环形绕组多相交流直线电机系统的制作方法
【专利摘要】环形绕组多相交流直线电机系统，属于电机领域，本发明为解决三相直线永磁同步电机采用传统的整数槽单层绕组，存在结构复杂、成本高、绕组的磁动势与电动势谐波成分大，电机的推力波动大、效率低、动子的横向支撑跨度大，动子支撑难度大的问题。本发明包括m相交流直线电机和m/3个三相功率变换器；m＝3k；所述m相交流直线电机包括初级和次级；初级包括初级铁心和m/3套初级环形绕组，初级环形绕组为三相环形绕组；每相邻两个初级环形绕组对应相之间的电角度相位差为δ，且δ＝±180°/m；每套初级环形绕组的三个引出线与一个三相功率变换器的交流输出端对应相连；m/3个三相功率变换器共用直流母线。
【专利说明】环形绕组多相交流直线电机系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及环形绕组多相交流直线电机系统，属于电机领域。
【背景技术】
[0002]多相直线电机采用多于三相的初级绕组结构，对于由逆变器供电的交流直线电机来说，初级绕组的相数可以被当作一个新的自由参数。和普通三相电机比较，其主要优点有:降低了相绕组工作电流，从而降低了开关器件的容量，是采用低压标准功率器件实现高压大功率等级的一种有效手段；改善了磁动势波形，消除了电机内的5次、7次等低次谐波磁场以及由谐波磁场引起的推力波动，降低了电机的振动和噪声，提高了系统的稳定性以及系统的动、静态特性；同时，初级、次级的铁耗和铜耗大大降低，提高了电机的效率；冗余结构提高了系统运行的可靠性，不会出现由于缺相造成无法起动和运行的现象；可以降低直流电网侧的谐波成分等。
[0003]多相电机驱动系统比较适合于低电压供电、大功率和高可靠性的应用场合。目前，多相直线电机推进系统的应用多侧重于国防军事、高可靠性以及大功率的场合。诸如航空母舰舰载机的电磁弹射系统、预警机与无人机电磁弹射系统、导弹辅助发射系统、直线电梯推进系统、磁悬浮列车推进系统、科学实验高速直线推进系统、宇宙飞船辅助发射系统等。
[0004]如图9所示，传统的整数槽单层绕组平板形三相直线永磁同步电机的电枢铁心齿距τ t与永磁体的极距τ ρ之间满足关系3 τ t = τ ρ,初级铁心每个槽中嵌放一个线圈边，线圈节距与极距相等。A相绕组的线圈边在第一个槽和第四个槽内嵌放，同时跨过了第二个槽和第三个槽，C相绕组的线圈边是在第二个槽和第五个槽内嵌放，同时跨过了第三个槽和第四个槽，以此类推。这种类型绕组存在的主要问题在于:各相绕组线圈露在铁心齿外的端部比较长，并且各相绕组线圈端部相互交叉，这样不但浪费电磁线、增加铜耗，还使各相绕组间的绝缘工艺变得复杂，增加了制造成本。同时，由于绕组为单层整距绕组，绕组的磁动势与电动势谐波成分大，电机的推力波动大、效率低，而且由于绕组的端部长，动子的横向支撑跨度大，增大了动子支撑难度。
【发明内容】
[0005]本发明目的是为了解决三相直线永磁同步电机采用传统的整数槽单层绕组，存在结构复杂、成本高、绕组的磁动势与电动势谐波成分大，电机的推力波动大、效率低、动子的横向支撑跨度大，动子支撑难度大的问题，提供了一种环形绕组多相交流直线电机系统。
[0006]本发明所述环形绕组多相交流直线电机系统有两个技术方案。
[0007]第一技术方案，本发明所述环形绕组多相交流直线电机系统包括m相交流直线电机和m/3个三相功率变换器；m = 3k，k为大于I的正整数；
[0008]所述m相交流直线电机包括初级和次级；
[0009]初级包括初级铁心和m/3套初级环形绕组，所述初级环形绕组为三相环形绕组；每相邻两个初级环形绕组对应相之间的电角度相位差为S，且满足条件S = ±180° /m;每套初级环形绕组的三个引出线与一个三相功率变换器的三个交流输出端一一对应相连；
[0010]m/3个三相功率变换器共用直流母线，每相邻两个三相功率变换器输出的对应相电流的电角度相位差为S。
[0011]第二个技术方案:本发明所述环形绕组多相交流直线电机系统包括m相交流直线电机和m相功率变换器；m为大于或等于5的正整数；
[0012]所述m相交流直线电机包括初级和次级；
