反凸极永磁同步直线电机和旋转电机

1.本发明属于电机技术领域。


背景技术：

2.永磁同步直线电机系统因没有机械转换装置，所以其结构简单，运行可靠，控制精度高且系统响应快，能够被广泛应用在数控机床、石油、磁悬浮列车等领域。
3.现有的永磁同步直线电机多为表贴式永磁同步直线电机，采用直轴电流id＝0控制，因此无法利用电机的磁阻推力。为了得到更大的电磁推力，表贴式永磁同步直线电机空载反电动势e0一般设计较大，但由于结构所限，永磁体用量及布置方式不如内置式永磁同步直线电机灵活。当速度超过额定速度以后，因采用直轴电流id＝0的控制方式不能调节直轴去磁电流，且较大的e0值不利于弱磁，故速度运行范围小。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决目前表贴式永磁同步直线电机由于结构限制，导致永磁体用量及布置方式灵活度低，且无法利用磁阻推力、速度运行范围小的问题，现提供反凸极永磁同步直线电机和旋转电机。
5.反凸极永磁同步直线电机，包括初级1和次级，初级1和次级之间留有气隙8，次级包括：次级铁心2和多个永磁体3，多个永磁体3沿次级铁心2运动方向均匀排布并嵌固在次级铁心2内，永磁体3的充磁方向与次级铁心2运动方向同向，每个永磁体3的两侧均开有n层隔磁槽5，n为正整数，同一个永磁体3两侧的隔磁槽5镜像对称设置，隔磁槽5一端与永磁体3相连，隔磁槽5另一端朝向初级1方向延伸并向永磁体3两侧展开，隔磁槽5另一端突出于永磁体3边缘，每个永磁体3远离初级1的一端均顺次设有两个通槽4，两个通槽4之间的部分为第一磁桥6，永磁体3朝向初级1的一端与次级铁心2边缘之间的部分为第二磁桥7。
6.进一步的，上述通槽4内部填充有永磁材料或非磁性材料。
7.进一步的，上述永磁材料为稀土永磁体或非稀土永磁体。
8.进一步的，上述次级铁心2与初级1相邻的边包括2p段顺次连接的弧，其中p为极对数，隔磁槽5对应的气隙宽度小于永磁体3对应的气隙宽度。
9.进一步的，上述隔磁槽5内部填充有非导磁体，或隔磁槽5内局部填充永磁材料。
10.进一步的，上述隔磁槽5内永磁材料的充磁方向为永磁材料的厚度方向或次级铁心2的厚度方向。
11.进一步的，上述通槽4内部填充的永磁材料与隔磁槽5内永磁材料的磁路相互串联。
12.进一步的，永磁体3划分为若干小段，所有小段沿充磁方向的垂直方向排布，相邻两小段之间的部分为第三磁桥9。
13.进一步的，上述隔磁槽5为弧形或折线形。
14.反凸极永磁同步旋转电机，包括定子1-1和转子，定子1-1同轴套接在转子外，定子
1-1和转子之间留有气隙8，转子包括转子铁心1-2和多个永磁体3，多个永磁体3沿转子铁心1-2周向均匀排布并嵌固在转子铁心1-2内，永磁体3的充磁方向为转子铁心1-2切向，每个永磁体3的两侧均开有n层隔磁槽5，n为正整数，同一个永磁体3两侧的隔磁槽5镜像对称设置，隔磁槽5朝向转子铁心1-2圆心的一端与永磁体3相连，隔磁槽5另一端朝向转子铁心1-2外圆周方向延伸并向永磁体3两侧展开，隔磁槽5另一端突出于永磁体3边缘，每个永磁体3朝向转子铁心1-2圆心的一端均顺次设有两个通槽4，两个通槽4之间的部分为第一磁桥6，永磁体3朝向转子铁心1-2外圆周的一端与转子铁心1-2边缘之间的部分为第二磁桥7。
