一种高推力密度圆筒型横向磁通永磁直线电机

1.本发明涉及直线电机技术领域，具体为一种高推力密度圆筒型横向磁通永磁直线电机。


背景技术：

2.采用直线电机直接驱动负载进行单向或往复直线运动可避免传统旋转电机间接驱动负载时由中间机械转换传动装置带来的位置精度下降、系统效率降低、磨损加重、噪声增大等问题，具有显著的性能优势和良好的应用前景，高性能直线电机及其驱动系统成为了电机领域的一个重点研究方向。
3.相比于平板型直线电机，圆筒型直线电机可以有效规避横向端部效应，提升直线电机的推力密度。与此同时，鉴于传统圆筒型永磁直线电机的结构与磁路特点，该类电机往往存在着铁心加工复杂，装配难度大等问题。横向磁通电机技术是近年来的电机本体拓扑领域的新型技术，该类电机中主磁通回路所处平面与电机运动方向垂直，电机的电磁负荷在空间内相对解耦，能在一定范围内同时提高以实现电机推力密度的大幅提升。将横向磁通电机技术与圆筒型永磁直线电机技术相互结合，可在增大直线电机推力密度的同时降低电机铁心的加工及装配难度。然而，现有圆筒型横向磁通直线电机拓扑中，励磁永磁体的漏磁现象严重，有效磁通占比不高，气隙磁密较低，推力密度受限；同时，受横向磁通电机中磁通分布特点限制，现有横向圆筒型磁通直线电机的初级铁心间距为永磁体极距的2倍，相邻初级铁心间存在大量的冗余空间，造成了电机空间的浪费；综合上述因素，现有圆筒型横向磁通永磁直线电机的推力密度有待进一步提升。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高推力密度圆筒型横向磁通永磁直线电机，提高电机初级空间利用率，提高气隙磁通密度，有效增大电机的推力密度，同时消除初次极间法向力的影响。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高推力密度圆筒型横向磁通永磁直线电机，包括次级和初级，所述次级包括内侧次级和外侧次级，所述初级位于所述内侧次级与外侧次级形成的圆环状空间内，所述初级的运动方向与直线电机的轴线方向平行，所述内侧次级与初级之间、所述外侧次级与初级之间均形成电机的气隙。
6.进一步地，所述初级包括三个单相初级，三个所述单相初级分别形成直线电机的u相、v相和w相，所述初级的轴向长度小于所述次级的轴向长度。
7.进一步地，所述单相初级包括多个铁心组件，多个所述铁心组件沿着直线电机的轴向紧密排布，相邻两个所述铁心组件之间设置有初级间隔板，所述铁心组件包括初级铁心单元一和初级铁心单元二，所述初级铁心单元二与初级铁心单元一之间贴合设置有所述初级间隔板，所述初级上套有绕组，所述绕组为跑道形集中式。
8.进一步地，所述初级铁心单元一和初级铁心单元二均为圆环形状，所述初级铁心
单元一内外侧和初级铁心单元二的内外侧均沿自身圆周方向均匀开设有多个齿槽，所述初级铁心单元一内侧的齿槽与外侧的齿槽沿圆周方向交错排布，所述初级铁心单元二内侧的齿槽与外侧的齿槽沿圆周方向交错排布，所述初级铁心单元一的内侧齿中心线与相邻所述初级铁心单元二内侧的槽中心线对齐，所述初级铁心单元一的外侧齿中心线与相邻所述初级铁心单元二外侧的槽中心线对齐，所述初级铁心单元一与相邻所述初级铁心单元二的间距与所述次级的极距相同。
9.进一步地，所述绕组置于所述初级铁心单元一与初级铁心单元二内外侧齿槽围绕而成的内外侧导体槽之中，同一相内的所述绕组依次首尾串联形成单相初级绕组。
10.进一步地，所述内侧次级为圆环形状，所述内侧次级套装在电机轴，所述内侧次级包括多个内次级铁心，任意两个相邻的所述内次级铁心之间均设置有内次级永磁体，所述内次级铁心与内次级永磁体紧密排布，所述内次级永磁体的充磁方向平行于自身轴线方向，任意相邻两个所述内次级永磁体的充磁方向相反，多个所述内次级永磁体全部沿直线电机的运动方向依次对齐。
11.进一步地，所述外侧次级为圆环形状，所述外侧次级包括多个外次级铁心，任意两个相邻的所述外次级铁心之间均设置有外次级永磁体，多个所述外次级永磁体全部沿直线电机的运动方向依次对齐，且沿所述电机轴半径方向同一截面的外次级永磁体充磁方向与内次级永磁体充磁方向相反，所述外次级铁心与外次级永磁体紧密排布，任意相邻两个所述外次级永磁体的充磁方向相反；相邻两个所述外次级永磁体之间的极距等于相邻两个所述内次级永磁体之间的极距，相邻两个所述外次级永磁体之间的极距等于所述初级铁心单元一与相邻的所述初级铁心单元二之间的极距。
