双边初级永磁型次级无轭部直线电的制造方法
【专利摘要】一种双边初级永磁型次级无轭部直线电机。该电机包括双边初级和次级，双边初级与次级之间具有气隙。单边初级包括m个导磁电枢极和集中电枢绕组，m为电机的相数。每个电枢极靠近次级的端部由n个磁极和n-1或n个导磁齿或磁极交替贴装组成，相邻两电枢极的相对位移为λ1＝(j±1/m)τs，n，m，j均为正整数。m相电枢极通过导磁材料相连。次级由导磁块组成，相邻导磁块可以间隔排列也可采用连接桥相连。双边初级与次级的相对位置相同。本发明省去了次级轭部，不仅提高电机输出功率密度，而且节省次级材料，在长距离驱动场合可提高系统效率，降低系统低成本，在以次级为动子的驱动系统中可提高系统的功率密度和带载能力。可对偶演化得到双边次级、初级无轭部的永磁直线电机。
【专利说明】双边初级永磁型次级无轭部直线电机
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种双边初级永磁型次级无轭部直线电机，属于电机制造【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 随着工业的发展，直线电机得到广泛的应用。与传统的旋转电机驱动方式相比，采 用直线电机驱动省去了把旋转运动转换为直线运动的机械齿轮，可以降低成本，较小噪声， 降低系统体积，减低维护成本。在如轨道交通、高层楼宇电梯、工厂运输等长距离驱动场合， 采用旋转电机驱动方式会带来驱动结构复杂、成本高、动态响应慢等缺点。因此，采用直线 电机代替旋转电机这一技术手段，可以克服旋转电机在上述应用场合中的上述缺点，提高 整个系统的效率。
[0003] 我国是稀土永磁大国，随着电力电子和磁性材料的发展，永磁无刷电机得到迅速 的发展。此类电机具有高效率、高功率密度等优点。其相应的直线结构也被广泛研究。传 统的永磁直线同步电机兼有永磁电机和直线电机的双重优点。与直线感应电机相比，永磁 直线同步电机的推力密度高、体积小、重量轻，且具有发电制动功能。然而，由于传统的永磁 电机的永磁体和电枢绕组分别安装在初级和次级，而永磁体和电枢的成本都较高，在如轨 道交通、高层楼宇电梯、工厂运输等长距离中无疑导致系统的制造成本和维护成本大幅增 力口。初级永磁电机次级结构简单，仅由导磁铁心组成，在上述长距离驱动中不仅具有永磁直 线电机功率密度高，效率高，功率因数高等优点，而且具有直线感应电机和开关磁阻直线电 机结构简单，成本低，易于维护等优点。但传统的单边或双边初级电机次级轭部铁心所占的 比重较大，带来材料的浪费和成本提高。为进一步提高初级永磁电机的功率密度和降低次 级的成本，本发明提出一种双边初级永磁型次级无轭部直线电机。本发明提高了电机的输 出功率，降低了次级的成本和重量，既可为长距离驱动场合提供一种功率密度高，成本低的 解决方案，又可为以次级作为运动部件的驱动方式提供一种功率密度高，带载能力强的驱 动方案。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种可降低制造成本，提高电机功率密度和带负载能力， 降低维护成本的双边初级永磁型次级无轭部直线电机。
[0005] 为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
[0006] 本发明的双边初级永磁型次级无轭部直线电机包括双边初级和次级，两者之间具 有气隙。单边初级包括m个导磁电枢极和集中电枢绕组，m为电机的相数。每个导磁电枢极 靠近次级的端部由η块永磁体和n-1或η块导磁齿（也可为永磁体）交替贴装组成，导磁 齿和永磁体宽度近似相等，导磁电枢极端部宽度为τρ ;集中电枢绕组套在电枢齿上，相邻 两电枢极的相对位移为λ 1 = (j ± Ι/m) τ s, n, m, j均为正整数，τ s为次级极距，τ ρ/ τ s =(2η-1)/2或η ;m相电枢极的结构和永磁体的充磁方向相同并通过导磁材料相连构成单 边初级；双边初级与次级的相对位置相同，且二者对应的永磁体充磁方向相同；次级由导 磁块组成，相邻导磁块之间的距离为次级极距τ s，次级相邻导磁块间隔排列或采用连接桥 相连；次级导磁块为双边初级永磁体组成串联磁路提供了通道，构成了一种新型双边串联 磁路初级永磁直线电机。
[0007] 当上述导磁电枢极端部由η块永磁体和n-1或η块导磁齿交替贴装组成时，永磁 体的充磁方向都相同；当导磁电枢极仅由2η-1或2η块永磁体贴装组成时，相邻永磁体的充 磁方向相反。
