CN110011513B - 一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机，该电机初级采用模块化，每一初级模块由导磁材料、电枢绕组和置于两条导磁块间的上下分布的永磁体组成，次级仅由导磁材料组成。永磁体平行充磁，相邻初级模块对应的永磁体充磁方向相同，属于同一初级模块的上下对应的永磁体充磁方向相反。空载时永磁体磁路通过初级导磁块短路，磁力线几乎不通过气隙和次级，减小了定位力，加载时磁力线在初级导磁块和双边次级间形成串联磁路，产生电磁力。此外本发明具有次级结构简单、推力密度大等优点，并且永磁体置于短初级减小了电机成本，可应用于电梯驱动系统等长次级场合。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机，属于电机制造技术领域。
背景技术
随着工业的发展，直线电机在各类场合应用越来越广泛。在轨道交通、垂直升降等领域，传统旋转电机需要依靠机械传动装置，导致效率较低，与旋转电机相比，直线电机驱动系统直接产生电磁力，具有功率密度高、体积小、噪声低等优点。因此，采用直线电机代替旋转电机这一技术，可以克服旋转电机在上述应用场合中的上述缺点，提高整个系统的效率，在轨道交通、垂直升降等领域应用前景光明。
近年来，传统开关磁阻电机因其结构简单坚固、成本低、工作可靠和易维修等优点而得到广泛关注。双边开关磁阻直线电机长次级仅由导磁材料构成，初级仅由电枢绕组和导磁材料构成，可靠性高，成本低，适用于长行程工况。但传统开关磁阻直线电机仍存在推力密度低，推力波动大等问题，限制了其在电梯等垂直升降领域的应用。
本发明提出的模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机兼具次级结构简单、功率密度高等优点，改善了传统开关磁阻电机存在的不足。双边长次级仅由导磁材料构成，永磁体安装在短初级上，降低电机成本，因此该电机结构在电梯等垂直升降等长行程领域有着良好的应用前景。
发明内容
基于背景中所述技术上存在的不足，本发明的目的在于提供一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机，本发明的电机次级结构简单，初级导磁材料上放置永磁体和电枢绕组，该电机定位力小，结构简单可靠，功率因数和效率较高。本发明中的互补式结构可有效降低电机的推力波动，进而降低电机运行时的震动，提升其可靠性。
为实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：
本发明的一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机包括初级(11)和次级(10)，所述的初级(11)和次级(10)之间存在气隙。所述初级(11)由初级模块(110)构成，每个所述初级模块(110)包括两个导磁块(111)、电枢绕组(112)以及置于导磁块(111)间上下分布的永磁体(113)，次级(10)由次级模块(100)构成。相邻两个所述初级模块(110)之间存在连接桥(114)，所述连接桥(114)为导磁或非导磁材料。
每个初级模组(115)由n*m个所述初级模块(110)组成，其中n为一个初级模组(115)中包含的属于同一相的初级模块(110)数量，m为电机相数，k个初级模组(115)构成了完整的电机初级(11)。
属于同一初级模组(115)的相邻两相所述初级模块(110)中轴线之间的距离为λ1；当k≥2时，相邻两个所述初级模组(115)中轴线之间的距离为λ2；当n≥2时，同一初级模组(115)中相邻两个同相初级模块(110)中轴线之间的距离为λ3；相邻两个所述次级模块(100)中轴线之间的距离为τs；其中λ1、λ2、λ3和τs满足如下关系：
其中，i为非负整数，p为正整数。
若为消除h次推力谐波，λ1、λ2、λ3和τs满足如下关系：
其中，j为非负整数，可通过形成互补结构消除指定推力谐波，所述k个连续初级模组(115)分开控制，相邻初级模组(115)的供电相差1/(2h)个电周期。
进一步的，同一所述初级模块(110)内的电枢绕组(112)绕线方向相反，且属于同相。
进一步的，永磁体(113)水平充磁，相邻初级模块(110)对应的永磁体(113)的充磁方向相同，属于同一初级模块(110)的上下对应的永磁体(113)充磁方向相反，在空载时永磁体磁路通过导磁块(111)短路，可减小定位力。
更进一步的，当λ1、λ2、λ3和τs满足关系式(1)时，k个所述初级模组(115)串联构成一个整体或分开控制。
更进一步的，当λ1、λ2、λ3和τs满足关系式(2)时，电机形成互补结构，所述k个连续初级模组(115)分开控制，相邻初级模组(115)的供电相差1/(2h)个电周期。
作为一种优选，所述电枢绕组(112)为铜或超导材料。
作为上述电机的一种变换形式，所述一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机为发电机或电动机。
本发明电机主要存在如下优点：
本发明提出一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机，兼具了直线感应电机结构简单和传统永磁直线电机功率因数、效率高等优点，并且在具备开关磁阻电机启动转矩高效率高等优点的同时改善了传统开关磁阻电机功率密度低等缺点。本发明电机定位力小，并且通过互补式结构，本发明可消除指定次推力谐波，减小推力波动，进而有效减小电机推力波动与噪声，提升其可靠性，降低对系统要求。本发明因其高功率密度、输出转矩以及可靠性高等性能优点有良好的发展前景。
