环形绕组磁场调制直线电机的制作方法

本发明属于电机领域。

背景技术：

传统的单边平板形三相直线永磁同步电机的电枢铁心齿距τt与永磁体的极距τp之间满足关系3τt＝τp，每个槽中嵌放一个线圈边，线圈节距与极距相等，这种绕组结构称为整数槽单层绕组。该电机的绕组如图1所示，a相绕组的线圈在第一个槽和第四个槽内缠绕，同时跨过了第二个槽和第三个槽，c相绕组的线圈是在第二个槽和第五个槽内缠绕，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，并且各相绕组线圈相互交叉，这样不但浪费线圈、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，次级的横向支撑跨度大，增大了支撑难度。

技术实现要素：

本发明是为了解决传统直线永磁电机绕组的端部长和绕组的绕线方式导致的材料浪费、绕组间绝缘工艺复杂、电机的推力波动大和效率低的问题，本发明提供了一种环形绕组磁场调制直线电机，该电机的实现形式具体如下：

方案一：

环形绕组磁场调制直线电机，它包括初级和次级，且二者间存在气隙，

次级为双边结构，且初级设置在双边之间，双边结构的气隙侧上设有次级永磁体，次级永磁体的充磁方向与运动方向垂直，且单边上相邻的两个次级永磁体的充磁方向相反，双边对应位置的次级永磁体的充磁方向相同，

初级包括初级铁心和初级绕组，在初级铁心的左、右两个气隙侧沿纵向开初级槽，在槽内设置初级绕组，所述初级绕组采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式；

单边次级上的次级永磁体的极对数均为p，初级铁心的左、右两个气隙侧中，每个气隙侧槽数为q，

初级绕组的基波磁动势极对数为s，且p、q和s间满足以下关系：

p＝q±s，

2pτp＝qτt，

q＝2mkq，

其中，τp为次级永磁体极距，τt为初级铁心齿距，m为初级绕组相数，k为正整数，q为初级绕组每极每相槽数。

方案二：

环形绕组磁场调制直线电机，它包括初级和次级，且二者间存在气隙；

次级为“凹”字形三边结构，且初级设置在“凹”字形三边结构的凹槽内，“凹”字形三边结构的气隙侧上设有次级永磁体，次级永磁体的充磁方向与运动方向垂直，且单边上相邻的两个次级永磁体的充磁方向相反，三边上对应位置的次级永磁体的充磁方向相同；

初级包括初级铁心和初级绕组，在初级铁心的左、右两个气隙侧沿纵向开初级槽，在初级铁心的下方气隙侧沿横向开初级槽，三个气隙侧的槽连通来共同设置初级绕组，所述初级绕组采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式；

单边次级永磁体的极对数均为p，

初级铁心的每个气隙侧槽数为q，

初级绕组的基波磁动势极对数为s，且p、q和s间满足以下关系：

p＝q±s，

2pτp＝qτt，

q＝2mkq，

其中，τp为次级永磁体极距，τt为初级铁心齿距，m为初级绕组相数，k为正整数，q为初级绕组每极每相槽数。

方案三：

环形绕组磁场调制直线电机，它包括初级和次级，且二者间存在气隙；

初级包括主初级铁心、初级绕组和两个辅助初级铁心；两个辅助初级铁心位于主初级铁心的两侧，在主初级铁心的左、右两个气隙侧沿纵向开初级槽，在槽内设置初级绕组，所述初级绕组采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式；

次级为双边结构，且双边分别位于主初级铁心与两个辅助初级铁心之间，次级的每个边上嵌入有次级永磁体，所述次级永磁体同时面向主初级铁心与辅助初级铁心，次级永磁体的充磁方向与运动方向垂直，且每个边上相邻的两个次级永磁体的充磁方向相反，双边对应位置的次级永磁体的充磁方向相同；