[0008] 上述次级由导磁块组成或由导磁块和连接桥组成，次级可用非导磁材料填充紧固 (如压铸铝等），本发明的主要特点是次级导磁块为双边初级永磁体组成串联磁路提供了 通道，从而构成了一种新型串联磁路双边初级永磁型次级无轭部直线电机。由于次级上既 无永磁体也无绕组，仅仅由价格较低的导磁块组成，使得本发明特别适用于如轨道交通、高 层楼房电梯等长定子应用场合，可以大大降低系统的成本。同时由于动子仅由导磁块组成， 导磁块之间无轭部，其重量轻，在短距离弹射系统可以提高系统的功率密度和带负载能力。
[0009] 上述双边两初级与次级的相对位置相同，且其对应的永磁体充磁方向相同。因此， 双边初级对应的永磁体通过气隙，次级导磁块,其他相导磁电枢极组成串联磁路。
[0010] 上述双边初级永磁型次级无轭部直线电机的初级和次级一个为固定部件，另一个 为运动部件，其结构可为双边平板结构或圆筒型结构，可为电动机或发电机。
[0011] 上述双边初级永磁型次级无轭部直线电机构成的电机模组，包括X个所述双边初 级永磁型次级无轭部直线电机，X为正整数；X个所述双边初级永磁型次级无轭部直线电机 与次级的相对位置可以相同也可以两两互差180°电角度（即半个次级极距），χ个所述电 机绕组可串联构成一个电机也可分开单独控制。
[0012] 将上述双边初级永磁型次级无轭部直线电机对偶演化可构成初级无轭部双次级 永磁型直线电机。对偶演化步骤如下，沿着上述电机的次级水平轴线切成上、下两部分，将 水平轴线一边的次级及初级沿着垂直方向向另一边移动，直至两初级轭部重合，同时增加 双边次级轭部，减小或去除初级轭部，即可得到一种初级无轭部双次级永磁型直线电机。
[0013] 本发明电机的永磁体和电枢绕组均放置在初级上，次级结构简单，无绕组、无电 刷、无永磁体，仅为导磁块，导磁块之间可以间隔开，也可以采用连接桥相连。永磁体置于初 级，易于散热，可靠性高。与传统的初级永磁直线电机相比，本发明次级仅由导磁块组成，相 邻导磁块之间不需要导磁轭部，其结构更简单，不仅大大降低次级的成本和重量，而且具有 更高的功率密度。从磁路结构上来说，本发明是一种新型串联磁路双边初级永磁型次级无 轭部直线电机。初级和次级均可采用模块化设计，模块化结构有利于生产和安装，特别适用 于长定子应用场合，可以大大降低系统成本。
[0014] 当次级作为短动子时，由于其结构简单，无永磁体、无电刷、重量轻，在短距离弹射 驱动系统中不仅可以提高弹射系统的功率密度，而且可以提高弹射系统的带负载能力和系 统的可靠性。
[0015] 因此，本发明具有广泛的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1本发明实施例1电机结构示意图
[0017] 图2实施例1电机Α相绕组磁链达到正最大位置磁力线分布图
[0018] 图3实施例1电机A相绕组磁链达到负最大位置磁力线分布图 [0019] 图4本发明实施例2电机结构示意图；
[0020] 图5本发明实施例2又一电机结构示意图；
[0021] 图6本发明实施例3电机结构示意图；
[0022] 图7本发明实施例4电机结构示意图；
[0023] 图8本发明实施例5电机结构示意图；
【具体实施方式】：
[0024] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合
【具体实施方式】，进一步阐述本发明。
[0025] 实施例1 :
[0026] 如图1所示，本发明包括双边初级11、次级10和集中绕组113,所述初级11和次 级10之间具有气隙。单边初级11包括m个导磁电枢极110和集中电枢绕组113，m = 3为 电机的相数；每个导磁电枢极110靠近次级的端部由η块永磁体112和n-1个导磁齿114 交替贴装组成，η = 2,导磁齿114和永磁体112宽度近似相等，导磁电枢极110端部宽度 为τ ρ ;集中电枢绕组113套在导磁电枢极110上，相邻两电枢极110的相对位移为λ 1 = (j-1/m) τ s，m = 3, j = 3，τ s 为次级极距，τ ρ/ τ s = (2η_1)/2 = 3/2, η = 2 ;3 相导磁 电枢极110的结构和永磁体112的充磁方向相同并通过导磁材料111相连构成单边初级； 双边初级11与次级10的相对位置相同，且二者对应的永磁体112充磁方向相同；次级由导 磁块101组成，相邻导磁块101之间的距离为次级极距τ s，次级相邻导磁块1〇1间采用连 接桥100相连；次级导磁块101为双边初级永磁体组成串联磁路提供了通道，构成了一种新 型双边串联磁路初级永磁直线电机。
