一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机的制作方法

本发明涉及的是一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，属于电机制造技术领域。

背景技术：

随着工业的发展，电机在各类场合应用越来越广泛。在轨道交通、垂直升降等领域，传统旋转电机需要依靠机械传动装置，将旋转力矩转换为黏着式推力，导致效率较低，并且输出推力受到轨道状况、摩擦系数等因素影响，因此其应用受到了一定的限制。与旋转电机相比，直线电机驱动系统直接产生电磁力，具有推力非黏着、体积小、功率密度高的优点，因此在轨道交通、垂直升降等领域应用前景光明。

近年来，直线感应电机在国内外轨道交通领域应用广泛。直线感应电机的次级仅由感应板与导磁板构成，初级由电枢绕组与铁心构成，具有结构简单，体积小，成本低的优点，但是直线感应电机涡流损耗较高，因此效率与功率因数较低，同时直线感应电机的控制较为复杂，因此其长期运营成本与系统成本较高。

传统永磁直线同步电机的效率、功率因数、功率密度均较高；然而该类电机的永磁体置于次级，沿轨道铺设，次级成本高昂，且定位力较大，同时，传统永磁电机的弱磁性能较差，难以实现高速下的恒功率控制，调速范围有限，这些缺点极大地限制了其在长行程领域的应用。

近年来，开关磁阻电机在轨道交通领域的应用受到了相关学者的关注。开关磁阻电机的次级仅由导磁材料构成，结构简单，初级仅由电枢绕组与导磁材料构成，不含永磁体，因此成本较低且容错性能较好。然而，开关磁阻电机的转矩波动较大，噪声较高，同时功率密度与功率因数较低，较高的能耗与高昂的系统成本限制了其在轨道交通领域的应用。

现有研究结果表明，初级混合励磁型电机兼具次级结构简单、功率密度高、功率因数高、便于调节励磁磁场、便于实现弱磁调速的优点，因此，研究初级混合励磁型直线电机具有重要意义。该类电机在长距离轨道交通、海浪发电、垂直升降等领域都有着广泛的应用前景。

技术实现要素：

针对现有技术上存在的不足，本发明目的在于提供一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，该电机将永磁体置于初级，次级结构简单可靠，定位力小，且有效提高了电机的功率密度与功率因数，进而提高了其效率与功率因数。此外，本发明中的互补式结构可以有效降低电机的推力波动，进而降低电机运行时的噪声，提升其可靠性。

本发明提出一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，包括初级11和次级10，所述初级11与次级10之间具有气隙，所述初级11包括初级模块110，所述次级10为齿槽结构；

每个所述初级模块110包括一个u形导磁材料111和电枢绕组112，以及设置于u形导磁材料111槽口处的永磁体113；

m*n个连续所述初级模块110构成一个初级模组115；所述初级模组115中，每连续n个所述初级模块110为同相初级模块110；连续k个所述初级模组115构成完整的电机；

相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离为λ1；相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离为λ2；当n≥2时，同一初级模组115中相邻两个同相初级模块100中轴线之间的距离为λ3，相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离为τs；其中λ1、λ2、λ3和τs满足如下关系：

或

其中，m为相数，n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数，i、j、p为自然数，k为初级模组115数，h为通过b类结构消除的推力谐波次数。

进一步地，同一所述初级模块110内的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同相。

进一步地，永磁体113水平充磁，相邻永磁体113的充磁方向相同。

更进一步地，当λ1、λ2、λ3和τs满足a类关系时，k个所述初级模组115串联构成一个整体或分开控制。

更进一步地，当λ1、λ2、λ3和τs满足b类关系时，电机形成互补结构，所述k个连续初级模组115分开控制，相邻初级模组115的供电相差1/(2h)个电周期。

作为一种优选，该电机还包括在相邻所述初级模块110间的连接桥114，所述连接桥114为导磁或非导磁材料。

作为上述电机的一种变换形式，该电机以所述次级10下边沿或初级11上边沿为轴垂直翻转，构成双边平板结构电机。

作为一种优选，所述电枢绕组112为铜或超导材料。

作为上述电机的一种变换形式，所述一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机为发电机或电动机。

本发明电机主要存在如下优点：

本发明提出的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，具有次级结构简单，便于维护，定位力较小的特点。本发明改善了传统开关磁阻电机效率、功率因数较低的缺点，通过初级永磁式结构有效提升了电机的功率密度、效率与功率因数，进而降低了电机长期运行成本与系统成本。此外，通过不同初级模组之间的分开控制，本发明实现了指定次数的推力谐波进行消除，进而有效减小电机推力波动与噪声，提升其可靠性，降低对系统要求。同时，本发明作为电动机运行时，适用于对电机功率密度与效率有一定要求的场合，例如轨道交通与垂直升降驱动电机。作为发电机运行时，该电机适合于海浪发电等领域。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图；