[0013]初级包括初级铁心和初级环形绕组，所述初级环形绕组为m相环形绕组；每相邻两相初级环形绕组之间的电角度相位差为S，且满足条件S = ±360° /m;初级环形绕组的每相绕组引出线与m相功率变换器的一个交流输出端相连；
[0014]m相功率变换器输出m相电流，每相邻两相电流之间的电角度相位差为δ。
[0015]本发明的优点:本发明可以减小直线电机绕组的磁动势与电动势谐波，提高电机推力与效率，减小推力波动，降低电机振动与噪声，同时电机的结构简单、制造成本低、容错能力强、可靠性高，适合用于高速、高加速度、大推力等场合。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是实施方式一所述环形绕组多相交流直线电机系统的结构示意图；此图给出m = 6的具体实施例；
[0017]图2是实施方式三所述环形绕组多相交流直线电机的结构示意图；
[0018]图3是图2的侧视图；
[0019]图4是实施方式五所述环形绕组多相交流直线电机的结构示意图；
[0020]图5是图4的侧视图；
[0021]图6是实施方式二所述环形绕组多相交流直线电机系统的结构示意图；此图给出m = 5的具体实施例；
[0022]图7是实施方式三所述环形绕组多相交流直线电机的结构示意图；
[0023]图8是实施方式五所述环形绕组多相交流直线电机的结构示意图；
[0024]图9是【背景技术】中传统的整数槽单层绕组的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]【具体实施方式】一:下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述环形绕组多相交流直线电机系统，它包括m相交流直线电机和m/3个三相功率变换器;m = 3k，k为大于I的正整数；
[0026]所述m相交流直线电机包括初级I和次级2 ；
[0027]初级I包括初级铁心1-1和m/3套初级环形绕组1_2，所述初级环形绕组1_2为三相环形绕组；每相邻两个初级环形绕组1-2对应相之间的电角度相位差为δ，且满足条件δ =±180° /m;每套初级环形绕组1-2的三个引出线与一个三相功率变换器的三个交流输出端 对应相连；
[0028]m/3个三相功率变换器共用直流母线，每相邻两个三相功率变换器输出的对应相电流的电角度相位差为S。[0029]以图1给出的m = 6为例进行说明，该六相交流直线电机中有两套初级环形绕组1-2，每套初级环形绕组1-2对应相的相位差为电角度30°，即Al相与A2相之间相位差为电角度30°，BI相与B2相之间相位差为电角度30°，Cl相与C2相之间相位差为电角度30。。
[0030]该六相交流直线电机有两个三相功率变换器，两个三相功率变换器共用直流母线，三相功率变换器输出的每相电流的电角度相位差为30°，即Al与BI相差30°，BI与Cl相差30°。
[0031]【具体实施方式】二:下面结合图6说明本实施方式，本实施方式所述环形绕组多相交流直线电机系统，它包括m相交流直线电机和m相功率变换器;m为大于或等于5的正整数；
[0032]所述m相交流直线电机包括初级I和次级2 ；
[0033]初级I包括初级铁心1-1和初级环形绕组1-2，所述初级环形绕组1-2为m相环形绕组；每相邻两相初级环形绕组1-2之间的电角度相位差为δ，且满足条件δ = ±360° /m ;初级环形绕组1-2的每相绕组引出线与m相功率变换器的一个交流输出端相连；
[0034]m相功率变换器输出m相电流，每相邻两相电流之间的电角度相位差为δ。
[0035]以图6给出的m = 5为例进行说明，五相交流直线电机的五相绕组引出线与五相功率变换器的五个交流输出端分别 对应连接。
[0036]【具体实施方式】三:下面结合图2、图3和图7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，次级2为双边结构，初级I与次级2之间存在气隙；
[0037]初级铁心1-1的横截面为矩形，在初级铁心1-1的左右两个气隙侧，沿垂直于运动方向左右对称开槽，各槽沿运动方向均布；初级环形绕组1-2为环形绕组，构成初级环形绕组1-2的线圈为矩形，初级铁心1-1的左右位置对应的两个槽中共同嵌放一个线圈。