[0027] 本实施例中，次级10中相邻导磁块101之间采用连接桥100相连，本实施例中初 级为短动子，次级10为长定子，图1仅给出部分次级结构。
[0028] 本实施例中，单边初级11有三相集中绕组113(即图1中Al，Bl，C1或All，Β11， C11)，属于同相绕组串联或并联组成一相绕组。
[0029] 本实施例中，单边初级11中所有永磁体112充磁方向相同，双边两初级11与次级 10的相对位置相同，且其对应的永磁体充磁方向也相同,其对应的绕组绕线方式相同，绕组 中的电流相位相同。由图1可知，双边初级中属于同相永磁体通过次级导磁块101，气隙，初 级导磁轭部111，及其他相导磁齿114组成串联磁路。
[0030] 为了说明本发明电机的工作原理，图2和图3给出了本发明电机在不同位置时的 磁力线分布。当初级11动子以一定速度运动到图2所示位置时，B、C相的永磁体通过次级 导磁块101,气隙,初级导磁轭部111,及A相导磁齿114组成串联磁路，其主磁通路径如图 中箭头所示，此时A相导磁齿与次级导磁块对齐，A相绕组中匝链的磁链为正的最大值，A相 绕组中的反电势幅值为零；当初级11动子继续以一定速度运动τ s/4距离，此时A相绕组 中匝链的磁链为零，A相绕组中的反电势幅值为正的最大值；当初级11动子继续以一定速 度运动τ s/4距离，即图3所示位置时，A相的永磁体通过次级导磁块101，气隙，初级导磁 轭部111，及B、C相导磁齿114组成串联磁路，其主磁通路径及方向如图3中箭头所示，此 时A相永磁体112与次级导磁块101对齐，A相绕组中匝链的磁链为负的最大值，A相绕组 中的反电势幅值为零；当初级11动子继续以一定速度运动τ s/4距离，A相绕组中匝链的 磁链近似为零，则此时A相绕组中的反电势幅值达到负的最大值。当初级运动一个电气周 期360° (即移动τ s距离）过程中，其磁链和反电势的变化波形近似为正弦波。
[0031] 本发明的结构有如下特点：第一，次级10所受到双边初级11的法向吸力相互抵 消，从而减小系统的摩擦损耗。第二，同相导磁电枢极上的永磁体112通过次级导磁块101， 气隙，初级导磁轭部111，及其他相导磁齿114组成串联磁路，省去次级10轭部材料，从而大 大降低了次级10的成本和重量，提高了该电机系统的功率密度和带负载能力。本实施例取 η = 2,当η为其他正整数时，按照本发明权利要求的方法也可得到多台电机，本发明不再详 述。
[0032] 实施例2 :
[0033] 图4为由X个（χ = 2)实施例1电机所组成的电机模组，两个实施例1电机之间 的相对位移为λ 2 = 8 τ s，即两实施例1电机与次级的相对位置相同。两实施例1电机双 边初级轭部由导磁材料或非导磁材料115组成。本实施例中单边初级中每相绕组由两个集 中绕Α1和Α2串联或并联组成，二者对应相的电枢绕组绕线方向相同。双边初级11属于同 相的绕组可以串联或并联组成一相绕组。
[0034] 图5也为由X个（X = 2)实施例1电机所组成的电机模组，两个实施例1电机直 之间的相对位移为λ 2 = (8+0. 5) τ s，即两实施例1电机与次级的相对位置互差180°电 角度。两实施例1电机双边初级轭部由导磁材料或非导磁材料115组成。本实施例中单边 初级中每相绕组由两个集中绕Α1和Α2串联或并联组成。当集中绕Α1和Α2串联组成Α相 绕组时，集中绕A1和A2的绕线方向相反，从而保证A相绕组反电势幅值为集中绕A1和A2 基波幅值的两倍，此时集中绕A1和A2中的高次谐波相互抵消，因此可以提高A相绕组反电 势的正弦性。同时，正是由于两实施例1电机之间互差180°电角度，二者的定位力相互抵 消，从而大大降低了电机模组的定位力。双边初级11属于同相的绕组可以串联或并联组成 一相绕组。
[0035] 实施例3 :
[0036] 图6为由X个（x = 2)实施例2电机所组成的电机模组。与实施例2图4所示电 机的不同之处在于，本实施例所述的电机双边初级11作为固定部件，短次级10作为短运动 部件。本发明在电磁弹射和短距离运输系统中，可以提高驱动系统的带负载能力和功率密 度。
[0037] 实施例4 :