辅助初级铁心为方形块体，且辅助初级铁心的气隙侧沿纵向开初级槽，且该初级槽与主初级铁心气隙侧所开的初级槽一致；

单边次级上的次级永磁体的极对数均为p，

主初级铁心的每个气隙侧槽数为q，

初级绕组的基波磁动势极对数为s，且p、q和s间满足以下关系：

p＝q±s，

2pτp＝qτt，

q＝2mkq，

其中，τp为次级永磁体极距，τt为初级铁心齿距，m为初级绕组相数，k为正整数，q为初级绕组每极每相槽数。

所述的辅助初级铁心的气隙侧所开的初级槽中嵌入初级绕组，所述初级绕组采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式。

方案四：

环形绕组磁场调制直线电机，它包括初级和次级，次级位于初级的内部，且二者同轴、且存在气隙；

初级包括初级铁心和初级绕组，初级铁心为圆筒形结构，在初级铁心的内表面沿圆周方向开初级槽，各初级槽沿运动方向均匀排列，且在初级槽内嵌放初级绕组，所述初级绕组采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式；

次级为圆柱或圆筒形结构，其外表面粘贴有圆环形次级永磁体，圆环形次级永磁体的充磁方向与运动方向垂直，且相邻的两个圆环形次级永磁体的充磁方向相反，

圆环形次级永磁体的极对数为p，

初级铁心气隙侧的槽数为q，

初级绕组的基波磁动势极对数为s，且p、q和s间满足以下关系：

p＝q±s，

2pτp＝qτt，

q＝2mkq，

其中，τp为次级永磁体极距，τt为初级铁心齿距，m为初级绕组相数，k为正整数，q为初级绕组每极每相槽数。

方案五：

环形绕组磁场调制直线电机，它包括初级和次级，初级位于次级的内部，二者同轴、且存在气隙；

初级包括初级铁心和初级绕组，初级铁心为圆柱或圆筒形结构，初级铁心的外表面沿圆周方向开初级槽，各初级槽沿运动方向均匀排列，且初级槽中嵌放初级绕组，所述初级绕组采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式；

次级为圆筒形结构，次级的内表面粘贴有圆环形次级永磁体，圆环形次级永磁体的充磁方向与运动方向垂直，且相邻的两个圆环形次级永磁体的充磁方向相反；

圆环形次级永磁体的极对数为p，

初级铁心外表面的槽数为q，

初级绕组的基波磁动势极对数为s，且p、q和s间满足以下关系：

p＝q±s，

2pτp＝qτt，

q＝2mkq，

其中，τp为次级永磁体极距，τt为初级铁心齿距，m为初级绕组相数，k为正整数，q为初级绕组每极每相槽数。

方案六：

环形绕组磁场调制直线电机，它包括初级和次级，初级位于次级的上方，且二者间存在气隙；

初级包括初级铁心和初级绕组，在初级铁心的气隙侧沿横向开初级槽，在槽内设置初级绕组，所述初级绕组采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式；

次级为单边结构，且次级的气隙侧设有次级永磁体，次级永磁体的充磁方向与运动方向垂直，且相邻的两个次级永磁体的充磁方向相反；

次级永磁体的极对数为p，

初级铁心的气隙侧槽数为q，

初级绕组的基波磁动势极对数为s，且p、q和s间满足以下关系：

p＝q±s，

2pτp＝qτt，

q＝2mkq，

其中，τp为次级永磁体极距，τt为初级铁心齿距，m为初级绕组相数，k为正整数，q为初级绕组每极每相槽数。

方案七：

环形绕组磁场调制直线电机，它包括初级和次级，初级位于次级的上方，且二者间存在气隙；

初级包括初级铁心和初级绕组，在初级铁心的上、下表面沿横向开初级槽，且每个初级槽中嵌放一个初级绕组，所述初级绕组采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式；

