一种基于功率分段的长行程直线电机的制作方法

本发明涉及直线电机技术领域，尤其涉及一种基于功率分段的长行程直线电机。

背景技术：

长程直线电机用于航天飞机、空天飞机、单级入轨重复使用运载器等空间运载器的发射，具有发射成本低、发射过程可控性和安全性高、通用性强的特点。为节省运载器推进部分的质量，降低成本，需尽量提高发射出口速度。考虑到运载器上设备的抗过载能力和瞬时大功率变频器的功率限制，平均加速度不能过高，这就导致发射系统的加速距离很长，通常达到数千米以上。因此，运载器发射系统需要使用超长行程直线电机提供驱动动力。

长程直线电机由若干个分段首尾衔接构成，目前直线电机的设计中，每个分段电机的功率大小相等。当直线电机以固定加速度发射运载器时，整个发射过程中直线电机的推力F保持不变。发射起始阶段，电机速度较低，由电机的输出功率P＝Fv(v为电机的速度)可知，此时直线电机的输出功率较低；随着载荷速度的不断提高，直线电机的输出功率也随之增大。按照目前直线的设计方式，每个分段电机的功率均相等，则需按照发射全程最大输出功率进行设计，这将使得发射全程多数分段电机均在远低于额定功率的工况下工作，造成有效功率的大量富余，额外增加了体积重量和建造成本。因此，迫切需要一种能够充分使用有效功率的新型长程直线电机。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于功率分段的长行程直线电机，用以解决现有直线电机不能有效利用电机功率的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于功率分段的长行程直线电机，该长行程直线电机包括：初级定子、次级动子、机座、固定架；

次级动子设置在成对使用的初级定子之间；

初级定子与机座通过螺栓固定，次级动子与固定架刚性固定连接；

机座上设有两条滑轨，固定架通过滑轮沿滑轨移动。

初级定子共有n对，n≥4，并依次由前至后排列成直线；

初级定子均由同尺寸的硅钢片叠压而成，且排在前面的初级定子的厚度小于排在后面的初级定子的厚度。

当i≤n时，第i对初级定子包括：初级定子A_i、初级定子B_i；

初级定子A_i和初级定子B_i的形状和位置关于次级动子对称，尺寸相同且均大于次级动子。

初级定子A_i包括：初级铁芯A_i、初级绕组A_i；

初级定子B_i包括：初级铁芯B_i、初级绕组B_i；

初级铁芯A_i和初级铁芯B_i靠近次级动子的一侧均设有槽，槽的两边设有齿，且初级铁芯A_i和初级铁芯B_i除槽和齿以外的剩余部分均为轭。

初级铁芯A_i和初级铁芯B_i均设有至少1个极，每个极均设有3个相带，每个相带均包括至少1个槽；

初级绕组A_i由线圈连接而成，每个线圈有两个线圈边，初级绕组A_i的线圈边均嵌入初级铁芯A_i的槽中；

初级绕组B_i由线圈连接而成，每个线圈有两个线圈边，初级绕组B_i的线圈边均嵌入初级铁芯B_i的槽中。

同一个极内对应的相带的范围内的初级绕组A_i和初级绕组B_i的线圈串联，且同一个极内的3个相带形成3个相；

同一个极内的3个相对应的初级绕组A_i和初级绕组B_i分别与三相电源的3个相连接。

长行程直线电机的第i对初级定子对应的部分的输出功率P满足：

P＝P_i＝F·v_i

其中，F为次级动子运动全程长行程直线电机的恒定推力，v_i为次级动子在第i对初级定子的末端的速度。

2条滑轨分别设置在初级定子的外侧；滑轮设置在固定架的外侧。

一种该长行程直线电机的工作方法，其特征在于，该工作方法为：

安装长行程直线电机，将被发射设备与固定架连接并固定；

将三相对称电流的三相分别接入长行程直线电机的3个相，三相对称电流将产生合成磁场，通有电流的初级绕组字合成磁场的作用下产生电磁推力，驱动次级动子直线运动，完成被发射设备的发射。

本发明有益效果如下：

常规直线电机的每个分段输出功率设计值相等，在长程匀加速度驱动应用场合，由于加速初始阶段，载荷的速度较低，电机的输出功率很小，远没有达到额定输出功率，故而造成电机功率的极大浪费，整个驱动系统的体积质量偏大。本发明采用功率分段技术，根据应用场合的驱动需求，合理设计长程直线电机每一分段的额定功率，在满足应用要求的条件下，大幅降低长程直线电机的体积重量与制造成本。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为一种基于功率分段的长行程直线电机的初级定子和次级动子的示意图；