15.本发明所述的反凸极永磁同步直线电机，能够利用电机的磁阻推力且永磁体用量和形式设计更为灵活。由于电机直轴电枢电流的增磁作用，e0设计能够比表贴式结构低，同时，内置式反凸极结构直轴电感值大，在相同的气隙磁通密度条件下和普通凸极永磁同步直线电机相比具有更小的弱磁电流，更有利于提高速度运行范围。本发明所述的反凸极永磁同步直线电机能够提高总的电磁推力，还能够拓宽电机的调速运行范围。
16.本发明所述的反凸极永磁同步旋转电机，能够通过通入小数值的正向直轴电流获得正向的磁阻转矩且永磁体用量和形式设计更为灵活。由于电机直轴电枢电流的增磁作用，e0设计能够比表贴式结构低，同时，内置式反凸极结构直轴电感值大，在相同的气隙磁通密度条件下和普通凸极永磁同步电机相比具有更小的弱磁电流，更有利于提高速度运行范围。本发明所述的反凸极永磁同步旋转电机能够提高总的电磁转矩，还能够拓宽电机的调速运行范围。
附图说明
17.图1为具体实施方式一所述反凸极永磁同步直线电机的结构示意图；
18.图2为具体实施方式二所述反凸极永磁同步直线电机的结构示意图；
19.图3为具体实施方式三所述反凸极永磁同步直线电机的结构示意图；
20.图4为具体实施方式四所述反凸极永磁同步直线电机的结构示意图；
21.图5为具体实施方式五所述反凸极永磁同步直线电机的结构示意图；
22.图6为具体实施方式六所述反凸极永磁同步旋转电机的结构示意图。
23.初级1、次级铁心2、永磁体3、通槽4、隔磁槽5、第一磁桥6、第二磁桥7、气隙8、第三磁桥9、定子1-1、转子铁心1-2。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
25.具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，图1展示了本实施方式所述的反凸极永磁同步直线电机的主视图，该反凸极永磁同步直线电机包括沿线性路径设置的初级1和能够沿线性路径移动的次级，初级1和次级之间留有气隙8。初级1包括：初级铁心、绕组槽和嵌入绕组槽内的电枢绕组。
26.次级包括：次级铁心2和多个永磁体3。次级铁心2与初级1相邻的边包括2p段顺次连接的弧，其中p为极对数。多个永磁体3沿次级铁心2运动方向均匀排布并嵌固在次级铁心2内。永磁体3的充磁方向与次级铁心2运动方向同向。每个永磁体3的两侧均开有一层隔磁槽5。隔磁槽5为两段直线槽连接而成的折线形槽。同一个永磁体3两侧的隔磁槽5镜像对称设置。隔磁槽5一端与永磁体3相连，隔磁槽5另一端朝向初级1方向延伸并向永磁体3两侧展开、并突出于永磁体3边缘。隔磁槽5对应的气隙宽度小于永磁体3对应的气隙宽度。具体的，永磁体3朝向初级的端与次级铁心2边缘两条相邻弧的连接点(弧的最低点)正对，隔磁槽5朝向初级的端与次级铁心2边缘一条弧的最突出点正对。每个永磁体3远离初级1的一端均顺次设有两个通槽4。通槽4内部填充有永磁材料或非磁性材料。永磁材料为稀土永磁体(如钕铁硼)或非稀土永磁体(如铁氧体)。两个通槽4之间的部分为第一磁桥6；永磁体3朝向初级1的一端与次级铁心2边缘之间的部分为第二磁桥7。
27.本实施方式中，隔磁槽5在实际应用时可为空槽，或者内部整体填充非导磁体。隔磁槽5作为交轴磁路的磁障，其磁阻很大，能够减小交轴电感，提高电机的反凸极比(注：这里反凸极比指的是直轴与交轴电感的比值)，有利于提高磁阻推力。而本实施方式中折线形槽的加工制作工艺简单，如部分槽内放置永磁材料，矩形永磁材料充磁更方便、工艺简单、成本较低。
