本发明涉及一种磁通切换永磁直线电机。
背景技术：
磁通切换永磁直线电机包括：纵向直线定子，具有面向气隙的定子齿；和动子，包括电枢，电枢包括电枢架构,电枢架构包括架构构件，电枢构件与至少一个永磁体一起形成动子的电枢齿，从而电枢齿由用于容置电枢绕组的槽间隔开。电枢齿具有配合抵靠永磁体的第一侧部和面向槽并配合抵靠电枢绕组的第二侧部，从而齿朝向气隙具有延伸的宽度。图2(a)示出了这种构造的例子，其中半闭合的槽由齿的在最上端部中延伸的齿端头形成，从而槽内铜线或绕组所在的区域没有随着宽度增加而受到齿端头的影响。这个实施方式的好处是：电枢绕组的铜线空间不会受到延伸的齿端头的影响。
在磁铁切换用磁直线电机(FSPM)中，这种解决方案可能会导致伴随着漏磁的齿端头中的过饱和，甚至会导致永磁体的不可逆退磁。
技术实现要素：
因此本发明的目的是提供一种FSPM直线电机，其中上述问题被减轻。
该目的通过根据权利要求1的FSPM直线电机而解决。本发明的优选实施方式是从属权利要求的主题内容。本发明的优选实施方式也在说明书和附图中进行了阐述。
根据本发明，磁通切换永磁(FSPM)直线电机包括纵向直线定子，其具有面向气隙a的定子齿。在电梯中，该定子优选安装在沿着电梯井的定子梁上。进一步地，该电机包括动子，动子具有至少一个电枢，电枢具有沿着气隙a的方向突出的电枢齿。所述电枢齿中至少一些齿或优选所有齿在电枢齿的宽度方向上分别嵌设有至少一个永磁体。电枢齿由用于容置电枢绕组的槽间隔开。根据本发明，嵌入相应电枢齿中的永磁体沿着背离气隙a的方向在电枢背部上突出有伸出部d。因此，电枢架构基座区域内的漏磁得到有效减少。已经发现如果该突起或伸出部的尺寸优选在2mm至6mm范围内，更优选在3mm至5mm范围内，那么就能获得最大程度的漏磁降低。
优选地，永磁体沿着齿的长度方向l的长度大于电枢沿着齿的长度方向l的长度。借助这个特征可以确保，永磁体从电枢背侧突出以改善磁通性能，而另一方面，永磁体延伸至齿端头，以改善磁通导致的性能，特别是降低漏磁。
优选地，至少电枢齿中的一些齿朝向气隙a具有宽度延伸部分，其优选沿着电枢齿的纵向l在电枢绕组水平(level)处已经开始，电枢绕组水平处即齿和相邻绕组彼此面对处。通过这个措施，电枢齿的宽度增加在其大部分长度范围上发生。这样就使得：相比于图2(a)所示的已知设计而言，齿端头处的减小的磁通密度。尽管在本发明的解决方案中，用于电枢绕组的铜线的空间减小了，但漏磁、避免磁通密度过大、以及相应的永磁体退磁危险都得到实质上的降低。
优选地，电枢齿的宽度增加在其长度的至少一半上发生。相应地，在该电机几何结构中，磁通分布更好更均匀。
优选地，电枢齿的宽度连续增加，没有在其第二侧部中形成边缘(edge)。电枢齿的该几何结构导致磁通均匀、漏磁减少。
在本发明的优选实施例中，电枢齿的宽度增加朝着气隙连续增大。这个特征导致了这个事实：在朝齿端头或气隙方向上，第二侧部沿着相邻槽的方向逐渐朝外弯曲。因此，齿端头处的漏磁得到最小化，并且在电枢齿中朝气隙方向没有发生过饱和。
优选地，两个不同的永磁体被安装在各电枢齿的第一侧部之间，从而第二永磁体在电枢齿长度的较大部分上延伸，而第一永磁体朝向气隙a安装在第二永磁体上方。