结合附图和实施例对本发明进一步说明：
附图说明
图1为本发明的一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图；
图2为本发明的一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机实施例2电机结构示意图；
图3为本发明的一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机实施例3电机结构示意图，电机为互补型结构，可消除指定次推力谐波；
图4为本发明的一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机实施例4电机结构示意图，每个初级模组(115)中包含两个属于同相的初级模块(110)；
图5为本发明的一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机实施例5电机结构示意图，本实施例中的电机为五相电机；
其中，10-次级，11-初级，100-次级模块，110-初级模块，111-导磁块，112-电枢绕组，113-永磁体，114-连接桥，115-初级模组。
具体实施方式
本发明提供一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机，为使发明目的、结构特点、技术手段易于理解，下面结合具体实施方式，进一步详细阐述本发明。应当明确，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机，包括初级11和次级10，所述初级11与次级10之间存在气隙；每个所述初级模块110包括两个导磁块111和电枢绕组112，以及设置于两个导磁块111间的上下放置的两块永磁体113；所述次级10包括次级模块100；
相邻两个所述初级模块110之间存在连接桥114，所述连接桥114为导磁或非导磁材料；
属于同一初级模组115的相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离为λ1；当k≥2时，相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离为λ2；当n≥2时，同一初级模组115中相邻两个同相初级模块110中轴线之间的距离为λ3；相邻两个次级模块100中轴线之间的距离为τs；
其中λ1、λ2、λ3和τs满足如下关系：
其中，i为非负整数，p为正整数。
若为消除h次推力谐波，λ1、λ2、λ3和τs满足如下关系：
其中，j为非负整数，可通过形成互补结构消除制定推力谐波，所述k个连续初级模组(115)分开控制，相邻初级模组(115)的供电相差1/(2h)个电周期。
进一步的，同一所述初级模块(110)内的电枢绕组(112)绕线方向相反，且属于同相。
进一步的，永磁体(113)水平充磁，相邻初级模块(110)对应的永磁体(113)的充磁方向相同，属于同一初级模块(110)的上下对应的永磁体(113)充磁方向相反，在空载时永磁体产生磁路通过导磁块短路。
更进一步的，当λ1、λ2、λ3和τs满足关系式(1)时，k个所述初级模组(115)串联构成一个整体或分开控制。
更进一步的，当λ1、λ2、λ3和τs满足关系式(2)时，电机形成互补结构，所述k个连续初级模组(115)分开控制，相邻初级模组(115)的供电相差1/(2h)个电周期。
作为一种优选，所述电枢绕组112为铜或超导材料。
作为上述电机的一种变换形式，所述一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机为发电机或电动机。
实施例1
本发明的一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机见图1，包括初级11和次级10，所述的初级11和次级10之间存在气隙。所述次级10由次级模块100构成，所述初级11由初级模块110构成，每个所述初级模块110包括两个导磁块111、电枢绕组112以及置于导磁块111间的上下分布的永磁体113。同一所述初级模块110内的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同相；永磁体113水平充磁，相邻初级模块110对应的永磁体113的充磁方向相同，属于同一初级模块110的上下对应的永磁体113充磁方向相反，在空载时永磁体产生磁路通过导磁块短路。相邻两个所述初级模块110之间存在连接桥114，所述连接桥114为导磁或非导磁材料。
属于同一初级模组115的相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离为λ1；当k≥2时，相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离为λ2；n为同一所述初级模组115中包含的同一相所述初级模块110的数量，当n≥2时，同一初级模组115中相邻两个同相初级模块110中轴线之间的距离为λ3；相邻两个所述次级模块100中轴线之间的距离为τs；其中λ1、λ2、λ3和τs满足关系式(1)，
本实施例中，m＝3，n＝1，k＝2，i＝2，式中正负号取负。因此，λ1＝5/3τs，λ2＝3λ1＝5τs，其中m为本发明的电机相数，本实例电机为三相电机，为ABC三相，电枢绕组自左向右依次为ABCABC循环；n为每个初级模组115中包含的属于同相的初级模块110的个数，本实例n＝1；k＝2，即两个初级模组115构成完整的初级11。