28.本实施方式中，电机反凸极永磁同步直线电机为单边平板结构或双边平板结构。
29.具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，图2展示了本实施方式所述的反凸极永磁同步直线电机的主视图，该反凸极永磁同步直线电机包括沿线性路径设置的初级1和能够沿线性路径移动的次级，初级1和次级之间留有气隙8。初级1包括：初级铁心、绕组槽和嵌入绕组槽内的电枢绕组。
30.次级包括：次级铁心2和多个永磁体3。次级铁心2与初级1相邻的边包括2p段顺次连接的弧，其中p为极对数。多个永磁体3沿次级铁心2运动方向均匀排布并嵌固在次级铁心2内。永磁体3的充磁方向与次级铁心2运动方向同向。每个永磁体3的两侧均开有一层弧形的隔磁槽5。同一个永磁体3两侧的隔磁槽5镜像对称设置。隔磁槽5一端与永磁体3相连，隔磁槽5另一端朝向初级1方向延伸并向永磁体3两侧展开、并突出于永磁体3边缘。隔磁槽5对应的气隙宽度小于永磁体3对应的气隙宽度。具体的，永磁体3朝向初级的端与次级铁心2边缘两条相邻弧的连接点(弧的最低点)正对，隔磁槽5朝向初级的端与次级铁心2边缘一条弧的最突出点正对。每个永磁体3远离初级1的一端均顺次设有两个通槽4。通槽4内部填充有永磁材料或非磁性材料。永磁材料为稀土永磁体(如钕铁硼)或非稀土永磁体(如铁氧体)。两个通槽4之间的部分为第一磁桥6；永磁体3朝向初级1的一端与次级铁心2边缘之间的部分为第二磁桥7。
31.本实施方式中，隔磁槽5在实际应用时可为空槽，或者内部整体填充非导磁体。本实施方式中的弧形槽弧面比折线平缓。折线两个线段之间会形成一个角，该角处铁心会有饱和现象。而弧形槽不存在折角，能够改善折线形槽所形成的角处的铁心饱和。又或者隔磁槽5内局部填充永磁材料。当隔磁槽5内局部填充永磁材料时，永磁材料的充磁方向为永磁材料的厚度方向、次级铁心2的厚度方向或弧形槽的径向，如图2中虚线箭头所指方向。弧形永磁体径向充磁比平行充磁磁密略大。通槽4内部填充的永磁材料与隔磁槽5内永磁材料的磁路相互串联。
32.本实施方式中，电机反凸极永磁同步直线电机为单边平板结构或双边平板结构。
33.具体实施方式三：参照图3具体说明本实施方式，图3展示了本实施方式所述的反凸极永磁同步直线电机的主视图，该反凸极永磁同步直线电机包括沿线性路径设置的初级1和能够沿线性路径移动的次级，初级1和次级之间留有气隙8。初级1包括：初级铁心、绕组槽和嵌入绕组槽内的电枢绕组。
34.次级包括：次级铁心2和多个永磁体3。次级铁心2与初级1相邻的边包括2p段顺次连接的弧，其中p为极对数。多个永磁体3沿次级铁心2运动方向均匀排布并嵌固在次级铁心2内。永磁体3的充磁方向与次级铁心2运动方向同向。永磁体3划分为两小段，所述两小段沿充磁方向的垂直方向排布，两段之间的部分为第三磁桥9。第三磁桥9和永磁体3相比，第三磁桥9处铁心的磁阻远小于永磁体3，第三磁桥9为直轴磁路提供的磁阻小，有利于增加直轴电感值，提升电机的速度运行范围，同时增大了电机的反凸极比，有利于提高磁阻推力。
