一种分布励磁直线永磁型开关磁链电机的制作方法

本发明属于直线电机制造领域，具体涉及一种分布励磁直线永磁型开关磁链电机。

背景技术：

随着工业应用的发展，直线电机应用越来越广泛。在直线驱动场合，相比于旋转电机，直线电机直接将电能变成直线运动的机械能而不需要中间转换环节，结构简单且动态响应快，效率高且施工成本低。

在直线电机的选择上，最早采用的是直线感应电机，但其效率和功率因数相对较低。与直线感应电机比起来，永磁直线电机在效率、力能指标、功率因数等方面具有显著的优势，传统直线永磁同步电机的绕组和永磁体分别放置在电机的初级和次级。在长次级应用场合中，比如高层楼宇电梯、城市轨道交通等，无论是将永磁体或绕组作为次级，都将造成工程造价高，维护不便等缺点。直线永磁型开关磁链电机作为初级永磁式电机，吸引了国内外学者的关注。这类电机的永磁体和绕组在动子即初级，次级仅为导磁材料制成的凸极铁心，这样在长次级应用场合既省铜又省永磁体，具有结构简单、功率密度高、易于生产和维护的优点。

提高直线开关磁链电机的推力(功率)密度一直是本领域研究的热点，尤其是在城市轨道交通、工厂运输、高层楼宇电梯等场合。文献《optimizationandcomparisonofnovele-coreandc-corelinearswitchedfluxpmmachines》(ieeetransactionsonmagnetics,vol.47,no.8，w.min，j.t.chen，z.q.zhu,y.zhu,m.zhang,g.h.duan)通过采用非交叠集中式绕组得到c型铁芯6/10、6/11、6/13、6/14极直线开关磁链电机，并对这些电机各部分尺寸配合进行优化来提高直线开关磁链电机的推力密度。但上述这些结构以及传统的直线永磁型开关磁链电机都属于每相单永磁体单线圈励磁，对于每相永磁体两边的初级轭部，在永磁磁链分别达到正负峰值的时候，绝大部分磁链只经过其中一边初级轭部，而此时另外一边初级轭部对磁链的贡献很小，没有得到充分利用。这使得对于上述结构的电机，不管是增加永磁体宽度或采用高剩磁的永磁材料，还是增加导磁齿的宽度或者优化设计电机各部分尺寸配合，推力(功率)密度提高的空间都非常有限。

如何使直线永磁型开关磁链电机在永磁磁链分别达到正负峰值的时候，两边初级轭部对永磁磁链的贡献相同，两边初级轭部都得到充分利用，提高永磁磁链的峰值，从而进一步提高电机推力密度是本领域亟待解决的一个技术问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种分布励磁直线永磁型开关磁链电机，解决了现有技术中电机推力密度很难进一步提高的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种分布励磁直线永磁型开关磁链电机，所述电机是由初级和次级组成，两者之间有气隙；所述初级和次级都是凸极结构；所述次级的长度大于初级的长度；所述次级由凸极铁芯组成；所述初级包括n个u型铁芯、2n个永磁体、n个导磁齿以及n个电枢线圈组成，2n个永磁体尺寸相同，其中，所有奇数排列的永磁体之间和所有偶数排列的永磁体之间的充磁方向相同，所有奇数排列和偶数排列的永磁体之间充磁方向相反；相邻两个u型铁芯之间均设置两个永磁体和一个导磁齿，导磁齿设置于两个永磁体的中间，n为整数。

次级极距与初级极距的比例为6/14。

所述永磁体为电励磁绕组。

所述u型铁芯更换为e型铁芯。

所述次级为圆筒型结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出一种分布励磁直线永磁型开关磁链电机。所述电机的主要特点是每个初级齿采用充磁方向相反的两个永磁体分布励磁，相比于传统的直线永磁型开关磁链电机，该结构使电机在永磁磁链达到峰值的时候，两边初级轭部都得到充分利用，提高永磁磁链的峰值，从而进一步提高电机推力(功率)密度；由于次级只由导磁铁芯构成，次级结构简单，使得本发明特别适用于低成本、高推力密度的长次级应用场合如轨道交通、高层楼宇电梯等。同时在要求高推力(功率)密度的短距离直线弹射应用场合，本发明也可用来提高系统的功率密度和带负载能力。具有广泛的应用前景。