12.进一步地，所述初级为三相初级，直线电机的三相绕组均设置在所述初级上，所述初级的轴向长度大于所述次级的轴向长度。
13.进一步地，所述初级沿圆周方向均分为电机的三相，所述初级包括铁心组件一，多个所述铁心组件一沿着直线电机的轴向紧密排布，相邻两个所述铁心组件一之间设置有初级间隔板一，所述铁心组件一包括初级铁心单元三和初级铁心单元四，所述初级铁心单元三与初级铁心单元四之间贴合设置有所述初级间隔板一，所述初级上套有绕组一，所述绕组一为跑道形集中式。
14.进一步地，所述内侧次级设置有多个，多个所述内侧次级沿着所述初级的轴向紧密排列，所述内侧次级包括三个单列次级单元，三个所述单列次级单元沿初级的圆周方向紧密排列成圆环形，所述单列次级单元包括沿所述初级轴向排列的扇形内次级铁心和扇形内次级永磁体，任意相邻两个所述单列次级单元内的扇形内次级永磁体之间相互错开2/3的永磁体极距，所述外侧次级设置有多个，多个所述外侧次级沿着所述初级的轴向紧密排列，所述外侧次级包括三个单列次级，三个所述单列次级沿初级的圆周方向紧密排列成圆环形，所述单列次级包括沿所述初级轴向排列的扇形外次级铁心和扇形外次级永磁体，任意相邻两个所述单列次级内的扇形外次级永磁体之间相互错开2/3的永磁体极距，其中，所述扇形内次级永磁体的极距与扇形外次级永磁体的极距相同，沿直线电机的轴线方向内，所述扇形内次级永磁体的对称中心线与扇形外次级永磁体的对称中心线对齐，且沿任一垂直于电机轴的平面内，所述扇形内次级永磁体与相对应的所述扇形外次级永磁体的充磁方向相反。
15.本发明的有益效果是：1、通过双边次级（即内侧次级和外侧次级）单边初级的特殊磁路设计，使得各相初级内铁心单元的间距由传统横向磁通电机中的2倍永磁体极距降低为1倍永磁体极距，显著提高了直线电机初级空间的利用率。
16.2、通过电机内次级铁心和内次级永磁体、外次级铁心和外次级永磁体的聚磁效应，显著提高电机内外侧气隙内的有效磁通密度，相比于传统直线永磁电机和横向磁通直线电机，显著增大了交链绕组的永磁磁通，既能够提高直线电机的推力密度，也有利于提高电机的功率因数。
17.3、由于电机各初级在空间内相互独立，相间无磁路耦合，电机初级的铁心组件易于模块化设计，数量可由传统三相结构进一步拓展至多相结构，有利于提高了电机的容错能力。
18.4、电机设计为圆筒型双边结构，理论上消除法向力带来的附加摩擦力及导轨损耗问题，可延长直线导轨的使用寿命。
附图说明
19.图1为本发明一种高推力密度圆筒型横向磁通永磁直线电机中实施例一的整体剖面示意图；图2为本发明实施例一中单相初级的立体图；图3为本发明实施例一中单相初级的轴向视图；图4为本发明实施例一中初级铁心单元一的结构示意图；图5为本发明实施例一中初级铁心单元二的结构示意图；图6为本发明实施例一中初级间隔板的结构示意图；图7为本发明实施例一中次级的结构示意图；图8为本发明实施例一中次级的剖面示意图；图9为本发明实施例一中内侧次级的立体图；图10为本发明实施例一中外侧次级的立体图；图11为本发明实施例二的整体剖面示意图；图12为本发明实施例二中次级的立体图；图13为本发明实施例二中初级内绕组一的分布示意图；图14为本发明实施例二中次级的剖面示意图；图15为本发明实施例二中内侧次级的立体图；图16为本发明实施例二中外侧次级的立体图；图17为本发明一种高推力密度圆筒型横向磁通永磁直线电机中初级与次级的相对位置关系示意图；图18为本发明图17中a-a向剖视图的磁路分布规律示意图；图19为本发明图17中 b-b向剖视图的磁路分布规律示意图；图中，1-内侧次级，2-初级，3-外侧次级，4-初级铁心单元一，5-初级铁心单元二，6-初级间隔板，7-绕组，8-齿槽，9-内次级铁心，10-内次级永磁体，11-外次级铁心，12-电机轴，13-外次级永磁体，14-初级间隔板一，15-初级铁心单元三，16-初级铁心单元四，17-绕
组一，18-单列次级单元，19-扇形内次级铁心，20-扇形内次级永磁体，21-单列次级，22-扇形外次级铁心，23-扇形外次级永磁体，24-电机壳体，25-端盖。
具体实施方式
20.下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
