一种初级永磁游标直线电机及其分割方法与流程

本发明涉及一种电动机制造技术，特别是涉及到一种提高永磁型游标直线电机推力密度的技术。

背景技术：

定子永磁型电机将永磁体和电枢绕组均置于定子上，转子既无绕组也无永磁体，结构简单。然而定子永磁型游标电机存在的最大不足在于永磁体和电枢绕组在有限的定子部分存在空间冲突。为了解决这个问题，分割定子型电机被逐步研究。

文献IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETS，5(1)，Art.ID.8100114，2015(Novel Partitioned Stator Switched Flux Permanent Magnet Machines)成功将传统的定子永磁型电机，即磁通切换电机转变为分割定子型磁通切换电机并详细说明了分割定子以提升转矩这种方法。虽然定子分割技术已较为成熟地运用到旋转电机，但在直线电机中的相关研究很少，尤其在直线游标电机中的应用是没有的。直线游标电机由于巧妙地运用了磁齿轮效应而具有低速大推力的特点，因此直线游标电机可以应用在很多场合，如轨道交通、海浪发电和皮带传送等。由于在初级直线永磁游标电机中，永磁体和绕组均被安放在有限的初级空间，不可避免的影响电负荷的增加，因此会影响推力密度的提升，所以采用分割初级的方式解决这一问题是非常有效且有意义的。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决原有初级永磁型游标电机中永磁体和绕组的空间冲突而影响推力提高的问题，提出了一种简单有效、工程上易于执行的方法。在保证推力有效提高的同时，电机的损耗性能将基本不变。本发明的电机结构是用在直线电机的拓扑上，然而由于初级分割的方法由分割定子的旋转电机的方法演变而来，因此这种方法对旋转电机，直线电机均适用。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种初级永磁游标直线电机，包括初级A、次级和初级B。初级A位于次级上部，初级A和次级之间具有气隙A，初级B位于次级下部，初级B和次级之间具有气隙B，初级A开槽形成齿槽结构，齿槽内绕置绕组，初级A在靠近气隙A的一侧有初级齿；初级B在靠近气隙B的一侧的上表面嵌入多个聚磁模块，每个聚磁模块由永磁体构成，该永磁体由一块径向充磁永磁体B和两块充磁方向对称的永磁体A、永磁体C构成，径向充磁永磁体B两侧紧密贴合充磁方向对称的永磁体A、永磁体C，每个径向充磁永磁体B的极性一致。

进一步，初级A、次级与初级B由导磁性能良好的硅钢片材料DW315叠压而成，聚磁模块中的永磁体均采用剩磁及矫顽力较大的稀土永磁体NdFeB，从而保证电机有较高的推力密度。绕组采用阻值较小的铜线，避免产生较高的铜耗，从而可防止电机过热导致的电机性能下降。

本发明的方法的技术方案为：

一种初级永磁游标直线电机的分割方法，包括以下步骤：

步骤1，初级永磁游标直线电机的永磁体和绕组均位于有限的初级空间，将电机的初级划分为两个部分，位于上部的初级A，以及位于下部的初级B；

步骤2，在初级B上开槽，并将聚磁模块均匀地分布在初级B的上表面的槽内，每个聚磁模块由永磁体构成，该永磁体由一块径向充磁永磁体B和两块充磁方向对称的永磁体A、永磁体C构成，径向充磁永磁体B两侧紧密贴合充磁方向对称的永磁体A、永磁体C，每个径向充磁永磁体B的极性一致；

步骤3，将电机的次级齿和次级轭部分离，保留次级齿，去除次级轭部，从而形成开断的次级铁芯，将开端的次级铁芯用非导磁材料固定为一个整体构成次级，置于分割好的初级A和初级B之间，次级与初级A之间有气隙A，次级与初级B之间有气隙B，两层气隙长度保持相同；

步骤4，综合优化次级齿的高度，上部齿宽和下部齿宽，以求得到最大推力；

步骤5，调整次级极距，由于是对游标电机的分割，依然要满足基于磁齿轮效应的游标效应，即有效初级长度下的次级齿数满足以下公式：

p_w＝|p_PM-n_m|

n_m为有效初级长度下对应的次级铁芯数；P_w为绕组极对数，其值取为1或2，即当绕组为集中绕组时取1，绕组为分布绕组时取2；

步骤6，将电机的径向充磁永磁体B的充磁方向从径向向下改为径向向上，形成电机的径向充磁永磁体；

步骤7，将两块充磁方向对称的永磁体A、永磁体C的充磁方向进行优化，以求得到最大推力，提升推力密度；

步骤8，由于永磁体被分离开，初级A的槽形及大小可以有更多的调整空间，根据具体的槽的大小调整线径和绕组匝数，在满足铜耗基本不变的情况下可以有效提升推力密度，从而达到长行程轨道交通所需的高推力密度要求。