本实施例的结构特点如下：第一，对比直线感应电机，本发明的电机有较高的功率因数和效率；第二，对比传统永磁直线同步电机，本发明的电机在空载时，永磁体磁路通过导磁块短路，因此定位力小，永磁体的利用率也更高，成本较低；第三，对比传统开关磁阻电机，本发明电机输出转矩和功率密度较高。
实施例2
本发明的一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机的另一种级距比，见图2，包括初级11和次级10，所述的初级11和次级10之间存在气隙。所述次级10由次级模块100构成，所述初级11由初级模块110构成，每个所述初级模块110包括两个导磁块111、电枢绕组112以及置于导磁块111间的上下分布的永磁体113。同一所述初级模块110内的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同相；永磁体113水平充磁，相邻初级模块110对应的永磁体113的充磁方向相同，属于同一初级模块110的上下对应的永磁体113充磁方向相反，空载时永磁体磁路通过导磁块短路，减小定位力。
属于同一初级模组115的相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离为λ1；当k≥2时，相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离为λ2；n为同一所述初级模组115中包含的同一相所述初级模块110的数量，当n≥2时，同一初级模组115中相邻两个同相初级模块110中轴线之间的距离为λ3；相邻两个所述次级模块100中轴线之间的距离为τs；其中λ1、λ2、λ3和τs满足关系式(1)，
本实施例中，m＝3，n＝1，k＝2，i＝1，式中正负号取正号。因此λ1＝4/3τs，λ2＝3λ1＝4τs。其中m为本发明的电机相数，本实例电机为三相电机，为ABC三相，电枢绕组自左向右依次为ACBACB循环；n为每初级模组115中包含的属于同相的初级模块110的个数，本实例每个初级模组115中包含一个属于同相的初级模块110；k＝2即两个初级模组115构成完整的初级11。
本实例与实例一不同之处在于，实例1的初次级长度数量关系为λ2＝5τs，实例2初次级长度数量关系为λ2＝4τs。实例1的电机在低速时输出转矩更大，转矩脉动小，功率密度大，而在高速运行时，实例2的电机性能更好。
实施例3
本发明的一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机，见图3，是一种互补型结构电机，包括初级11和次级10，所述的初级11和次级10之间存在气隙。所述次级10由次级模块100构成，所述初级11由初级模块110构成，每个所述初级模块110包括两个导磁块111、电枢绕组112以及置于导磁块111间的上下分布的永磁体113。同一所述初级模块110内的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同相；永磁体113水平充磁，相邻初级模块110对应的永磁体113的充磁方向相同，属于同一初级模块110的上下对应的永磁体113充磁方向相反，空载时永磁体磁路通过导磁块短路，减小定位力。
属于同一初级模组115的相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离为λ1；当k≥2时，相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离为λ2；n为同一所述初级模组115中包含的同一相所述初级模块110的数量，当n≥2时，同一初级模组115中相邻两个同相初级模块110中轴线之间的距离为λ3；相邻两个所述次级模块100中轴线之间的距离为τs；其中λ1、λ2、λ3和τs满足关系式(2)，
在本实施例中，m＝3，n＝1，i＝1，j＝0，h＝1，k＝2，式中正负号取正号，因此λ1＝4/3τs，λ2＝4.5τs。其中m为本发明的电机相数，本实例电机为三相电机，为ABC三相，电枢绕组自左向右依次为ACBACB循环；n为每初级模组115中包含的属于同相的初级模块110的个数，本实例每个模组中包含1个属于同相的初级模块110；本发明实施例为互补型结构，相邻初级模组115与次级10的相对位置不同，错开1/(2h)个电周期，可通过相应结构消除指定次数推力谐波；k＝2即两个初级模组115构成完整的初级11。
本实施例有如下特点：电机通过采用互补式结构实现针对某次推力谐波的消除，可降低推力波动，提升系统稳定性。
实施例4
一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机，见图4，包括初级11和次级10，所述初级11和次级10之间存在气隙。所述次级10由次级模块100构成，所述初级11由初级模块110构成，每个所述初级模块110包括两个导磁块111、电枢绕组112以及置于导磁块111间的上下分布的永磁体113。同一所述初级模块110内的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同相；永磁体113水平充磁，相邻初级模块110对应的永磁体113的充磁方向相同，属于同一初级模块110的上下对应的永磁体113充磁方向相反，空载时永磁体磁路通过导磁块短路，减小定位力。