在电枢齿端头的区域内，磁通密度非常高，这会导致过饱和。这通过逐步增加电枢齿宽度来避免。更远离齿端头，永磁体中的磁通密度可以降低到相当低的值。这样的低运行磁通密度值会导致永磁体不可逆的退磁，特别是当永磁体在高温条件下工作时。因此，必须为这个齿区域选择具有良好退磁性能的永磁体。不过，具有良好不可逆退磁性能的永磁体例如钕磁体，其剩磁减弱，这就意味着通过选择磁化强度更强的磁体，其另一方面剩磁较弱，电机性能下降。因此，在电枢齿长度上使用两种不同永磁体解决这个问题，因为在电枢齿的长度最上端使用第二永磁体，其具有良好的退磁性能但剩磁较低，同时仅在齿端头区域使用具有高剩磁的第一永磁体，这能带来良好的效率。这种混合永磁体实现了对永磁体效率的需求，另一方面实现了在电枢齿的长度最上端很好地防护退磁。
优选地，在平行于气隙的平面上，第一永磁体的截面面积大于第二永磁体的截面面积，这通过第一永磁体比第二永磁体具有较大的宽度实现。这样的效果是：第一和第二磁体整体组合的效率提升，漏磁减少。
在本发明的优选实施例中，第一永磁体的上表面与齿端头对齐。这样导致的事实是：在最高磁通密度存在的区域内使用第一永磁体。通过使用具有低剩磁但另一方面具有良好退磁性能的第二永磁体，可以实质上提升SPM电机的运行效率和可靠性。
优选地，如上文已经提及的，第一永磁体和第二永磁体材料彼此不同，因此优选第二永磁体具有比第一永磁体低的剩磁，但具有比第一永磁体更好的不可逆退磁性能。另一方面，第一永磁体优选具有比第二永磁体高的剩磁，以提高效率。由于在电枢齿的这个下部中的磁通不像在其上部区域特别是齿头中那样高，所以，低剩磁和良好的退磁性能一起改善了电机的可靠性。
优选地，齿宽度增加是由两个相邻电枢架构的架构构件的宽度增加部分形成和/或由第一永磁体相对于第二永磁体宽度增加而形成。因此，延伸的齿宽度几何结构可以容易地通过架构构件的宽度延伸部分的几何结构来设计。当然，可选择地，或另外地，永磁体的宽度增加能有助于齿朝着齿端头的宽度延伸，特别是如果在一个齿中使用几个永磁体并且第一或上永磁体的宽度大于第二或下永磁体。
优选地，在动子移动方向上，动子每米长度的动子齿数量在22到42范围内，特别地在27至37范围内。这是相对较高的齿数(极数)。一方面，与例如每米13个极数相比，极的增加会由于饱和而致使转矩降低。然而，更高的极数降低电机的齿槽转矩或转矩波动。另一方面，根据本发明的基本思想，通过使电枢齿具有宽度延伸部分，满足由于更高极数和转矩降低而产生的饱和效应。此外，每个槽内的磁通密度降低，这又减少了漏磁，并且阻止齿内过大的磁通密度，因此也降低了永磁体退磁的风险。通过这样的方式，电枢架构构件和永磁体可以具有减小的宽度。因此，优选电枢齿的宽度小于气隙宽度的30％。在本申请中，术语“宽度”表示动子的移动方向(或定子的纵向)上的尺度。术语“长度”涉及垂直于气隙平面的尺寸。
优选地，正如在电机的电枢几何结构中的通常情况，电枢由U形的电枢架构(层叠部段)形成，电枢架构包括架构基座和垂直于架构基座并朝向气隙a延伸的至少两个平行的架构构件，从而动子的各永磁体嵌设在两个相邻电枢架构的第一侧部之间，其中电枢绕组位于U形电枢架构的平行构件的第二侧部之间，这些平行构件与所嵌设的永磁体一起形成电枢齿。这样的电枢几何结构已经证实是可靠的，并且表现出低漏磁。
优选地，各电枢架构由电枢架构金属片堆叠形成，因为这是可靠的并且是电枢设计中现行实践的。
优选地，所述至少一个永磁体在垂直于电枢齿的纵向的方向上被磁化。在这种情况下，优选地，在动子的宽度方向w上连续的永磁体在相反的方向上被磁化。