21.实施例一、如图1至图10所示，一种高推力密度圆筒型横向磁通永磁直线电机，包括次级和初级2，次级包括内侧次级1和外侧次级3，初级2位于内侧次级1与外侧次级3形成的圆环状空间内，初级2的运动方向与直线电机的轴线方向平行，次级和初级2设置在电机壳体24内，电机壳体24的两端均设置有端盖25，内侧次级1与初级2之间、外侧次级3与初级2之间均形成电机的气隙，通过双边次级（即内侧次级和外侧次级）单边初级的特殊磁路设计，使得各相初级内铁心单元的间距由传统横向磁通电机中的2倍永磁体极距降低为1倍永磁体极距，显著提高了直线电机初级空间的利用率；初级2包括三个单相初级，三个单相初级分别形成直线电机的u相、v相和w相，初级2的轴向长度小于次级的轴向长度，即电机的初级2短、次级长，初次极间为电机的气隙，可见电机的各单相初级间无磁路耦合，具有很强的容错工作能力。
22.进一步地，如图2至图6所示，单相初级包括多个铁心组件，多个铁心组件沿着直线电机的轴向紧密排布，相邻两个铁心组件之间设置有初级间隔板6，铁心组件包括初级铁心单元一4和初级铁心单元二5，初级铁心单元二5与初级铁心单元一4之间贴合设置有初级间隔板6，初级2上套有绕组7，绕组7为跑道形集中式，绕组7为圆环形状，初级铁心单元一4和初级铁心单元二5均为圆环形状，初级铁心单元一4内外侧和初级铁心单元二5的内外侧均沿自身圆周方向均匀开设有多个齿槽8，初级铁心单元一4内侧的齿槽8与外侧的齿槽8沿圆周方向交错排布，初级铁心单元二5内侧的齿槽8与外侧的齿槽8沿圆周方向交错排布，初级铁心单元一4的内侧齿中心线与相邻初级铁心单元二5内侧的槽中心线对齐，初级铁心单元一4的外侧齿中心线与相邻初级铁心单元二5外侧的槽中心线对齐，初级铁心单元一4与相邻初级铁心单元二5的间距与次级的极距相同，绕组7置于初级铁心单元一4与初级铁心单元二5内外侧齿槽围绕而成的内外侧导体槽之中，同一相内的绕组依次首尾串联形成单相初级绕组，从而为电机内永磁体磁通提供规划好的路径，使得同一时刻内电机内充磁方向相反的永磁体所产生的磁通全部沿同一方向与电枢绕组交链，以交链磁通达到正向最大值时刻为例，传统横向磁通电机中铁心设置方式下同一时刻只有一种方向或一半的永磁体产生的磁通为有效磁通，造成永磁材料的浪费，而本发明的设置方式可以同时利用全部永磁体产生的磁通，显著提高电机的交链磁通数值和永磁体磁通利用率，进而提升电机的推力密度和功率密度；如图7至图10所示，内侧次级1为圆环形状，内侧次级1套装在电机轴12，内侧次级1包括多个内次级铁心9，任意两个相邻的内次级铁心9之间均设置有内次级永磁体10，内次级铁心9与内次级永磁体10紧密排布，内次级永磁体10的充磁方向平行于自身轴线方向，任意相邻两个内次级永磁体10的充磁方向相反，多个内次级永磁体10全部沿直线电机的运动方向依次对齐；外侧次级3为圆环形状，外侧次级3包括多个外次级铁心11，任意两个相邻的外次级铁心11之间均设置有外次级永磁体13，多个外次级永磁体13全部沿直线电机的运动方向依次对齐，且沿电机轴12半径方向同一截面的外次级永磁体13充磁方向与内
次级永磁体10充磁方向相反，外次级铁心11与外次级永磁体13紧密排布，任意相邻两个外次级永磁体13的充磁方向相反；相邻两个外次级永磁体13之间的极距等于相邻两个内次级永磁体10之间的极距，相邻两个外次级永磁体13之间的极距等于初级铁心单元一4与相邻的初级铁心单元二5之间的极距；通过电机内次级铁心9和内次级永磁体10、外次级铁心11和外次级永磁体13的聚磁效应，显著提高电机内外侧气隙内的有效磁通密度，相比于传统直线永磁电机和横向磁通直线电机，显著增大了交链绕组的永磁磁通，既能够提高直线电机的推力密度，也有利于提高电机的功率因数。
23.实施例二、如图11至图16所示，一种高推力密度圆筒型横向磁通永磁直线电机，包括次级和初级2，次级包括内侧次级1和外侧次级3，初级2位于内侧次级1与外侧次级3形成的圆环状空间内，初级2的运动方向与直线电机的轴线方向平行，次级和初级2设置在电机壳体24内，电机壳体24的两端均设置有端盖25，内侧次级1与初级2之间、外侧次级3与初级2之间均形成电机的气隙，初级2为三相初级，直线电机的三相绕组均设置在初级2上，初级2的轴向长度大于次级的轴向长度。该实施方式的三相绕组均放置于同一初级2上，节约了绕组端部所占用的电机空间，有利于提高直线电机的空间利用率和推力密度。