35.每个永磁体3的两侧均开有一层隔磁槽5。隔磁槽5为两段直线槽连接而成的折线形槽。同一个永磁体3两侧的隔磁槽5镜像对称设置。隔磁槽5一端与永磁体3相连，隔磁槽5另一端朝向初级1方向延伸并向永磁体3两侧展开、并突出于永磁体3边缘。隔磁槽5对应的气隙宽度小于永磁体3对应的气隙宽度。具体的，永磁体3朝向初级的端与次级铁心2边缘两条相邻弧的连接点(弧的最低点)正对，隔磁槽5朝向初级的端与次级铁心2边缘一条弧的最突出点正对。每个永磁体3远离初级1的一端均顺次设有两个通槽4。通槽4内部填充有永磁材料或非磁性材料。永磁材料为稀土永磁体(如钕铁硼)或非稀土永磁体(如铁氧体)。两个通槽4之间的部分为第一磁桥6；永磁体3朝向初级1的一端与次级铁心2边缘之间的部分为第二磁桥7。
36.本实施方式中，隔磁槽5在实际应用时可为空槽，或者内部整体填充非导磁体。隔磁槽5作为交轴磁路的磁障，其磁阻很大，能够减小交轴电感，提高电机的反凸极比(注：这里反凸极比指的是直轴与交轴电感的比值)，有利于提高磁阻推力。而本实施方式中折线形槽的加工制作工艺简单，如部分槽内放置永磁材料，矩形永磁材料充磁更方便、工艺简单、成本较低。
37.本实施方式中，电机反凸极永磁同步直线电机为单边平板结构或双边平板结构。
38.具体实施方式四：参照图4具体说明本实施方式，图4展示了本实施方式所述的反凸极永磁同步直线电机的主视图，该反凸极永磁同步直线电机包括沿线性路径设置的初级1和能够沿线性路径移动的次级，初级1和次级之间留有气隙8。初级1包括：初级铁心、绕组槽和嵌入绕组槽内的电枢绕组。
39.次级包括：次级铁心2和多个永磁体3。次级铁心2与初级1相邻的边包括2p段顺次连接的弧，其中p为极对数。多个永磁体3沿次级铁心2运动方向均匀排布并嵌固在次级铁心2内。永磁体3的充磁方向与次级铁心2运动方向同向。每个永磁体3的两侧均开有两层弧形的隔磁槽5。隔磁槽5作为交轴磁路的磁障，隔磁槽5磁阻越大，交轴电感越小，越有利于提高反凸极比，提高磁阻推力。同等长度的条件下双层隔磁槽的磁阻在数值上是单层隔磁槽的两倍，其交轴电感数值更小，反凸极比更大，直线电机的磁阻推力优于单层隔磁槽结构，有利于提高电磁推力。同一个永磁体3两侧的隔磁槽5镜像对称设置。隔磁槽5一端与永磁体3相连，隔磁槽5另一端朝向初级1方向延伸并向永磁体3两侧展开、并突出于永磁体3边缘。隔磁槽5对应的气隙宽度小于永磁体3对应的气隙宽度。具体的，永磁体3朝向初级的端与次级
铁心2边缘两条相邻弧的连接点(弧的最低点)正对，隔磁槽5朝向初级的端与次级铁心2边缘一条弧的最突出点正对。每个永磁体3远离初级1的一端均顺次设有两个通槽4。通槽4内部填充有永磁材料或非磁性材料。永磁材料为稀土永磁体(如钕铁硼)或非稀土永磁体(如铁氧体)。两个通槽4之间的部分为第一磁桥6；永磁体3朝向初级1的一端与次级铁心2边缘之间的部分为第二磁桥7。
40.本实施方式中，隔磁槽5在实际应用时可为空槽，或者内部整体填充非导磁体，又或者局部填充永磁材料。当隔磁槽5内局部填充永磁材料时，永磁材料的充磁方向为永磁材料的厚度方向或次级铁心2的厚度方向，如图4中虚线箭头所指方向。通槽4内部填充的永磁材料与隔磁槽5内永磁材料的磁路相互串联。
41.本实施方式中，电机反凸极永磁同步直线电机为单边平板结构或双边平板结构。
42.具体实施方式五：参照图5具体说明本实施方式，图5展示了本实施方式所述的反凸极永磁同步直线电机的主视图，该反凸极永磁同步直线电机包括沿线性路径设置的初级1和能够沿线性路径移动的次级，初级1和次级之间留有气隙8。初级1包括：初级铁心、绕组槽和嵌入绕组槽内的电枢绕组。