图2为一种基于功率分段的长行程直线电机的结构示意图；

图3为一种基于功率分段的长行程直线电机，第i对初级定子对应的一段的结构示意图；

图中：1-初级定子A₁、2-初级定子B₁、3-初级定子A₂、4-初级定子B₂、5-初级定子A_i、6-初级定子B_i、7-初级定子A_n、8-初级定子B_n、9-次级动子、10-机座、11-滑轮、12-固定架、13-滑轨、14-初级铁芯A_i、15-初级绕组A_i、16-初级绕组B_i、17-初级铁芯B_i、18-齿、19-槽。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

一种基于功率分段的长行程直线电机，该长行程直线电机包括：初级定子、次级动子9、机座10、固定架12；

次级动子9设置在成对使用的初级定子之间；

初级定子与机座10通过螺栓固定，次级动子9与固定架12刚性固定连接；

机座10上设有两条滑轨13，固定架12通过滑轮11沿滑轨13移动。

初级定子共有n对，n≥4，并依次以由前至后排列成直线；

初级定子均由同尺寸的硅钢片叠压而成，且排在前面的初级定子的厚度小于排在后面的初级定子的厚度。

当i≤n时，第i对初级定子包括：初级定子Ai 5、初级定子Bi 6；

初级定子Ai 5和初级定子Bi 6的形状和位置关于次级动子9对称，尺寸相同且均大于次级动子9。

即初级定子的尺寸关系如下：

初级定子A₁ 1＝初级定子B₁ 2＜初级定子A₂ 3＝初级定子B₂ 4＜初级定子A_i 5＝初级定子B_i 6＜初级定子A_n 7＝初级定子B_n 8。

初级定子A_i 5包括：初级铁芯A_i 14、初级绕组A_i 15；

初级定子B_i 6包括：初级铁芯B_i 17、初级绕组B_i 16；

初级定子A_i 5和初级定子B_i 6固定不动，初级定子A_i 5和初级定子B_i 6均与机座10螺栓连接；

初级铁芯A_i 14和初级铁芯B_i 17靠近次级动子9的一侧均设有槽19，槽19的两边设有齿18，且初级铁芯A_i 14和初级铁芯B_i 17除槽19和齿18以外的剩余部分均为轭。

初级铁芯A_i 14和初级铁芯B_i 17均设有至少1个极，每个极均设有3个相带，每个相带均包括至少1个槽19；

初级绕组A_i 15由线圈连接而成，每个线圈有两个线圈边，初级绕组A_i 15的线圈边均嵌入初级铁芯A_i 14的槽19中；

初级绕组Bi 16由线圈连接而成，每个线圈有两个线圈边，初级绕组Bi 16的线圈边均嵌入初级铁芯B_i 17的槽19中。

同一个极内对应的相带的范围内的初级绕组A_i 15和初级绕组B_i 16的线圈串联，且同一个极内的3个相带形成3个相；

同一个极内的3个相对应的初级绕组A_i 15和初级绕组B_i 16分别与三相电源的3个相连接。

初级定子A_i 5和初级定子B_i 6的各段有若干个极，每个极又分为三个区段，每个区段称为一个相带，每两个相邻极构成一个极对，每一对极共有六个相带，依次命名为A、Z、B、X、C、Y，每个相带内包括一个或者几个槽19。将各对极下属于A和X相带的线圈依次串联构成A相，属于B和Y相带的线圈依次串联构成B相，属于Z和C相带的线圈依次串联构成C相。电机供电时，初级定子A_i 5和初级定子B_i 6的三相绕组A、B、C接入对称的三相电源上。

长行程直线电机的第i对初级定子对应的部分的输出功率P满足：

P＝P_i＝F·v_i

其中，F为次级动子9运动全程长行程直线电机的恒定推力，v_i为次级动子9在第i对初级定子的末端的速度。

2条滑轨13分别设置在初级定子的外侧；滑轮11设置在固定架12的外侧。

一种该长行程直线电机的工作方法，其特征在于，该工作方法为：

安装长行程直线电机，将被发射设备与固定架12连接并固定；

将三相对称电流的三相分别接入长行程直线电机的3个相，三相对称电流将产生合成磁场，并与永磁体磁场共同作用产生合成磁场，通有电流的初级绕组字合成磁场的作用下产生电磁推力，驱动次级动子9直线运动，完成被发射设备的发射。

三相对称电流的三相中，频率、幅值均相等，相位相差120°电角度。

上述工作原理以三相永磁同步直线电机为例进行说明，但对其他类型的直线电机同样适用；同样，本发明并不局限于三相电机，采用本发明形式的其它相数电机同样在保护范围内

综上所述，本发明实施例提供了一种基于功率分段的长行程直线电机，本发明采用功率分段技术，根据应用场合的驱动需求，合理设计长程直线电机每一分段的额定功率，在满足应用要求的条件下，大幅降低长程直线电机的体积重量与制造成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。