图2本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图；

图3本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图；

图4本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图；

图5本发明一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机实施例1电机结构示意图；

其中，10-次级，11-初级，100-次级齿，110-初级模块，111-u形导磁材料，112-电枢绕组，113-永磁体，114-连接桥，115-初级模组。

具体实施方式

本发明提供一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，包括初级11和次级10，所述初级11与次级10之间具有气隙，所述初级11包括初级模块110，所述次级10为齿槽结构；

每个所述初级模块110包括一个u形导磁材料111和电枢绕组112，以及设置于u形导磁材料111槽口处的永磁体113；

m*n个连续所述初级模块110构成一个初级模组115；所述初级模组115中，每连续n个所述初级模块110为同相初级模块110；连续k个所述初级模组115构成完整的电机；

相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离为λ1；相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离为λ2；当n≥2时，同一初级模组115中相邻两个同相初级模块100中轴线之间的距离为λ3；相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离为τs；其中λ1、λ2、λ3和τs满足如下关系：

或

其中，m为相数，n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数，i、j、p为自然数，k为初级模组115数，h为通过b类结构消除的推力谐波次数。

进一步地，同一所述初级模块110内的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同相。

进一步地，永磁体113水平充磁，相邻永磁体113的充磁方向相同。

更进一步地，当λ1、λ2、λ3和τs满足a类关系时，k个所述初级模组115串联构成一个整体或分开控制。

更进一步地，当λ1、λ2、λ3和τs满足b类关系时，电机形成互补结构，所述k个连续初级模组115分开控制，相邻初级模组115的供电相差1/(2h)个电周期。

作为一种优选，该电机还包括在相邻所述初级模块110间的连接桥114，所述连接桥114为导磁或非导磁材料。

作为上述电机的一种变换形式，该电机以所述次级10下边沿或初级11上边沿为轴垂直翻转，构成双边平板结构电机。

作为一种优选，所述电枢绕组112为铜或超导材料。

作为上述电机的一种变换形式，所述一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机为发电机或电动机。

实施例1

参见图1，本发明的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，λ1、λ2、λ3和τs满足a类关系，

本实施例中，m＝3，n＝1，k＝2，i＝2，(1)式中正负号取负。因此，λ1＝5/3τs，λ2＝3λ1＝5τs。其中，m为相数，n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数，k为完整初级11具有的初级模组115数，λ1为相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离；λ2为相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离；当n≥2时，λ3为同一初级模组115中相邻两个同相初级模块100中轴线之间的距离；τs为相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离。

本实施例中的一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，包括初级11和次级10，初级11与次级10之间具有气隙。初级11包括初级模块110，次级10为齿槽结构。每个初级模块110包括一个u形导磁材料111和电枢绕组112，以及设置于u形导磁材料111槽口处的永磁体113。永磁体113采用水平充磁，相邻永磁体113充磁方向相同，均为向左。每个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同一相。本实施例中，初级模块110的电枢绕组自左向右为a相-b相-c相循环。适用于传统开关磁阻电机的驱动方式同样适用于本发明，本实施例中的2个初级模组115可采用串联供电或分开控制。

本实施例中m＝3，即电机为三相电机，包含a、b、c三相，每m*n＝3个初级模块110组成一个初级模组115，每个初级模组115中每相仅由n＝1个初级模块110构成，因此，λ3不具实际意义，k＝2个初级模组115构成完整的初级11。

本实施例的结构特点如下：第一，对比传统开关磁阻电机，本发明为初级永磁式结构，功率密度以及功率因数更高；第二，对比传统永磁电机，本发明在空载时永磁体磁路由u型导磁材料短路，几乎不经过气隙，因此定位力较小，同时，永磁体的利用率也更高；第三，次级仅为齿槽结构的导磁材料，结构简单，便于维护，成本较低；第四，电机采用模块化结构，便于生产制造。

实施例2

图2也为一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，λ1、λ2、λ3和τs满足a类关系，

本实施例中，m＝3，n＝2，k＝1，i＝4，p＝2，(1)式中正负号取正。因此，λ1＝13/3τs，λ3＝2τs。其中，m为相数，n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数，k为完整初级11具有的初级模组115数，λ1为相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离；λ2为相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离；当n≥2时，λ3为同一初级模组115中相邻两个同相初级模块100中轴线之间的距离；τs为相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离。

本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中，每m*n＝6个初级模块110组成一个初级模组115，每个初级模组115中每相由连续n＝2个初级模块110构成，本实施例中k＝1，单初级模组115即为完整的初级11，故λ2不具实际意义。