优选地，在电枢由一系列电枢架构构成的该情况下，永磁体沿着背离气隙a的方向从相邻电枢架构的背部突出。
优选地，永磁体沿电枢齿长度方向l的长度大于架构构件的长度，或优选大于电枢架构沿齿长度方向l的长度。因此，永磁体从电枢架构的背侧突出，以最小化漏磁，但另一方面，永磁体延伸至齿端头，以改善磁通导致的性能，特别是减少漏磁。
在一优选实施例中，电枢具有至少一个平行于气隙延伸的电枢基座。电枢构件朝气隙方向(即垂直于电枢基座的方向)从电枢基座突出。电枢基座可以是在动子长度的较大部分上延伸的单件部件，例如延伸在动子长度的三分之一、一半或甚至整个长度上。相应有大量的电枢构件，优选作为单件部件，连接至这个电枢基座。可选地，电枢还可以包括一系列单独的U形电枢架构，其只有两个架构构件作为垂直于架构基座延伸的电枢构件。在上述任一种情况下，电枢构件都形成电枢齿的一部分。那么，电枢齿的朝向气隙的齿宽度增加则优选由嵌有永磁体的两个电枢构件的宽度增加部分形成，以及由第一永磁体相对于第二永磁体的宽度增加形成。特别地，如果将这个特征与第一永磁体相对于第二永磁体的较高的剩磁相结合，则这导致减少的齿饱和，增大的转矩。
本发明还涉及包括如上所述的直线电机的电梯。特此，FSPM电机的动子沿着电梯轿厢的侧部连接，定子安装在沿着电梯井延伸的梁上。具有这种特定电机的电梯一方面具有优良的效率，另一方面具有良好的运行特性和高可靠性，特别是能抵御FSPM电机的永磁体的退磁。
下面术语被用作同义词：电枢架构-叠片层叠-层叠部段；PM-永磁体；铜线-电枢绕组；电机-机器；电枢基部(ground)-电枢基座-电枢背部(back)；
电枢或电枢架构的背部或基座指定电枢的背离气隙a的侧部。
本发明重点是改善FSPM电机磁性能的三项技术，如下文所述：
1.朝向气隙齿宽度增加
2.永磁体在电枢基座处的磁体伸出部
3.至少两种不同永磁体的混合磁体实施方式
1.朝向气隙齿宽度增加
如果槽数增加(例如从13槽到25槽)，那么，25槽电机的永磁体厚度和电枢齿厚度是13槽结构的永磁体厚度和电枢齿厚度的一半(如果没有进行进一步的几何结构修改)。
假设齿数加倍，那么，槽数的增加将使得新槽的厚度是原槽厚度的一半。因此，具有较高槽数的电机里，磁路的磁阻大约是具有较低槽数的电机里的磁阻的两倍。高磁阻的主要贡献之一来源于更窄的气隙面积。如图3a)和3b)所示，与图3a)中所示的厚齿中的磁通相比较，从图3b)显而易见的是，在薄齿的情况下，磁通传导通过的气隙面积较小。如果例如薄齿的宽度是厚齿宽度的一半，这就意味着根据图3b)的薄齿的情况下的磁阻是根据图3a)的厚齿中的磁阻的两倍，因为由公式(1)可知磁阻是与传导面积(A)成反比：
其中Rδ是气隙的磁阻，δ是气隙的长度,μ0是真空磁导率,Aδ是磁通传导面积。
高磁阻必然导致由单个永磁体传导穿过气隙的低磁通。因此，在具有高槽数且相应地小齿厚的FSPM直线电机的情况下，应用具有增加的齿宽度是有利的，增加的齿宽度导致半闭合电枢槽。如图4a)揭示的矩形齿设计和图4b)示出的齿宽度增加设计，目的是增加磁通传导通过的气隙面积。
