率比较低，对气隙的变化也较为敏感；永磁直线电机与电励磁直线电机相比有着较高的效率，但无论是将电枢绕组沿轨道铺设，还是将永磁体沿轨道铺设，在轨道交通这种长线的直线驱动系统中，制造成本太大，不具有经济可行性。

针对上述缺点，国内外学者提出一种结构简单，可靠性高的双凸极定子永磁型旋转电机：就是将线圈和永磁体均放置在定子上，转子为简单的凸极结构。可将永磁体分别置于定子轭部、定子齿间，以及定子凸极表面贴装，即双凸极永磁电机、磁通切换永磁电机以及磁通反向永磁电机，其中双凸极永磁电机的功率密度低于磁通切换电机和磁通反向电机，而磁通切换电机当发生短路故障时，短路电流带来的温度升高容易使永磁体发生退磁，故容错性能较差。磁通反向电机在具有高功率密度的同时，具有较好的容错性能。

现有技术中永磁容错电机虽然具有可靠性和容错性能，但由于采用降额设计、余度技术等手段，在增加电机容错性能的同时往往降低了电机的推力密度，在爬坡、转弯等需要低速大推力的运动的场合时，上述电机不能较好的满足此要求。而另一方面，基于磁齿轮原理的永磁游标电机具有输出转矩大，适用于低速大转矩的运动场合的特点。目前，大多数永磁游标电机均采用3相电枢绕组，每极每相槽数q=1/2的分数槽双层式集中绕组结构，这种结构容易使电机电枢齿磁密饱和，从而降低永磁体的使用效率，降低电机的反电势。其次，双层式集中绕组不具有高容错性能，导致相与相之间的耦合程度较高，当一相发生故障，其他两正常相的磁场将严重受到故障相产生的磁场的影响，导致系统无法正常运行，不具备带故障运行能力，容错性能较差。

发明内容

本发明的目的是，针对现有电机技术的不足，基于现有的游标电机以及初级永磁型直线电机结构的基础，提出一种大推力、高可靠性、电机相与相之间磁路独立、具有容错性能的容错式初级永磁游标电机。

具体来说，本发明采用的技术方案是：包括初级、次级和电枢绕组，初级的长度小于次级的长度，初级和次级之间存在气隙；初级与次级的极距比满足τ_s/τ_p=k±1/m，其中τ_s为初级极距，τ_p为次级极距，k，m为正整数；初级上均匀分布多个电枢齿，电枢绕组绕于电枢齿上，每个所述电枢齿的齿槽中设置一套电枢绕组，每相邻两个所述的电枢齿之间设置一个容错齿；永磁体贴装于电枢齿端部；容错齿的高度等于贴装有永磁体的电枢齿的高度加上永磁体的高度；次级为由次级铁芯和多个梯形齿组成的凸极形状。

本发明的进一步特征在于：每个电枢齿下的永磁体的宽度为电枢齿宽度的1/5，均匀分布于电枢齿端部。

本发明的进一步特征在于：每块永磁体的充磁方向N-S、S-N交替排列，充磁方向为平行于电枢齿的中心轴线，且每一个电枢齿上的永磁体的充磁方向排列顺序是一样的。

本发明的有益效果是：

1、本发明为初级永磁游标结构且带容错齿，结构简单、推力大，可靠性高。

2、本发明避免使用斜槽，增加辅助槽的方法降低电机的定位力，进而降低电机的推力波动，从而降低了电机的加工难度。

3、电机初级上的电枢绕组为集中式绕组，制作嵌线方便，绕组端部短，电阻和铜耗较小。

4、每槽只有一套绕组，没有绕组的电枢齿为容错齿，起到电机相与相之间的物理隔离、热隔离以及磁路的解耦。

5、次级采用简单的凸极结构，没有绕组、没有电刷、没有永磁体，易于维护，延长使用寿命。

6、永磁体采用初级表面贴装的形式，永磁体易于散热，可以避免因为温度过高而使永磁体发生退磁。

7、有效的结合了永磁容错电机和永磁游标电机的优点，在保留并进一步加强了容错性能的同时显著的增大了推力，并减小了推力脉动。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明结构示意图。