[0038]每个线圈的两个有效边嵌放在初级铁心1-1的左右两个对应、对称槽中，每个槽中只嵌放一个线圈边，按照一定规律将初级铁心1-1槽中全部线圈联结起来形成多相绕组。
[0039]【具体实施方式】四:本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，次级2为双边结构，初级I与次级2之间存在气隙；
[0040]初级铁心1-1的横截面为矩形，在初级铁心1-1的左右两个气隙侧安装多个线圈骨架，线圈骨架上的两个气隙侧的开口嵌线槽沿运动方向均匀排列；线圈骨架采用非金属材料构成；构成初级环形绕组1-2的线圈为矩形，初级铁心1-1的左右位置对应的两个槽中共同嵌放一个线圈。
[0041]每个线圈的两个有效边嵌放在线圈骨架的左右两个对应、对称开口嵌线槽中，每个开口嵌线槽中只嵌放一个线圈边，按照一定规律将线圈骨架的开口嵌线槽槽中全部线圈联结起来形成多相绕组。
[0042]【具体实施方式】五:下面结合图4、图5和图8说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二、三或四作进一步说明，所述m相交流直线电机还包括两个辅助初级铁心3，辅助初级铁心3、初级I和辅助初级铁心3从左至右依次排列，次级2与初级I和两个辅助初级铁心3之间均存在气隙；辅助初级铁心3的横截面为矩形。
[0043]次级2的两个对称边分别设置在初级I和一个辅助初级铁心3之间。[0044]【具体实施方式】六:本实施方式对实施方式一、二、三、四或五作进一步说明，次级2为三边结构，初级I与次级2之间存在气隙；
[0045]初级铁心1-1的横截面为矩形，在初级铁心1-1的三个气隙侧均开槽，初级铁心1-1三个面上相同位置的槽连通构成门形槽，各个门形槽沿运动方向均布；构成初级环形绕组1-2的线圈为矩形，初级铁心l-ι的每个门形槽内嵌放一个线圈。
[0046]矩形线圈的左右两侧边与上侧边均为有效边，有效边嵌放于初级铁心1-1的门形槽中。
[0047]【具体实施方式】七:本实施方式对实施方式一、二、五或六作进一步说明，初级铁心1-1为圆筒形或方筒形，在初级铁心1-1的内表面或外表面沿周向开槽，各槽沿运动方向均匀排列；初级环形绕组1-2的线圈为圆环形或方形，每个槽中嵌放一个线圈；次级2位于初级I的内部或外部，二者同轴，初级I与次级2之间为气隙。
[0048]初级铁心1-1为圆筒形，则在初级铁心1-1的内表面或外表面沿圆周方向开槽。
[0049]初级铁心1-1为方筒形，则在初级铁心1-1的内表面或外表面沿垂直于运动方向开槽，在本实施方式中，也称为周向开槽。
[0050]【具体实施方式】八:本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，次级2为单边结构，次级2与初级铁心1-1的上表面之间为气隙；
[0051]初级铁心1-1的横截面为方形，在初级铁心1-1的上表面沿横向开槽，各槽沿运动方向均布；初级环形绕组1-2的每个线圈的一个有效边嵌放于一个槽中。
[0052]【具体实施方式】九:本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，所述m相交流直线电机为长初级、短次级结构，初级I沿运动方向分为多段初级单元，每段初级单元的绕组引出线与一个多相交流直线电机功率变换器单元的交流输出端相连。
[0053]每段初级单元作为一个完整的多相交流直线电机初级。
[0054]【具体实施方式】十:本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，m相交流直线电机为直线感应电机、直线永磁同步电机或直线磁阻电机。
【权利要求】