通过在具有薄电枢齿的FSPM中应用半闭合槽，可以显著减少气隙的磁阻。然而，这是PMSM中应用的增加行进穿过气隙的磁通的传统方法。然而，这种方法有个重大的缺陷。缺陷的原因在图5a中解释。此图中示出，在齿中的磁通集中聚集效应致使朝向气隙产生很强的磁通过饱和。而这种过饱和增加磁路的磁阻(不是在气隙中而是在叠片层叠中)并且由此减少了穿过气隙的PM磁通。
传统地，半闭合槽是由齿端头实现的，如图2(a)所示。相应地，齿端头应占据槽内的尽可能小的空间，以将空间留给铜线(在绕组水平面28之下)。然而，申请人发现在FSPM机器中，已经证实，比起将空间留给铜线，将齿做得朝向气隙更宽是有益的。通过增大穿过气隙的PM磁通，更宽的齿能补偿槽内更少的铜线，增加FSPM机器的磁力密度。因此，电枢的优选齿设计从图2(a)所示的半闭合槽现有技术设计转变为根据图2(b)和2(c)的形状，其中齿的宽度增加延伸进入铜线区域(即电枢绕组的铜线水平面28之下的区域)。因此，在图2(a)中，宽度增加在电枢齿长度一半上延伸。在图2(c)中，宽度增加甚至在电枢齿的全部长度上延伸，这个长度是从铜线基部或架构基座开始算起。
这防止局部区域具有很强的过饱和。因此，增强了FSPM电机的性能。图6示出了半闭合槽结构(图2(a))和本发明设计(图2(b))拓扑结构的电机产生的力的比较。
图6中，实线显示具有半闭合槽的FSPM电机产生的力，而虚线显示本发明提出的齿型(在铜线区域中朝向气隙具有增加的宽度)的电机产生的力。可以看出，借助提出的齿型，可以使FSPM电机产生的力增大30％。
2.电枢基座处的磁体伸出部
在传统的FSPM电机中，磁体与叠层层叠部段的高度(或在垂直于气隙的方向l上架构构件的长度加上架构基座的延伸部)相同。然而，如果主磁路的磁阻高，就可能出现一定量的漏磁。如果漏磁量中等，那对FSPM电机产生的磁力密度还不是很重要。然而，如果漏磁占据了叠层层叠体或电枢架构的一定空间，这会导致特定区域内的增加的过饱和，这又会增大主磁路的磁阻。因此，在两个电枢架构之间的电枢基座处可能出现磁漏。该漏磁与有用的主磁通一起在相同磁路中流动，从而一定程度地影响了整个磁路的磁阻。为了减少电枢基座处的漏磁，使磁体长度以这样的方式延长，磁体在背离气隙的背部侧从电枢架构突出。
因此，图7a示出了当永磁体没有在电枢架构背部突出时两个电枢架构之间的磁通密度分布和磁漏路径。图7b示出了当磁体突出(伸出)大约3.5mm时磁通密度分布和漏磁。在使永磁体突出的情况下，层叠齿顶部处的磁通密度减小，并且可以将这个区域做得更薄，从而增大用于铜线的槽空间。
3.混合永磁体实施方式
具有相对薄的齿的FSPM的磁路具有大的磁阻。因此，永磁体中的磁通密度可能下降到相对较低的值。这种较低的运行磁通密度值会导致永磁体的不可逆退磁，特别是当永磁体在高温条件下工作时。
为了避免这种不可逆退磁，永磁体所选的材料类型应当专用于该严酷的工作条件。然而，永磁体例如钕磁体，它们具有良好的不可逆退磁性能，但另一方面具有弱的剩磁。这就意味着从退磁角度选择强磁体和从剩磁角度选择弱剩磁会降低电机的性能。在这种情况下，优选采用混合永磁体系统，其中选择至少两种不同类型的磁体：
a)第一永磁体，其产生主工作磁通；
b)第二永磁体，其消除叠层层叠部段之间的漏磁，并仅将(第一磁体组产生的)主磁通保持在正确的磁路中。
通过这样的分工，可以根据它们的功能优化这两种不同永磁体的材料。第一永磁体组不能在严酷条件下工作，但因此能由具有高剩磁(例如Br＝1.3T)的材料类型制成，而第二永磁体不需具有高剩磁，因为它对主磁通的贡献是相对较低的，但它以低磁通密度工作，它需要具有良好的不可逆退磁性能。因此，该第二永磁体组可以由具有低剩磁(例如Br＝1.1T)但具有良好退磁性能的材料类型制成。