24.进一步地，如图11和图12所示，初级2沿圆周方向均分为电机的三相，即电机的初级沿圆周方向均分为三相，初级2包括铁心组件一，多个铁心组件一沿着直线电机的轴向紧密排布，相邻两个铁心组件一之间设置有初级间隔板一14，铁心组件一包括初级铁心单元三15和初级铁心单元四16，初级铁心单元三15与初级铁心单元四16之间贴合设置有初级间隔板一14，初级2上套有绕组一17，绕组一17为跑道形集中式，初级铁心单元三15的结构与实施例一中的初级铁心单元一4的结构一致，初级铁心单元四16的结构与实施例一中的初级铁心单元二5的结构一致，并且，初级铁心单元三15的组合方式与实施例一中的初级铁心单元一4的组合方式一致，初级铁心单元四16的组合方式与实施例一中的初级铁心单元二5的组合方式一致，区别在于绕组一17相对于绕组7由单相拓展为三相。
25.进一步地，如图13至图16所示，内侧次级1设置有多个，多个内侧次级1沿着初级2的轴向紧密排列，内侧次级1包括三个单列次级单元18，三个单列次级单元18沿初级2的圆周方向紧密排列成圆环形，单列次级单元18包括沿初级2轴向排列的扇形内次级铁心19和扇形内次级永磁体20，任意相邻两个单列次级单元18内的扇形内次级永磁体20之间相互错开2/3的永磁体极距，外侧次级3设置有多个，多个外侧次级3沿着初级2的轴向紧密排列，外侧次级3包括三个单列次级21，三个单列次级21沿初级2的圆周方向紧密排列成圆环形，单列次级21包括沿初级2轴向排列的扇形外次级铁心22和扇形外次级永磁体23，任意相邻两个单列次级21内的扇形外次级永磁体23之间相互错开2/3的永磁体极距，其中，扇形内次级永磁体20的极距与扇形外次级永磁体23的极距相同，沿直线电机的轴线方向内，扇形内次级永磁体20的对称中心线与扇形外次级永磁体23的对称中心线对齐，且沿任一垂直于电机轴的平面内，扇形内次级永磁体20与相对应的扇形外次级永磁体23的充磁方向相反，采用此处位置限定的效果在于实现三相电机所必须的各相之间互相错开120
°
电角度的理论特点，进而形成完美对称的三相电机，同时结合实施例一中的初级结构及其排布方式可以实现利用全部永磁体磁通、提升永磁体磁通利用率、提高电机推力密度的目的。
26.如图17至图19所示，为本发明直线电机内部示意结构的典型初级与次极相对位置，此时交链绕组的永磁磁通达到最大值。由图中所示的磁路分布规律可知：电机内交链绕
组的主磁通回路所处平面与电机运动方向互相垂直，说明本发明直线电机属于横向磁通直线电机的范畴；通过独特的磁路设计，两种不同结构的初级铁心组件（即实施例一中的单相初级与实施例二中的三相初级）内磁通交链绕组的方向一致；当直线电机中初级与次级相对位置不断变化时，交链绕组的永磁磁链呈双极性交替变化，将在绕组内产生双极性感应电动势，进而依据能量守恒定律，当绕组内通入相位适宜的交流电流时，直线电机将产生稳定的电磁推力；其中，附图内字母r代表电机的半径方向（径向），字母z代表电机的轴线方向（轴向），字母θ代表电机的圆周方向（周向）。
27.综上所述，由上述实施方式一和实施方式二的说明可知，所述横向磁通直线电机中内外侧次极永磁体均可提供交链绕组的永磁磁通，在电机体积、安匝数、电流密度等其他条件保持一致的前提下，该发明的电机结构有益于提升气隙磁通密度，增大横向磁通直线电机的推力密度，提高横向磁通直线电机的功率因数，有效改善了现有横向磁通直线电机中初级空间利用率偏低、推力密度偏低、功率因数偏低的问题。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端
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、
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顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；以及本领域普通技术人员可知，本发明所要达到的有益效果仅仅是在特定情况下与现有技术中目前的实施方案相比达到更好的有益效果，而不是要在行业中直接达到最优秀使用效果。
29.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。