进一步，径向充磁永磁体B长度与聚磁模块长度之比为0.5～0.8，单个充磁方向对称的永磁体A、永磁体C长度相同，且与聚磁模块长度之比均为0.1～0.3。

进一步，单个聚磁模块长度与相邻聚磁模块之间的距离之比为0.4～0.8。

进一步，每个永磁体沿径向的高度均相等。

进一步，次级由多个独立的次级齿构成，次级齿呈倒梯形，次级齿面对气隙A侧齿宽较长且与次级齿齿距之比为0.6～0.9，次级齿面对气隙B侧齿宽较短且与次级齿齿距之比为0.1～0.6。

本发明实施的对象为分割初级游标直线电机。该方案具有以下优点：

通过巧妙地将原电机的单一初级分割，使得存在空间冲突的绕组和永磁体被有效分离，分别安置在分割开的两个初级上。原内嵌永磁体的初级齿部可有更多的空间进行尺寸调整。槽型有更多的选择方式，槽面积也能有更多的选择空间，因此电负荷也可以有效增加，从而能够进一步提升推力，提高电机的推力密度。

本发明优点在于通过将初级分割，有效避免了永磁体与绕组的空间冲突，从而便于调整电负荷以进一步提高推力密度，此外，由于长次级既无绕组也无永磁体，大大降低成本，因此本发明可应用于长行程轨道交通领域。

附图说明

附图1为本发明新型分割初级永磁游标直线电机整体示意图。

附图2为本发明新型分割初级永磁游标直线电机次级结构示意图。

附图3为本发明新型分割初级永磁游标直线电机的聚磁模块结构示意图。

附图4为本发明新型分割初级永磁游标直线电机的聚磁模块在初级B上的排布方式示意图。

附图5为三相聚磁式初级永磁型游标直线电机和本发明新型分割初级永磁游标直线电机推力对比示意图。

附图6为三相聚磁式初级永磁型游标直线电机和本发明新型分割初级永磁游标直线电机定位力对比示意图。

具体实施方式

参考图1，本发明为一种提高初级永磁电机推力密度的方法，包含初级A1，次级2，初级B3，气隙A4，气隙B5共五个部分，初级A1和次级2之间具有气隙A4，初级B3与次级2之间具有气隙B5。所述初级A1的槽14用来放置绕组。初级A1和初级B3是以相同方向，相同速度做直线运动的，次级2是固定的。次级2的具体结构及比例关系见图2。

所述初级A1开槽形成齿槽结构，槽14用来放置绕组，绕组类型可采用集中或分布绕组。槽14可以采用各种槽型，根据具体需要选取。初级A1的轭部提供磁力线的主要流通路径，其厚度可由具体电机而定。

所述次级2采用的次级齿21的形状为倒梯形，次级齿21靠近上层气隙侧齿宽S₁与次级齿距T_p之比K₁(S₁/T_p)为0.6～0.9，次级齿21靠近下层气隙侧齿宽S₂与次级齿距T_p之比K₂(S₂/T_p)为0.1～0.6，具体的上下侧齿宽由电机本身决定。次级铁芯由硅钢片叠压或者导磁材料加工而成。此外，次级铁芯部分是开断且固定不动的。

所述初级B3开槽并嵌入聚磁模块300，聚磁模块300由永磁体A31、永磁体B32、永磁体C33构成。各聚磁模块300的宽度一致，并均匀内嵌分布在初级B3在接触气隙B5侧的一侧的上表面。聚磁模块宽度S₃与各聚磁模块之间的距离T_m之比K₃(S₃/T_m)为0.4～0.8，具体的聚磁模块大小可由电机本身确定。各个聚磁模块长度、宽度和厚度均应保持一致。所有聚磁模块的三块永磁体充磁方向均对应保持一致。

图2是次级2的两个齿的示意图。次级齿21呈梯形形状，次级齿21的齿高和上下齿宽S₁，S₂可根据需要进行优化。次级齿21靠近上层气隙侧齿宽S₁与次级齿距T_p之比K₁取0.8，次级齿21靠近下层气隙侧齿宽S₂与次级齿距T_P之比K₂取0.3，齿高取7mm。次级2由多个独立的次级铁芯构成，在实际运用中可将每个次级铁芯垂直固定于导轨，且每个次级铁芯之间距离保持次级齿距不变，从而构成整体导轨使电机做直线运动。