为了提升产生真实磁通的第一磁体组的效用，同时优化层叠部段形状以减少磁漏，有利的是，如图1和图8所示，使得该第一永磁体比第二永磁体组更宽(具有更大的横截面)。包括至少两个不同永磁体并优选不同宽度的混合磁体材料的好处是，在优化本发明FSPM电机以提高其性能和避免不可逆退磁方面提供了更多的自由。
优选地，在动子的移动方向上，包括嵌设在两个架构构件之间的永磁体的电枢齿的宽度相对于相邻电枢槽的宽度在40％至65％范围内，优选地在50％至60％范围内，这当然与宽度未延伸齿部有关。这种极几何结构导致非常有利的磁化性能和均匀的强磁通。
优选地，齿的宽度延伸部分的最大宽度在架构构件的宽度未延伸部分的宽度的30％至60％范围内，特别地40％至50％范围内。这样使得饱和度增加，转矩更高，特别地动子每米长度的极数增加，即，在移动方向(齿的宽度方向)上动子每米长度的极数优选在22至42范围内，特别地在27至37范围内。
客梯中的动子一般长度在0.5-1.5m范围内，特别地在0.7至1m范围内。
下面术语被用作同义词：电枢构件-架构构件；电枢基座-架构基座-电枢背部-电枢架构背部-电枢架构基座；磁通量-磁通；电枢架构-电枢铁；齿-极；磁体-永磁体；突出-凸出-伸出
本发明还主要适用于旋转电机，从而在这种情况下，气隙是圆形而不是直线的。
附图说明
下文通过实施例结合附图阐述一些现有技术以及本发明。
图1示出了发明的FSPM电机的穿过动子和部分定子的纵向剖视图；
图2(a)示出了根据现有技术的带半闭合槽的电枢的架构(profile)设计；
图2(b)和2(c)示出了根据本发明的电枢架构形状；
图3a)和3b)显示当齿宽度由于齿数增加和电枢架构构件(profile member)宽度的减小而减小时的磁通；
图4a)和4b)显示已知半闭合槽情况的磁通；
图5a和5b显示现有技术电枢齿的磁通和根据本发明的电枢齿的磁通；
图6显示根据图2(a)的带半闭合槽的传统动子产生的力和根据图2(b)具有增加齿宽度的动子产生的力；
图7a和7b显示具有传统设计(图7a)的以及根据本发明(图7b)具有永磁体伸出部的架构基座(profile base)处的漏磁；
图8显示本发明的动子电枢中的磁通，该动子电枢具有增加的齿宽度并且具有由两种不同永磁铁构成的永磁混合体的宽度。
具体实施方式
图1示出了FSPM直线电机10，其包括动子12和定子14，由于定子通常在几米至几十米或在高层建筑电梯中在电梯井内甚至几百米的长度上延伸，所以仅部分显示出。动子12通常连接在电梯轿厢侧部的旁边，利用定子14和动子12之间的共同作用，使电梯轿厢沿着电梯井垂直移动。定子14和动子12之间设有气隙a，从而，在定子侧，定子齿16面向气隙a，而在动子12侧，设有电枢13，电枢由多个优选呈U形的电枢架构15构成，这些电枢架构15沿着电枢13的宽度方向w连续设置、彼此相邻且仅由设置在其间的永磁体20、22间隔开。l表示电枢13的沿气隙a(垂直于气隙平面)的方向的长度方向，以限定电枢相对于它们到气隙a的距离的区域。这些方向的命名适用于所有附图。