次级为单边结构，且次级的气隙侧设有次级永磁体，次级永磁体的充磁方向与运动方向垂直，且相邻的两个次级永磁体的充磁方向相反；

次级永磁体的极对数为p，

初级铁心的气隙侧槽数为q，

初级绕组的基波磁动势极对数为s，且p、q和s间满足以下关系：

p＝q±s，

2pτp＝qτt，

q＝2mkq，

其中，τp为次级永磁体极距，τt为初级铁心齿距，m为初级绕组相数，k为正整数，q为初级绕组每极每相槽数。

原理分析：通过采用特定的初、次级极槽配合及环形绕组，利用不均匀气隙磁导起到“变极”的作用，初级绕组磁动势与气隙磁导相互作用，产生与次级永磁体极数相同的磁场，然后两磁场相互作用产生恒定推力，进而突破了传统直线永磁同步电机初、次级极数必须相同的限制。既减小了绕组端部长度与损耗，提高了电机效率，又减小了推力波动，降低了电机振动与噪声，同时电机的结构简单、绝缘容易、制造成本低、可靠性高，适合用于低速、高加速度、大输出推力等场合。

本发明可以提高直线电机推力密度，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、可靠性高，适合用于低速、高加速度、大输出推力等场合。

附图说明

图1为背景技术中所述的平板型永磁直线同步电机的绕组原理示意图；其中，x表示a相绕组的反向、y表示b相绕组的反向、z表示c相绕组的反向；

图2为具体实施方式一所述的环形绕组磁场调制直线电机的三维结构示意图；

图3为图2所示电机的主视图；

图4为图3在b-b方向的剖视图；

图5为图3在a-a方向的剖视图。

图6为具体实施方式二所述的环形绕组磁场调制直线电机的三维结构示意图；

图7为图6的俯视图；

图8为图6的侧视图；

图9为具体实施方式三所述的环形绕组磁场调制直线电机的三维结构示意图；

图10为图9的俯视图；

图11为图9的侧视图；

图12为具体实施方式四所述的环形绕组磁场调制直线电机的三维结构示意图；

图13为图12的俯视图；

图14为图12的侧视图；

图15为具体实施方式五所述的环形绕组磁场调制直线电机的三维结构示意图；

图16为图15的侧视图；

图17为图15的主剖视图；

图18为具体实施方式六所述的环形绕组磁场调制直线电机的次级的结构示意图；

图19为具体实施方式六所述的环形绕组磁场调制直线电机的初级和次级间的相对位置关系图；

图20为图19在a-a方向的剖视图；

图21为具体实施方式七述的环形绕组磁场调制直线电机的三维结构示意图；

图22为图21的主视图；

图23为图21的侧视图；

图24为具体实施方式八述的环形绕组磁场调制直线电机的三维结构示意图；

图25为图24的主视图；

图26为图24的仰视图；

图27为图24的侧视图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图2至图5说明本实施方式，本实施方式所述的环形绕组磁场调制直线电机，它包括初级1和次级2，且二者间存在气隙，

次级2为双边结构，且初级1设置在双边之间，双边结构的气隙侧上设有次级永磁体2-1，次级永磁体2-1的充磁方向与运动方向垂直，且单边上相邻的两个次级永磁体2-1的充磁方向相反，双边对应位置的次级永磁体2-1的充磁方向相同，

初级1包括初级铁心1-1和初级绕组1-2，在初级铁心1-1的左、右两个气隙侧沿纵向开初级槽，在槽内设置初级绕组1-2，所述初级绕组1-2采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式；

单边次级2上的次级永磁体2-1的极对数均为p，初级铁心1-1的左、右两个气隙侧中，每个气隙侧槽数为q，

初级绕组1-2的基波磁动势极对数为s，且p、q和s间满足以下关系：

p＝q±s，

2pτp＝qτt，

q＝2mkq，

其中，τp为次级永磁体极距，τt为初级铁心齿距，m为初级绕组相数，k为正整数，q为初级绕组每极每相槽数。

本实施方式，初级铁心可以使用硅钢片叠压制成，环形绕组具有更短的端部，节省用铜量的同时具有更低的绕组温升，由于绕组之间没有重叠，互感可忽略不计，次级2为双边结构，初级铁心的一侧和绕组的一个有效边，与气隙和同侧的次级构成一个磁路，该磁路为初级-绕组-气隙-永磁体-次级-永磁体-气隙-绕组-初级，则电机有两个磁路，两部分磁路相互并联，可以实现电磁推力的叠加，在节约空间的同时增加电机的推力。