图2本发明自感互感对比图。

图3本发明反电势图。

图4本发明推力同等体积永磁体使用量的初级永磁游标直线电机比较图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由初级1、次级6、电枢绕组3、容错齿4、电枢齿2以及贴于电枢齿2端部的永磁体5和次级6上的次级齿7所组成。初级1的长度小于次级6的长度。初级与次级的极距比满足τ_s/τ_p=k±1/m，本发明电机取k=3，m=3。初级1和次级6之间存在气隙。在初级1上容错齿4与电枢齿2间隔均匀分布。五块永磁体5采用表面贴装形式固定在每个电枢齿2的端部，五块永磁体的充磁方向N-S、S-N交替排列，充磁方向为平行于电枢齿2的中心轴线。容错齿4的高度大于贴装有永磁体5的电枢齿2的高度。电枢绕组3绕在电枢齿2上，即初级1上没有绕组的是容错齿4，电枢绕组3采用集中绕组的方式，每个电枢齿2的齿槽中只设置一套电枢绕组3。

次级6是由导磁材料制成的凸极形状，次级6上既没有绕组也没有永磁体，由多个次级齿7组成，次级齿7为梯形齿，次级6做直线运动。

本发明电枢绕组3的磁通路径大部分经过容错齿4来形成回路，而不与其它相电枢绕组的磁链形成交链，实现了电枢绕组3的空间物理隔离，容错齿4将原本放置于一个槽中的不同相电枢绕组分离分别装于两个槽中，使得电机的各相绕组相互独立，各相之间磁路的独立性得到了增强，从根本上避免了相间短路故障的发生，同时使得电机各相互感较一般的初级永磁游标直线电机有所减小。容错齿4的高度等于永磁体5的高度加上电枢齿2的高度，从而有利于容错齿4为电枢磁通构造回路，使相间的独立增强，相与相之间的磁链几乎不发生交链，从而使得电机的容错性能大大提高。

图2电感图中数据计算可得到互感与自感的比值为9%，相比于传统的电机，互感与自感的比大大减小。因此，本发明的电机具有较好的容错性能。

图3给出了本发明电机的反电势波形图。由于本发明的电机初级的极距和次级的极距之比为10:3，是经过优化之后所选的结果，可以由图看这样的极距之比使得本发明反电势更加正弦对称。

图4给出了本发明电机B的推力与现有的电机A的比较图，可以明显的看出本发明电机的推力幅值比现有电机大，而且推力脉动比现有电机的脉动小得多。

本发明没有使用斜极，以及增加辅助齿的方法来减小定位力，仅仅增加了容错齿，就使得电机定位力减小，空载反电势幅值增加，推力增大，推力脉动减小，电机的容错性能提高。

Claims (3)

1.容错式初级永磁游标直线电机，包括初级、次级和电枢绕组，次级为凸极结构，其特征在于，初级和次级之间存在气隙，初级的长度小于次级的长度，且初级与次级的极距比满足τ_s/τ_p＝k±1/m，其中τ_s为初级极距，τ_p为次级极距，k，m为正整数且k＝3，m＝3；所述初级上分布有偶数个电枢齿，相邻两个电枢齿之间设置一个容错齿，容错齿的高度大于电枢齿的高度且等于电枢齿的高度加上永磁体的高度；所述电枢绕组只分布在每个电枢齿上，每个电枢齿下表面贴装有永磁体，永磁体的充磁方向为N-S和S-N交替排列，充磁方向平行于电枢齿的中心对称轴线，且每一个电枢齿上的永磁体的充磁方向排列顺序是一样的。

2.根据权利要求1所述的容错式初级永磁游标直线电机，其特征在于，所述电枢绕组采用集中绕组的方式，每个电枢齿的齿槽中只设置一套电枢绕组。

3.根据权利要求1所述的容错式初级永磁游标直线电机，其特征在于，所述初级上均匀分布偶数个电枢齿；所述次级的齿为梯形。