各电枢架构15由架构基座21以及垂直于架构基座21延伸的两个平行架构构件23组成。相邻的两个电枢架构15的架构构件23与嵌设于其间的永磁体20、22一起形成电枢齿。电枢齿18沿着气隙a的方向从电枢13突出。每个电枢架构15的架构构件23之间都形成有槽30,其适用于容纳电枢绕组32。
电枢架构15是规律叠层而成的层叠体或层叠部段，由具有相应轮廓的金属片形成的搭建形体。电枢架构15也可以由连续的几个这些U形架构以单件部件构成，从而减少用于电枢13的单独电枢架构15的数量。
两个相邻的电枢架构的架构构件23在电枢齿18的大部分长度l上嵌设第二永磁体20。第一永磁体22位于第二永磁体20的顶部上，尤其是齿端头19的区域中。第一永磁体22的基座面积和宽度比第二永磁体20的更大，并且第一永磁体22的上表面与电枢齿18面向气隙a的齿端头19对齐。
第二永磁体20以伸出部d突出在由电枢架构15的架构基座21形成的电枢13的背部之上，这就减少了架构基座21的区域内的漏磁。
具有这些几何特征的FSPM直线电机的效率高、漏磁低。
图2(b)和2(c)示出了动子的电枢铁或电枢架构15的两种不同的可能几何结构，其中，在图2(b)的实施例中，架构构件23的宽度增加部分36延伸在其长度的一半上，而在图2(c)的实施例中，电枢齿18的宽度增加部分36延伸在架构构件23的整个长度l上。
图3a)和3b)大致示出了架构构件23的宽度减小对电枢13和定子14之间磁通的影响。
图4a)和4b)大致示出了架构构件23的已知半闭合槽方案36对电枢13和定子14之间磁通的磁通增加的影响。
图5a和5b示出了当使用根据本发明的宽度增加的齿18时，电枢13和定子14之间磁通密度减小的优势，其中架构构件的宽度增加部分36致使电枢齿18和定子齿16之间的磁通密度减小(黑色箭头)。
至于图6和图7，参照上文的发明内容。
图8示出了发明的FSPM直线电机的磁通，该FSPM直线电机具有一侧宽度延伸的电枢齿18和混合永磁体，混合永磁体由第一永磁体22和在齿18长度最上部上的第二永磁体20(优选具有低剩磁以及相应更高的退磁稳定性)，第一永磁体22朝齿端头19的方向与第二永磁体20叠置，第一永磁体22具有比第二永磁体20的宽度更大的宽度。这些第二永磁体22还具有比第一永磁体20更高的剩磁，以改善电机的效率。
总之，通过架构构件23的宽度增加部分36以及第一永磁体22相对于第二永磁体的宽度增加，实现了电枢齿18的宽度增加。由此可见，电枢齿18和定子齿16之间界面中的磁通密度是中等的，从而导致较少的漏磁，并且导致永磁体20、22的不可逆退磁的降低趋势。
在本实施例中，电枢齿的宽度增加、以及每个电枢齿使用两个永磁体，都是可选择的。
此外，不是每个电枢齿必须包括两个永磁体。
本发明不限于本文公开的实施例，而是可以在所附专利权利要求范围内进行变化。
附图标记列表
10 磁通切换永磁直线电机
12 动子
13 电枢
14 定子
15 电枢架构
16 定子齿
18 电枢齿
20 第二永磁体
21 电枢基座-架构基座
22 第一永磁体
23 电枢构件-架构构件
24 架构构件的面向永磁体的第一侧部
26 架构构件的面向槽的第二侧部
28 槽内电枢绕组的水平
30 槽
32 电枢绕组-铜线
36 架构构件的宽度延伸部分
l 垂直于动子区域的长度方向
d 第二永磁体在电枢基部上的伸出部
w 沿动子的长度或移动方向的电枢宽度方向
a 气隙