具体实施方式二：参见图6至图8说明本实施方式，本实施方式所述的环形绕组磁场调制直线电机，它包括初级1和次级2，且二者间存在气隙；

次级2为“凹”字形三边结构，且初级1设置在“凹”字形三边结构的凹槽内，“凹”字形三边结构的气隙侧上设有次级永磁体2-1，次级永磁体2-1的充磁方向与运动方向垂直，且单边上相邻的两个次级永磁体2-1的充磁方向相反，三边上对应位置的次级永磁体2-1的充磁方向相同；

初级1包括初级铁心1-1和初级绕组1-2，在初级铁心1-1的左、右两个气隙侧沿纵向开初级槽，在初级铁心1-1的下方气隙侧沿横向开初级槽，三个气隙侧的槽连通来共同设置初级绕组1-2，所述初级绕组1-2采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式；

单边次级永磁体2-1的极对数均为p，

初级铁心1-1的每个气隙侧槽数为q，

初级绕组1-2的基波磁动势极对数为s，且p、q和s间满足以下关系：

p＝q±s，

2pτp＝qτt，

q＝2mkq，

其中，τp为次级永磁体极距，τt为初级铁心齿距，m为初级绕组相数，k为正整数，q为初级绕组每极每相槽数。

本实施方式，次级2为“凹”字形三边结构，在双边结构的基础上增加了一个有效边，使得电机的空间利用率更高，具有更大的推力。

由初级铁心的一侧和绕组的一个有效边，与气隙和同侧的次级构成一个磁路，为初级-绕组-气隙-永磁体-次级-永磁体-气隙-绕组-初级，则电机有三个磁路，相互并联，可以实现电磁推力的叠加，在节约空间的同时增加电机的推力。

具体实施方式三：参见图9至图11说明本实施方式，本实施方式所述的环形绕组磁场调制直线电机，它包括初级1和次级2，且二者间存在气隙；

初级1包括主初级铁心1-1、初级绕组1-2和两个辅助初级铁心1-3；两个辅助初级铁心1-3位于主初级铁心1-1的两侧，在主初级铁心1-1的左、右两个气隙侧沿纵向开初级槽，在槽内设置初级绕组1-2，所述初级绕组1-2采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式；

次级2为双边结构，且双边分别位于主初级铁心1-1与两个辅助初级铁心1-3之间，次级2的每个边上嵌入有次级永磁体2-1，所述次级永磁体2-1同时面向主初级铁心1-1与辅助初级铁心1-3，次级永磁体2-1的充磁方向与运动方向垂直，且每个边上相邻的两个次级永磁体2-1的充磁方向相反，双边对应位置的次级永磁体2-1的充磁方向相同；

辅助初级铁心1-3为方形块体，且辅助初级铁心1-3的气隙侧沿纵向开初级槽，且该初级槽与主初级铁心1-1气隙侧所开的初级槽一致；

单边次级2上的次级永磁体2-1的极对数均为p，

主初级铁心1-1的每个气隙侧槽数为q，

初级绕组1-2的基波磁动势极对数为s，且p、q和s间满足以下关系：

p＝q±s，

2pτp＝qτt，

q＝2mkq，

其中，τp为次级永磁体极距，τt为初级铁心齿距，m为初级绕组相数，k为正整数，q为初级绕组每极每相槽数。

本实施方式，由初级铁心的一侧和绕组的一个有效边，与两层气隙丶次级和辅助初级形成一个闭合磁路，则磁路为初级-绕组-气隙-次级-辅助初级-气隙-永磁体-次级-永磁体-气隙-绕组-初级，于是电机具有两个磁路并且相互并联叠加，由于次级相对于初级具有更小的重量，更小的体积，对于特定的使用场合，可以的采用动次级的运动形式。