1.环形绕组多相交流直线电机系统，其特征在于，它包括m相交流直线电机和m/3个三相功率变换器= 3k，k为大于1的正整数； 所述m相交流直线电机包括初级(1)和次级(2); 初级(1)包括初级铁心(1-1)和m/3套初级环形绕组(1-2)，所述初级环形绕组(1-2)为三相环形绕组；每相邻两个初级环形绕组(1-2)对应相之间的电角度相位差为δ，且满足条件δ = ±180° /m;每套初级环形绕组(1-2)的三个引出线与一个三相功率变换器的三个交流输出端一一对应相连； m/3个三相功率变换器共用直流母线，每相邻两个三相功率变换器输出的对应相电流的电角度相位差为δ。
2.环形绕组多相交流直线电机系统，其特征在于，它包括m相交流直线电机和m相功率变换器为大于或等于5的正整数； 所述m相交流直线电机包括初级(1)和次级(2); 初级(1)包括初级铁心(1-1)和初级环形绕组(1-2)，所述初级环形绕组(1-2)为m相环形绕组；每相邻两相初级环形绕组(1-2)之间的电角度相位差为δ，且满足条件δ =±360° /m;初级环形绕组(1-2)的每相绕组引出线与m相功率变换器的一个交流输出端相连； m相功率变换器输出m相电流，每相邻两相电流之间的电角度相位差为δ。
3.根据权利要求1或2所述环形绕组多相交流直线电机系统，其特征在于，次级(2)为双边结构，初级(1)与次级(2)之间存在气隙； 初级铁心(1-1)的横截面为矩形，在初级铁心(1-1)的左右两个气隙侧，沿垂直于运动方向左右对称开槽，各槽沿运动方向均布；初级环形绕组(1-2)为环形绕组，构成初级环形绕组(1-2)的线圈为矩形，初级铁心(1-1)的左右位置对应的两个槽中共同嵌放一个线圈。
4.根据权利要求1或2所述环形绕组多相交流直线电机系统，其特征在于，次级(2)为双边结构，初级(1)与次级(2)之间存在气隙； 初级铁心(1-1)的横截面为矩形，在初级铁心(1-1)的左右两个气隙侧安装多个线圈骨架，线圈骨架上的两个气隙侧的开口嵌线槽沿运动方向均匀排列；线圈骨架采用非金属材料构成；构成初级环形绕组(1-2)的线圈为矩形，初级铁心(1-1)的左右位置对应的两个槽中共同嵌放一个线圈。
5.根据权利要求1或2所述环形绕组多相交流直线电机系统，其特征在于，所述m相交流直线电机还包括两个辅助初级铁心(3)，辅助初级铁心(3)、初级(1)和辅助初级铁心(3)从左至右依次排列，次级(2)与初级(1)和两个辅助初级铁心(3)之间均存在气隙；辅助初级铁心(3)的横截面为矩形。
6.根据权利要求1或2所述环形绕组多相交流直线电机系统，其特征在于，次级(2)为三边结构，初级(1)与次级(2)之间存在气隙； 初级铁心(1-1)的横截面为矩形，在初级铁心(1-1)的三个气隙侧均开槽，初级铁心(1-1)三个面上相同位置的槽连通构成门形槽，各个门形槽沿运动方向均布；构成初级环形绕组(1-2)的线圈为矩形，初级铁心(1-1)的每个门形槽内嵌放一个线圈。
7.根据权利要求1或2所述环形绕组多相交流直线电机系统，其特征在于，初级铁心(1-1)为圆筒形或方筒形，在初级铁心(1-1)的内表面或外表面沿周向开槽，各槽沿运动方向均匀排列；初级环形绕组(1-2)的线圈为圆环形或方形，每个槽中嵌放一个线圈；次级(2)位于初级(I)的内部或外部，二者同轴，初级(I)与次级(2)之间为气隙。
8.根据权利要求1或2所述环形绕组多相交流直线电机系统，其特征在于，次级(2)为单边结构，次级(2)与初级铁心(1-1)的上表面之间为气隙； 初级铁心(1-1)的横截面为方形，在初级铁心(1-1)的上表面沿横向开槽，各槽沿运动方向均布；初级环形绕组(1-2)的每个线圈的一个有效边嵌放于一个槽中。
9.根据权利要求1或2所述环形绕组多相交流直线电机系统，其特征在于，所述m相交流直线电机为长初级、短次级结构，初级(I)沿运动方向分为多段初级单元，每段初级单元的绕组引出线与一个多相交流直线电机功率变换器单元的交流输出端相连。
10.根据权利要求1或2所述环形绕组多相交流直线电机系统，其特征在于，m相交流直线电机为直线感应电机、直线永磁同步电机或直线磁阻电机。
【文档编号】H02K41/02GK103929040SQ201410169431
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】寇宝泉, 谢逸轩, 尹相睿, 陈宇声 申请人:哈尔滨工业大学