属于同一初级模组115的相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离为λ1；当k≥2时，相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离为λ2；n为同一所述初级模组115中包含的同一相所述初级模块110的数量，当n≥2时，同一初级模组115中相邻两个同相初级模块110中轴线之间的距离为λ3；相邻两个所述次级模块100中轴线之间的距离为τs；其中λ1、λ2、λ3和τs满足关系式(1)，
本实施例中，m＝3，n＝2，i＝4，p＝2，k＝1，式中正负号取正号，因此，λ1＝13/3τs，λ3＝2τs。其中m为本发明的电机相数，本实例电机为三相电机，为ABC三相，电枢绕组自左向右依次为AACCBB循环；n为每初级模组115中包含的属于同相的初级模块110的个数，本实例每个初级模组115中包含2个属于同相的初级模块110；k＝1即一个初级模组115构成完整的初级11。
本实施例的结构特点如下：每个初级模组115中包含两个同相初级模块110，即n＝2，本实施例中的同相初级模块连续设置，可使各相供电更为紧凑，降低供电设备设置的复杂程度，提高系统容错性。
实施例5
本发明的一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机，见图5，为五相电机。
包括初级11和次级10，所述初级11和次级10之间存在气隙。所述次级10由次级模块100构成，所述初级11由初级模块110构成，每个所述初级模块110包括两个导磁块111、电枢绕组112以及置于导磁块111间的上下分布的永磁体113。同一所述初级模块110内的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同相；永磁体113水平充磁，相邻永磁体113的充磁方向相同，上下对应的永磁体113充磁方向相反，空载时永磁体磁路通过导磁块短路，减小定位力。
属于同一初级模组115的相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离为λ1；当k≥2时，相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离为λ2；n为同一所述初级模组115中包含的同一相所述初级模块110的数量，当n≥2时，同一初级模组115中相邻两个同相初级模块110中轴线之间的距离为λ3；相邻两个所述次级模块100中轴线之间的距离为τs；其中λ1、λ2、λ3和τs满足关系式(1)，
本实施例中，m＝5，n＝1，i＝2，k＝1，式中正负号取负。因此，λ1＝9/5τs，λ2＝5λ1＝9τs。其中m为本发明的电机相数，本实例电机为五相电机，为ABCDE五相，电枢绕组自左向右依次为ABCDE循环；n为每初级模组中包含的属于同相的初级模块110的个数，本实例每个初级模组中包含一个属于同相的初级模块110；k＝1即一个初级模组115构成完整的初级11。和实施例1电机为三相电机不同的是本实施例为五相电机。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机，包括初级(11)和次级(10)，所述初级(11)与次级(10)之间具有气隙，其特征在于，
所述初级(11)由初级模块(110)组成，每个所述初级模块(110)包括两个导磁块(111)、电枢绕组(112)，以及置于导磁块(111)间的上下分布的永磁体(113)，所述次级(10)为齿槽结构，由次级模块(100)组成，
n*m个所述初级模块(110)构成了一个初级模组(115)，其中n为一个初级模组(115)中包含的属于同一相的初级模块(110)数量，m为电机相数，k个初级模组(115)构成了完整的电机初级(11)；
属于同一初级模组(115)的相邻两相所述初级模块(110)中轴线之间的距离为λ1；当k≥2时，相邻两个所述初级模组(115)中轴线之间的距离为λ2；当n≥2时，同一初级模组(115)中相邻两个同相初级模块(110)中轴线之间的距离为λ3；相邻两个所述次级模块(100)中轴线之间的距离为τs；其中λ1、λ2、λ3和τs满足如下关系：
或
其中，i、j为非负整数，p、h为正整数，对于关系式(2)，h为通过结构消除的推力谐波次数；
同一所述初级模块(110)内的电枢绕组(112)绕线方向相反，且属于同相；
永磁体(113)水平充磁，相邻初级模块(110)对应的永磁体(113)的充磁方向相同，属于同一初级模块(110)的上下对应的永磁体(113)充磁方向相反，空载时永磁体产生的磁路通过导磁块(111)短路，可减小定位力；
当λ1、λ2、λ3和τs满足关系式(1)时，k个所述初级模组(115)串联构成一个整体或分开控制；当λ1、λ2、λ3和τs满足关系式(2)时电机中的相邻初级模组(115)形成互补结构，k个连续初级模组(115)分开控制，相邻初级模组(115)的供电相差1/(2h)个电周期。
2.根据权利要求1所述的一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机，其特征在于，相邻两个所述初级模块(110)之间存在连接桥(114)，所述连接桥(114)为导磁或非导磁材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机，其特征在于，所述电枢绕组(112)为铜或超导材料。
4.根据权利要求1或2所述的一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机，其特征在于，所述一种模块化初级永磁式双边开关磁阻直线电机为发电机或电动机。
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