由于次级相对于初级具有更小的重量，更小的体积具体体现为：由于初级由初级铁心和绕组构成，整体的重量远高于次级的固定铝板和永磁体的重量，且次级整体体积更小，因此，在特定的运行场合，动次级的运行方式更具有优势。

具体实施方式四：参见图9至图14说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的环形绕组磁场调制直线电机的区别在于，所述的辅助初级铁心1-3的气隙侧所开的初级槽中嵌入初级绕组1-2，所述初级绕组1-2采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式。

本实施方式，由初级铁心的一侧和绕组的一个有效边，与两层气隙，次级和辅助初级形成一个闭合磁路，则磁路为初级-绕组-气隙-次级-绕组-辅助初级-绕组-气隙-永磁体-次级-永磁体-气隙-绕组-初级，于是电机具有两个磁路并且相互并联叠加，由于次级相对于初级具有更小的重量，更小的体积，对于特定的使用场合，可以的采用动次级的形式。

本实施方式中，增加了辅助初级励磁绕组，作为磁路的一部分增加气隙磁密，可进一步提高电机的推力密度，从而提高电机的推力。

由于次级相对于初级具有更小的重量，更小的体积具体体现为：由于初级由初级铁心和绕组构成，整体的重量远高于次级的固定铝板和永磁体的重量，且次级整体体积更小。因此在特定的运行场合，动次级的运行方式更具有优势。

具体实施方式五：参见图15至图17说明本实施方式，本实施方式所述的环形绕组磁场调制直线电机，它包括初级1和次级2，次级2位于初级1的内部，且二者同轴、且存在气隙；

初级1包括初级铁心1-1和初级绕组1-2，初级铁心1-1为圆筒形结构，在初级铁心1-1的内表面沿圆周方向开初级槽，各初级槽沿运动方向均匀排列，且在初级槽内嵌放初级绕组1-2，所述初级绕组1-2采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式；

次级2为圆柱或圆筒形结构，其外表面粘贴有圆环形次级永磁体2-1，圆环形次级永磁体2-1的充磁方向与运动方向垂直，且相邻的两个圆环形次级永磁体2-1的充磁方向相反，

圆环形次级永磁体2-1的极对数为p，

初级铁心1-1气隙侧的槽数为q，

初级绕组1-2的基波磁动势极对数为s，且p、q和s间满足以下关系：

p＝q±s，

2pτp＝qτt，

q＝2mkq，

其中，τp为次级永磁体极距，τt为初级铁心齿距，m为初级绕组相数，k为正整数，q为初级绕组每极每相槽数。

本实施方式，采用圆筒形直线电机的结构，由初级铁心-绕组-气隙-永磁体-次级-永磁体-气隙-绕组-初级构成一个磁路，等效于电机的单边结构，且为外动子的结构，由于圆筒形直线电机具有均匀的气隙，使得电机没有纵向端部效应，减小电机的推力波动。

具体实施方式六：参见图18至图20说明本实施方式，本实施方式所述的环形绕组磁场调制直线电机，它包括初级1和次级2，初级1位于次级2的内部，二者同轴、且存在气隙；

初级1包括初级铁心1-1和初级绕组1-2，初级铁心1-1为圆柱或圆筒形结构，初级铁心1-1的外表面沿圆周方向开初级槽，各初级槽沿运动方向均匀排列，且初级槽中嵌放初级绕组1-2，所述初级绕组1-2采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式；

次级2为圆筒形结构，次级2的内表面粘贴有圆环形次级永磁体2-1，圆环形次级永磁体2-1的充磁方向与运动方向垂直，且相邻的两个圆环形次级永磁体2-1的充磁方向相反；