[0038] 如图7所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，每个导磁电枢极110靠近次级 的端部由2n-l个永磁体交替贴装组成，η = 2。相邻两永磁体的充磁方向相反。本实施例 除了具有实施例1的特点之外，还具有如下特点：将导磁齿114换成了永磁体112可进一步 增强电机的功率密度，减小绕组电感。由多个本实施例电机，按照实施例2和实施例3的方 法也可以得多个新的电机模组，本发明不再详述。
[0039] 实施例5 :
[0040] 如图8所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例是一台初级无轭部双 次级永磁型直线电机。本实施例可由实施例1电机对偶演化得到，对偶演化步骤如下：将实 施例1所属电机沿着次级10水平轴线切成上、下两部分，将水平轴线一边的次级10及初级 11沿着垂直方向另一边移动，直至两初级轭部重合，同时增加双边次级轭部，减小或去除初 级轭部，即可得到一种初级无轭部初级永磁直线电机。本实施例特点是在长距离驱动系统 中可以减轻初级的重量，提高系统的动态性能，降低系统成本。由多个本实施例电机，按照 实施例1、2、3和4的方法也可以得多个新的电机模组，本发明不再详述。
[0041] 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。
【权利要求】
1. 双边初级永磁型次级无轭部直线电机，包括双边初级（11)、次级（10)和集中绕组 (113)，所述初级（11)和次级（10)之间具有气隙，其特征在于， 所述单边初级（11)包括m个导磁电枢极（110)和集中电枢绕组（113)，m为电机的相 数；每个导磁电枢极（110)靠近次级的端部由η块永磁体（112)和n-1或η块导磁齿（也 可为永磁体）（114)交替贴装组成，导磁齿和永磁体宽度近似相等，导磁电枢极（110)端部 宽度为τ ρ;集中电枢绕组（113)套在电枢齿（110)上，相邻相两电枢极（110)的相对位移 为λ 1 = (j ± Ι/m) τ s, n, m, j均为正整数，τ s为次级极距，τ ρ/ τ s = (2η_1) /2或n ;m相 电枢极的结构和永磁体的充磁方向相同并通过导磁材料（111)相连构成单边初级（11);双 边初级与次级的相对位置相同，且二者对应的永磁体充磁方向相同； 所述次级（10)由导磁块（101)组成，相邻导磁块（101)之间的距离为次级极距ts，次 级相邻导磁块（101)间隔排列或采用连接桥（100)相连；次级导磁块（101)为双边初级永 磁体组成串联磁路提供了通道，构成了一种新型串联磁路双边初级永磁直线电机。
2. 根据权利要求1所述的双边初级永磁型次级无轭部直线电机，其特征在于，当导磁 电枢极（110)靠近次级的端部由η块永磁体（112)和n-1或η块导磁齿（114)交替贴装组 成时，永磁体的充磁方向相同；当导磁电枢极（110)仅由2η-1或2η块永磁体（112)贴装组 成时，相邻永磁体（112)的充磁方向相反。
3. 根据权利要求1所述的次级无轭部双边初级永磁直线电机，其特征在于，所述次级 (10)由导磁块（101)组成或由导磁块（101)和连接桥（100)组成，次级（10)可用非导磁材 料填充紧固（如压铸铝等），为进一步紧固次级，导磁块（101)上可留有安装孔。
4. 根据权利要求1所述的双边初级永磁型次级无轭部直线电机，其特征在于，所述初 级和次级一个为固定部件，另一个为运动部件，其结构可为双边平板结构或圆筒型结构，可 作电动机或发电机运行。
5. 由权利要求1?5所述的双边初级永磁型次级无轭部直线电机构成的电机模组，其 特征在于，包括X个所述双边初级永磁型次级无轭部直线电机，X为正整数；X个所述双边 初级永磁型次级无轭部直线电机与次级的相对位置可以相同也可以两两互差180°电角度 (即半个次级极距τ s)，X个所述电机绕组可串联构成一个电机也可分开单独控制。
6. 由权利要求1?6所述的双边初级永磁型次级无轭部直线电机，对偶演化构成初级 无轭部双次级永磁型直线电机，其特征在于，中间初级相邻相导磁电枢极间隔排列或采用 连接桥相连，双边次级具有导磁轭部。
【文档编号】H02K41/03GK104065234SQ201310615676
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】曹瑞武, 黄文新 申请人:南京航空航天大学