43.次级包括：次级铁心2和多个永磁体3。次级铁心2与初级1相邻的边包括2p段顺次连接的弧，其中p为极对数。多个永磁体3沿次级铁心2运动方向均匀排布并嵌固在次级铁心2内。永磁体3的充磁方向与次级铁心2运动方向同向。每个永磁体3的两侧均开有一层隔磁槽5。隔磁槽5为两段直线槽连接而成的折线形槽。同一个永磁体3两侧的隔磁槽5镜像对称设置。隔磁槽5一端与永磁体3相连，隔磁槽5另一端朝向初级1方向延伸并向永磁体3两侧展开、并突出于永磁体3边缘。隔磁槽5对应的气隙宽度小于永磁体3对应的气隙宽度。具体的，永磁体3朝向初级的端与次级铁心2边缘两条相邻弧的连接点(弧的最低点)正对，隔磁槽5朝向初级的端与次级铁心2边缘一条弧的最突出点正对。每个永磁体3远离初级1的一端均顺次设有两个通槽4。通槽4内部填充有永磁材料或非磁性材料。永磁材料为稀土永磁体(如钕铁硼)或非稀土永磁体(如铁氧体)。两个通槽4之间的部分为第一磁桥6；永磁体3朝向初级1的一端与次级铁心2边缘之间的部分为第二磁桥7。
44.本实施方式中，隔磁槽5的中间段内填充有永磁材料，永磁材料的充磁方向为永磁材料的厚度方向或次级铁心2的厚度方向，如图5中虚线箭头所指方向。通槽4内部填充的永磁材料与隔磁槽5内永磁材料的磁路相互串联。隔磁槽5内放置永磁材料增加次级永磁体用量和形式设计的灵活性，内部放置永磁材料和槽内空置相比能够进一步提高永磁磁链，有利于提高电磁推力。
45.本实施方式中，电机反凸极永磁同步直线电机为单边平板结构或双边平板结构。
46.首先，本发明能够克服表贴式永磁同步直线电机无法利用磁阻推力及突破表贴式结构无法进一步增加永磁体用量来增强气隙磁场的限制的问题。具体原理如下：
47.忽略定子电阻，永磁同步直线电机的电磁推力方程为：
[0048][0049]
式中，f
em
为永磁同步直线电机的电磁推力，p为极对数，ψf为永磁体磁链，ld为直轴电感，lq为交轴电感，id为直轴电流，iq为交轴电流，τ为极距。
[0050]
电磁推力包括两项，第一项是永磁推力，第二项是磁阻推力。对于表贴式隐极永磁
同步直线电机来说只有永磁推力，没有磁阻推力，电机电磁推力f
em
的表达式为：
[0051][0052]
对于反凸极永磁同步直线电机，电磁推力包括永磁推力和磁阻推力。反凸极永磁同步直线电机在直轴磁路上设置磁桥增大直轴电感，在交轴磁路上设置磁障减小交轴电感，同时采用不均匀气隙长度使得直轴电感大于交轴电感，通入的直轴电流id为正可得到正向的磁阻推力，电枢作用是增磁性质。合理匹配永磁推力和磁阻推力，有利于提高永磁同步直线电机的电磁推力。
[0053]
表贴式永磁同步直线电机只有永磁推力。在永磁体极弧过大时会引起较大的极间漏磁，表贴式结构所限无法通过进一步增大永磁体用量提高推力密度。而本发明提出的内置式反凸极永磁同步直线电机，内置式沿次级移动方向充磁的永磁体结构具有一定聚磁的作用，永磁体用量及布置方式灵活，有利于进一步提高推力密度。
[0054]
其次，反凸极永磁同步直线电机能有效提高电机速度运行范围；和表贴式永磁同步直线电机相比，能够实现弱磁控制；和凸极永磁同步直线电机相比，相同速度条件下所需直轴去磁电流小，并且永磁体不容易退磁。下面分别进行具体说明：
[0055]