圆环形次级永磁体2-1的极对数为p，

初级铁心1-1外表面的槽数为q，

初级绕组1-2的基波磁动势极对数为s，且p、q和s间满足以下关系：

p＝q±s，

2pτp＝qτt，

q＝2mkq，

其中，τp为次级永磁体极距，τt为初级铁心齿距，m为初级绕组相数，k为正整数，q为初级绕组每极每相槽数。

本实施方式，采用圆筒形直线电机的结构，由初级铁心-绕组-气隙-永磁体-次级-永磁体-气隙-绕组-初级构成一个磁路，等效于电机的单边结构，且为内动子的结构，由于圆筒形直线电机具有均匀的气隙，使得电机没有纵向端部效应，减小电机的推力波动。

具体实施方式七：参见图21至图23说明本实施方式，本实施方式所述的环形绕组磁场调制直线电机，它包括初级1和次级2，初级1位于次级2的上方，且二者间存在气隙；

初级1包括初级铁心1-1和初级绕组1-2，在初级铁心1-1的气隙侧沿横向开初级槽，在槽内设置初级绕组1-2，所述初级绕组1-2采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式；

次级2为单边结构，且次级2的气隙侧设有次级永磁体2-1，次级永磁体2-1的充磁方向与运动方向垂直，且相邻的两个次级永磁体2-1的充磁方向相反；

次级永磁体2-1的极对数为p，

初级铁心1-1的气隙侧槽数为q，

初级绕组1-2的基波磁动势极对数为s，且p、q和s间满足以下关系：

p＝q±s，

2pτp＝qτt，

q＝2mkq，

其中，τp为次级永磁体极距，τt为初级铁心齿距，m为初级绕组相数，k为正整数，q为初级绕组每极每相槽数。

本实施方式为单边结构，与初级-绕组-气隙-永磁体-次级-永磁体-气隙-初级构成闭合磁路，由于实施方式一至六为自然冷却结构，电流密度有一定限制，而本实施方案可以在另一个增加冷却装置，提高电流密度从而增加电机的推力密度，从而获取更大的推力。

具体实施方式八：参见图24至图27说明本实施方式，本实施方式所述的环形绕组磁场调制直线电机，它包括初级1和次级2，初级1位于次级2的上方，且二者间存在气隙；

初级1包括初级铁心1-1和初级绕组1-2，在初级铁心1-1的上、下表面沿横向开初级槽，且每个初级槽中嵌放一个初级绕组1-2，所述初级绕组1-2采用环形绕组实现，并为三相对称绕组形式；

次级2为单边结构，且次级2的气隙侧设有次级永磁体2-1，次级永磁体2-1的充磁方向与运动方向垂直，且相邻的两个次级永磁体2-1的充磁方向相反；

次级永磁体2-1的极对数为p，

初级铁心1-1的气隙侧槽数为q，

初级绕组1-2的基波磁动势极对数为s，且p、q和s间满足以下关系：

p＝q±s，

2pτp＝qτt，

q＝2mkq，

其中，τp为次级永磁体极距，τt为初级铁心齿距，m为初级绕组相数，k为正整数，q为初级绕组每极每相槽数。

本实施方式为单边结构，与初级-绕组-气隙-永磁体-次级-永磁体-气隙-初级构成闭合磁路，由于具体实施方式一至六为自然冷却结构，电流密度有一定限制，而本实施方案可以在另一个增加冷却装置，提高电流密度从而增加电机的推力密度，从而获取更大的推力。

具体实施方式九：参见图2至图8和图21至图27说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、七或八所述的环形绕组磁场调制直线电机的区别在于，所述的初级铁心1-1为方形块体。

具体实施方式十：参见图9至图14说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三或四所述的环形绕组磁场调制直线电机的区别在于，所述的主初级铁心1-1为方形块体。