2、该分布励磁直线永磁型开关磁链电机的分布励磁方式，适用于多种结构直线开关磁链电机，任意励磁方式(电励磁或者永磁)，任意次级极数和初级极数，可为电动机或发电机。

3、分布励磁直线永磁型开关磁链电机的初级为固定部件，次级为运动部件，其结构可为圆筒型结构，可为电动机或发电机。

4、将永磁体更换为电励磁绕组，可为分布励磁直线电励磁型开关磁链电机，可为电动机或发电机。

5、将u型铁芯更换成e型铁芯，可为电动机或发电机。

附图说明

图1是根据本发明6/14极分布励磁直线永磁型开关磁链电机截面示意图。

图2是根据本发明6/14极分布励磁直线永磁型开关磁链电机在永磁磁链正峰值时的磁场分布图。

图3是根据本发明6/14极分布励磁直线永磁型开关磁链电机在永磁磁链负峰值时的磁场分布图。

图4是传统直线永磁型开关磁链电机在永磁磁链正峰值时的磁场分布图。

图5是传统直线永磁型开关磁链电机在永磁磁链负峰值时的磁场分布图。

图6是根据本发明6/14极分布励磁直线永磁型开关磁链电机和相同体积相同永磁体用量相同绕组匝数的6/14极直线开关磁链电机在不同电流下电磁推力大小的比较图；

其中，曲线1为本发明6/14极分布励磁直线永磁型开关磁链电机在不同电流下电磁推力曲线，曲线2为6/14极传统直线开关磁链电机在不同电流下电磁推力曲线。

附图标记说明：1-初级，2-次级，3-正向充磁永磁体，4-反向充磁永磁体，5-电枢绕组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。

一种分布励磁直线永磁型开关磁链电机，所述电机是由初级和次级组成，两者之间有气隙；所述初级和次级都是凸极结构；所述次级的长度大于初级的长度；所述次级由凸极铁芯组成；所述初级包括n个u型铁芯、2n个永磁体、n个导磁齿以及n个电枢线圈组成，2n个永磁体尺寸相同，其中，所有奇数排列的永磁体之间和所有偶数排列的永磁体之间的充磁方向相同，所有奇数排列和偶数排列的永磁体之间充磁方向相反；相邻两个u型铁芯之间均设置两个永磁体和一个导磁齿，导磁齿设置于两个永磁体的中间，n为整数。

具体实施例，

以一台6/14极分布励磁直线永磁型开关磁链电机为例进行详细说明。

一种分布励磁直线永磁型开关磁链电机，是由初级和次级组成，两者之间有气隙；所述初级和次级都是凸极结构；所述次级的长度大于初级的长度；所述次级由凸极铁芯组成；所述初级包括n个u型铁芯、2n个永磁体、n个导磁齿以及n个电枢线圈组成，n为整数；所述n个u形铁芯尺寸相同依次命名为u1、u2......un；所述n个导磁齿尺寸相同依次命名为d1、d2......dn；所述2n个永磁体尺寸相同依次命名为pm1、pm2......pm2n，所述永磁体pm1，pm3......pm(2n-1)的充磁方向相同，所述永磁体pm2，pm4......pm2n的充磁方向相同，所述永磁体pm1和pm2充磁方向相反；所述u型铁芯u1和u2之间依次放置永磁体pm1、导磁齿d1和永磁体pm2；所述u型铁芯u2和u3之间依次放置永磁体pm3、导磁齿d2和永磁体pm4，以此类推，所述u型铁芯u(n-1)和un之间依次放置永磁体pm(2n-1)、导磁齿dn和永磁体pm2n；所述次级极距为τs，所述初级极距为τm，τs/τm＝6/14。