1、和表贴式永磁同步直线电机相比，反凸极永磁同步直线电机的速度范围更宽。表贴式直线电机为了获得更大的电磁推力，通常永磁磁链ψf设计较大。当电机速度超过额定速度时，相电压受到电压极限值限制，且无法弱磁，导致速度范围小。由于反凸极结构在额定速度以下运行时，电枢绕组是增磁性质，因此在相同的电磁推力下，ψf设计值一般低于表贴式结构，更有利于提高速度范围。同时反凸极永磁同步直线电机的直轴电感和交轴电感不相等，能够通过施加负向的去磁电流获得更宽的速度范围。
[0056]
2、和凸极永磁同步直线电机相比，反凸极永磁同步直线电机在相同速度条件下所需的直轴去磁电流小，并且永磁体不容易退磁。凸极永磁同步直线电机，由于直轴电感小于交轴电感，额定速度运行时通入较小的负向直轴去磁电流用以获得正向的磁阻转矩。当速度超过额定速度时，继续增大负向的去磁电流从而获得更宽的弱磁调速范围。和凸极永磁同步直线电机相比，相同端电压条件下，反凸极永磁同步直线电机的e0小。反凸极永磁同步直线电机的直轴电感大于交轴电感，通入小正向直轴电流即可保证磁阻转矩为正，因此当速度超过额定速度时，直轴电流由正值逐步减小到0，再到负值，逐渐增大到负向的额定电流值。和凸极永磁同步直线电机相比，提高到相同的速度值时所需的弱磁电流更小。或者说相同的弱磁电流条件下，反凸极永磁同步直线电机比凸极永磁同步直线电机获得更宽的速度范围。
[0057]
综上所述，本发明与表贴式永磁同步直线电机相比，能利用直线电机的磁阻推力，且永磁体用量限制小和布置形式更灵活，有利于提高电磁推力。同时，与表贴式或正凸极永磁电机相比，反凸极永磁同步电机的直轴电感值大且空载反电势设计值相对小，有利于提高电机的速度运行范围。该电机适用需要较大电磁推力及较宽速度运行范围的应用场合。
[0058]
具体实施方式六：在以上五个具体实施方式的基础上，还能够延伸出旋转电机的结构，参照图6具体说明本实施方式，图6展示了本实施方式所述的反凸极永磁同步旋转电机的主视图，该反凸极永磁同步旋转电机包括定子1-1和转子，定子1-1同轴套接在转子外，定子1-1和转子之间留有气隙8。定子1-1包括：定子铁心、绕组槽和嵌入绕组槽内的电枢绕
组。
[0059]
转子包括转子铁心1-2和多个永磁体3。多个永磁体3沿转子铁心1-2周向均匀排布并嵌固在转子铁心1-2内。永磁体3的充磁方向为转子铁心1-2切向，每个永磁体3的两侧均开有1层隔磁槽5。同一个永磁体3两侧的隔磁槽5镜像对称设置，隔磁槽5朝向转子铁心1-2圆心的一端与永磁体3相连，隔磁槽5另一端朝向转子铁心1-2外圆周方向延伸并向永磁体3两侧展开，隔磁槽5另一端突出于永磁体3边缘。每个永磁体3朝向转子铁心1-2圆心的一端均顺次设有两个通槽4，通槽4内部填充有永磁材料或非磁性材料。永磁材料为稀土永磁体(如钕铁硼)或非稀土永磁体(如铁氧体)。两个通槽4之间的部分为第一磁桥6，永磁体3朝向转子铁心1-2外圆周的一端与转子铁心1-2边缘之间的部分为第二磁桥7。
[0060]
本实施方式中，隔磁槽5内部填充有非导磁体，或隔磁槽5内局部填充永磁材料。隔磁槽5内永磁材料的充磁方向为永磁材料的厚度方向或转子铁心1-2的径向，如图6中虚线箭头所指方向。通槽4内部填充的永磁材料与隔磁槽5内永磁材料的磁路相互串联。
[0061]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。