本实施例中，永磁体113采用水平充磁，相邻永磁体113充磁方向相同，均为向左。每个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同一相。本实施例中，初级模块110的电枢绕组自左向右为a相-a相-c相-c相-b相-b相。适用于传统开关磁阻电机的驱动方式同样适用于本发明。

本实施例的结构特点如下：第一，与实施例1相比，本实施例中的同相初级模块连续设置，可使各相供电更为紧凑，在大功率场合，降低供电设备设置的复杂程度，提高系统容错性；第二，一般情况下，针对(1)式或(4)式中正负号取正的情况，与不采用连续同相初级模块的结构相比，本实施例可以有效减小初级的长度，减小初级的体积，进而提升电机的功率密度。

实施例3

图3也为一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机，λ1、λ2、λ3和τs满足b类关系，

本实施例中，m＝3，n＝1，k＝2，i＝2，j＝0，h＝1，(4)式中正负号取负。因此，λ1＝5/3τs，λ2＝5.5τs。其中，m为相数，n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数，k为完整初级11具有的初级模组115数，λ1为相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离；λ2为相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离；当n≥2时，λ3为同一初级模组115中相邻两个同相初级模块100中轴线之间的距离；τs为相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离。

本实施例与实施例1的不同之处在于，相邻初级模组115与次级10的相对位置不同，错开1/(2h)个电周期，由此可以消除h次的推力谐波。

本实施例也为三相电机，包含a、b、c三相，本实施例中采用了互补式结构，每m*n＝3个初级模块110组成一个初级模组115，每个初级模组115中每相仅由n＝1个初级模块110构成，因此，λ3不具实际意义，k＝2个初级模组115构成完整的初级11。

本实施例中，永磁体113采用水平充磁，相邻永磁体113充磁方向相同，均为向左。每个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同一相。本实施例中，初级模块110的电枢绕组自左向右为a相-b相-c相循环。适用于传统开关磁阻电机的驱动方式同样适用于本发明。本实施例中的2个初级模组114由控制器分开控制。

本实施例的结构特点如下：通过采用互补式空间分布的模组，可以实现针对某次推力谐波的消除，进而降低推力波动，降低噪音，提升系统稳定性。

实施例4

图4也为一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机。本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例为一台五相电机，并且相邻初级模块110之间设有连接桥114。本实施例中，连接桥114的材料与u形导磁材料111相同，因此在制造时可直接制造整个初级。λ1、λ2、λ3和τs满足a类关系，

本实施例中，m＝5，n＝1，k＝2，i＝2，(1)式中正负号取负。因此，λ1＝9/5τs，λ2＝5λ1＝9τs。其中，m为相数，n为初级每个初级模组115中同相的初级模块110数，k为完整初级11具有的初级模组115数，λ1为相邻两相所述初级模块110中轴线之间的距离；λ2为相邻两个所述初级模组115中轴线之间的距离；当n≥2时，λ3为同一初级模组115中相邻两个同相初级模块100中轴线之间的距离；τs为相邻两个所述次级齿100中轴线之间的距离。

本实施例为五相电机，包含a、b、c、d、e三相，本实施例中采用了互补式结构，每m*n＝5个初级模块110组成一个初级模组115，每个初级模组115中每相仅由n＝1个初级模块110构成，因此，λ3不具实际意义，k＝2个初级模组115构成完整的初级11。

本实施例中，永磁体113采用水平充磁，相邻永磁体113充磁方向相同，均为向左。相邻初级模块110之间不设连接桥114，每个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同一相。本实施例中，初级模块110的电枢绕组自左向右为a相-b相-c相-d相-e相循环。适用于传统开关磁阻电机的驱动方式同样适用于本发明。本实施例中的2个初级模组115可串联控制或分开控制。

实施例5

图5也为一种模块化高推力密度开关磁阻直线电机。本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例为双边平板式电机。

以实施例1中电机的次级10下边沿为轴进行垂直翻转，构成的双边平板结构电机即为本实施例。本实施例中，永磁体113采用水平充磁，相邻永磁体113充磁方向相同，均为向左。相邻初级模块110之间不设连接桥114，每个初级模块110中的电枢绕组112绕线方向相反，且属于同一相。本实施例中，初级模块110的电枢绕组自左向右为a相-b相-c相循环。适用于传统开关磁阻电机的驱动方式同样适用于本发明。本实施例中的一侧的2个初级模组可以串联或分开控制，同时，本实施例的上下两边也可以串联或并联控制。

本实施例的结构特点如下：电机采用双边结构，可以有效提升电机的功率输出，适用于如垂直升降、长距离驱动等大功率场合。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。