本发明的电机具体的工作原理如下：所述次级为固定部件，初级为运动部件；所述初级沿水平方向运动，当位移一个次级极距τs时，所述电枢线圈中的永磁磁链极性变化一次；所述导磁齿dn左右两边放置充磁方向相反的永磁体pm(2n-1)和pm2n，所述永磁体pm(2n-1)和pm2n通过所述u型铁芯u(n-1)和un、导磁齿dn以及次级凸极铁芯齿来聚集磁力线，当所述导磁齿dn中心位置和所述次级任意凸极铁芯齿中心位置沿水平方向一致时，则所述永磁磁链幅值达到负峰值；当所述永磁磁链幅值达到负峰值后，所述初级沿水平方向继续运动二分之一个次级极距，所述永磁磁链幅值达到正峰值；根据电磁感应原理所述电枢线圈里产生感应电动势；给所述电枢线圈里通入交流电流，所述交流电流与所述感应电动势具有相同的相位和频率，则所述初级和所述次级之间产生沿水平方向的连续电磁推力。

图1是根据本发明一实施例的6/14极分布励磁直线永磁型开关磁链电机截面示意图。所述电机属于初级永磁型电机，绕组和永磁体都在初级上，初级包括6个u型铁芯、12个永磁体、6个导磁齿以及6个电枢线圈，每两个u型齿中间依次夹一块正向充磁的永磁体、一块导磁齿、一块反向充磁的永磁体，电机有6个初级齿，每个齿采用集中式绕组，由该齿的两块永磁体分布励磁，属于同一相的两个线圈串联成该相绕组。次级为凸极结构，次级上既无永磁体也无绕组。

该结构使电机在永磁磁链达到峰值的时候，两边初级轭部都得到充分利用，提高永磁磁链的峰值，从而进一步提高电机推力(功率)密度。

图2、图3分别是根据本发明一实施例的6/14极分布励磁直线永磁型开关磁链电机在永磁磁链正峰值时的磁场分布图和在永磁磁链负峰值时的磁场分布图。从图中可以看出，两个充磁方向相反的永磁体通过两边u型铁芯、导磁齿以及次级凸极铁芯齿来聚集磁力线，两边初级轭部通过相同数目的磁力线，与现有技术相比，所述初级轭部利用率提高，可以通过更多的磁力线，从而提高了永磁体磁链峰值并有助于提高电磁推力大小。

图4、图5分别是传统直线永磁型开关磁链电机在永磁磁链正峰值时的磁场分布图和在永磁磁链负峰值时的磁场分布图。从图中可以看出，在永磁磁链达到峰值的时候，绝大部分磁力线只经过其中一边初级轭部，而此时另外一边初级轭部磁力线较少，没有得到充分利用，从而使得磁力线增加有限，进而限制电磁推力的进一步提高。

本发明所述6/14极分布励磁直线永磁型开关磁链电机具有如下效果：

1、两个永磁体分布励磁，如图1。

图1是根据本发明一实施例的6/14极分布励磁直线永磁型开关磁链电机截面示意图。每个初级齿采用充磁方向相反的两个永磁体分布励磁。

2、初级轭部利用率提高了，如图2、图3、图4和图5。

图2是根据本发明一实施例的6/14极分布励磁直线永磁型开关磁链电机在永磁磁链正峰值时的磁场分布图。

图3是根据本发明一实施例的6/14极分布励磁直线永磁型开关磁链电机在永磁磁链负峰值时的磁场分布图。

图4是传统直线永磁型开关磁链电机在永磁磁链正峰值时的磁场分布图。

图5是传统直线永磁型开关磁链电机在永磁磁链负峰值时的磁场分布图。

比较两个电机在永磁磁链正负峰值时的磁场分布图，所述磁场分布图可以反映初级轭部的利用程度。

输出电磁推力密度平均值提高了，如图6。

图6是根据本发明一实施例的6/14极分布励磁直线永磁型开关磁链电机(曲线1)和相同体积相同永磁体用量相同绕组匝数的6/14极直线开关磁链电机(曲线2)在不同电流下电磁推力大小的比较图。比较两个电机在不同电流下电磁推力的大小，所述电磁推力大小可以反映出电磁推力密度的大小。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。