聚磁模块300见图3。模块300由一块径向充磁永磁体B32和两块充磁方向对称的永磁体A31、永磁体C33构成。径向充磁永磁体B32的体积大于紧贴其两侧的充磁方向对称的永磁体A31、永磁体C33的体积，永磁体的具体充磁方向见图上的箭头。径向充磁永磁体B32的体积大于对称充磁的永磁体A31、永磁体C33的体积，两个对称充磁的永磁体的体积是相同的。每个径向充磁永磁体B32的极性保持一致。对称充磁的永磁体A31、永磁体C33主要起到聚磁作用。每个永磁体A31、径向充磁永磁体B32、永磁体C33沿运动方向的高度都相等。径向充磁永磁体B32长度与聚磁模块300长度之比为0.5～0.8，单个对称充磁的永磁体A31、永磁体C33长度与聚磁模块300长度之比为0.1～0.3。

磁通主要由径向充磁永磁体B32提供，磁力线从聚磁模块300出发，依次通过气隙B5，次级齿21，气隙A4，初级A1，气隙A4并最终从另外的转子齿21经气隙B5回到聚磁模块300中形成闭合的回路。

图4为新型分割初级永磁游标直线电机的聚磁模块分布在初级B3的结构示意图。初级B3是固定的。具体的聚磁模块个数(P_PM)可根据实际游标电机的调制比以及调制效应进行调整，即聚磁模块个数(P_PM)需要满足以下公式：

p_w＝|p_PM-n_m|

n_m为有效初级长度下对应的次级铁芯数。P_w为绕组极对数，本发明可将其取为1或2，即当绕组为集中绕组时取1，绕组为分布绕组时取2。

本发明的方法为：一种初级永磁游标直线电机的分割方法，包括以下步骤：

步骤1，初级永磁游标电机的永磁体和绕组均位于有限的初级空间，因而存在明显的空间冲突，影响电负荷，磁负荷的调整，从而影响推力密度的提高。将电机的初级划分为两个部分，位于上部的初级A1，以及位于下部的初级B3；

步骤2，在初级B3上开槽，并将聚磁模块300均匀地分布在初级B3的上表面的槽内，每个聚磁模块300由永磁体构成，该永磁体由一块径向充磁永磁体B32和两块充磁方向对称的永磁体A31、永磁体C33构成，径向充磁永磁体B32两侧紧密贴合充磁方向对称的永磁体A31、永磁体C33，每个径向充磁永磁体B32的极性一致；

步骤3，将初级永磁游标电机的次级齿部和次级轭部分离，保留次级齿部，去除次级轭部，从而形成开断的次级铁芯，将开端的次级铁芯用非导磁材料固定为一个整体构成次级2，置于分割好的初级A1和初级B3之间，次级2与初级A1之间有气隙A4，次级2与初级B3之间有气隙B5，两层气隙长度保持相同。

步骤4，综合优化次级齿的高度，上部齿宽和下部齿宽，以求得到最大推力。

步骤5，调整次级极距，由于是对游标电机的分割，依然要满足基于磁齿轮效应的游标效应，即有效初级长度下的次级齿数满足以下公式：

p_w＝|p_PM-n_m|

n_m为有效初级长度下对应的次级铁芯数。P_w为绕组极对数，本发明可将其取为1或2，即当绕组为集中绕组时取1，绕组为分布绕组时取2。

步骤6，将初级永磁游标电机的径向充磁永磁体的充磁方向从径向向下改为径向向上，形成本发明电机的径向充磁永磁体B32。

步骤7，将两块充磁方向对称的永磁体A31、永磁体C33的充磁方向进行优化，以求得到最大推力，提升推力密度。

步骤8，由于永磁体被分离开，初级A1的槽形及大小可以有更多的调整空间，根据具体的槽的大小调整线径和绕组匝数，在满足铜耗基本不变的情况下可以有效提升推力密度，从而达到长行程轨道交通所需的高推力密度要求。

本发明电机可根据需要设计成单相或是多相电机，每相绕组可以采用集中或是分布式绕组，需要指出的就是：如果不改变其他的条件，只改变绕组的连接方式，分布式绕组产生的反电动势要远远大于集中绕组。此外，对分布绕组而言，极对数越多，绕组中感应的反电动势越小。而集中绕组对这种情况不明显。

图5为三相聚磁模块初级永磁型游标直线电机与新型分割初级永磁游标直线电机的推力对比图，图中A1为三相聚磁模块初级永磁型游标直线电机推力波形图，B1为新型分割初级永磁游标直线电机的推力波形图，可以看到改进后推力得到有效提高，由于改进前后电机体积保持不变，则改进后电机推力密度也得到了提高，此外推力的平稳性能得到较好的改善。

图6为三相聚磁模块初级永磁型游标直线电机与新型分割初级永磁游标直线电机定位力的比较图，图中A三相聚磁模块初级永磁型游标直线电机定位力的波形，B为新型分割初级永磁游标直线电机定位力波形，可以看到在保持其余参数不变的情况下，新型分割初级永磁游标直线电机的定位力小于三相聚磁模块初级永磁型游标直线电机，这也是分割初级永磁游标直线电机的推力更加平稳的一项重要原因。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。