电励磁开关磁链直线电机

1.本发明属于电机技术领域，具体涉及电励磁开关磁链直线电机。


背景技术：

2.开关磁链永磁电机(flux-switching permanent magnet machines)具有高推力密度、高效率、高精度等优点，已逐步成为电机行业的研究热点，并在交通运输、智能制造、工业控制等诸多领域得到了广泛应用。该类电机的直线型式尤其适合于长行程直驱式直线运动领域：永磁体与电枢绕组同设置于初级上，避免了传统表贴式永磁直线电机必须在整个行程长度的次级上安装永磁体的缺陷，大大降低了永磁体用量及相关成本，且仅有电机的运行段具有强磁性。
3.然而，稀土材料近年来价格持续飙升，在材料成本层面很大程度地限制了永磁电机推广，而电励磁电机的吸引力正逐步回升。若与永磁直线电机相比，电励磁开关磁链永磁直线电机(electrically-excited flux-switching linear machines)的推力密度水平仍处于明显劣势，直接导致其能带动的负载相对较小，其根本原因在于励磁绕组需很高的电流或很多的匝数，才能提供与钕铁硼、杉钴等高性能永磁体相当的磁能。此外，直线电机所特有的两端不连续结构，会引起边端效应及三相不平衡问题，一种方法是通过辅助齿结构来进行抑制。但是，辅助齿结构通常需要与半空槽结构结合，也就意味着在辅助齿结构在两个端部占据了不少空间，从而进一步降低了直线电机推力密度，对于电机槽数较少的情形而言，该缺陷尤为突出。
4.因此，设计一种能兼顾推力性能和三相平衡性能，进而实现电机绕组温度限值条件下的推力最大化的电励磁开关磁链直线电机，就显得十分必要。


技术实现要素：

5.本发明是为了克服现有技术中，现有的开关磁链永磁直线电机存在电磁性能和三相平衡性能无法兼顾的问题，提供了一种能兼顾推力性能和三相平衡性能，进而实现电机绕组温度限值条件下的推力最大化的电励磁开关磁链直线电机。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
7.电励磁开关磁链直线电机，包括初级结构和次级结构；所述初级结构包括初级铁芯、励磁绕组和电枢绕组；所述次级结构包括次级铁芯；所述初级结构与次级结构之间设有气隙，用于实现能量传递与转换；所述初级铁芯和次级铁芯均具有齿槽结构；所述初级结构和次级结构中至少有一个结构为运动部分；所述初级铁芯的齿槽结构包括若干个初级槽和初级齿；
8.所述励磁绕组由若干个励磁线圈连接组成；所述电枢绕组由若干个电枢线圈连接组成；所述励磁线圈通直流电，用于产生励磁磁场；所述电枢线圈通交流电。
9.所述励磁绕组和电枢绕组均为集中绕组形式；所述电枢线圈对应多个相位；所述励磁线圈和电枢线圈沿设定的法向方向分布，且励磁绕组靠近初级槽底部、电枢线圈靠近
初级槽顶部；
10.所述励磁线圈和电枢线圈交替绕制在初级齿上；设定励磁线圈绕制的齿为初级齿f、电枢线圈绕制的齿为初级齿a；初级齿f和初级齿a在展向上交替分布。
11.作为优选，所述电励磁开关磁链直线电机为三相电机；所述电枢线圈对应三个相位，包括a相线圈、b相线圈和c相线圈。
12.作为优选，所述励磁线圈和电枢线圈采用相同线径制成，且各自线圈的匝数相同；所述励磁线圈的匝数多于电枢线圈的匝数，且励磁线圈的横截面面积大于电枢线圈，励磁线圈面积占比＞0.5；所述励磁线圈面积占比定义为单个励磁线圈横截面面积/(单个励磁线圈横截面面积+单个电枢线圈横截面面积)。
13.作为优选，所述励磁绕组和电枢绕组上加载的电流设置为励磁绕组铜耗占比＞励磁线圈面积占比；所述励磁绕组铜耗占比的定义为励磁绕组上的铜耗/(励磁绕组上的铜耗+电枢绕组上的铜耗)。
14.作为优选，所有初级齿f等宽；所有初级齿a等宽；所述初级齿f的宽度小于初级齿a的宽度。
15.作为优选，所述初级铁芯的展向两端中，至少有一端设有初级边端槽结构；
16.所述初级边端槽包括朝向气隙侧的第一初级边端槽和朝向初级铁芯背部的第二初级边端槽；所述第一初级边端槽用于容纳励磁线圈的一条边和电枢线圈的一条边；所述第二初级边端槽用于容纳位于第一初级边端槽的励磁线圈的另一条边，使位于初级边端槽内的励磁线圈沿设定的法向跨绕在初级边端槽的轭部区域。
17.作为优选，所述第一初级边端槽的深度小于初级槽，所述第二初级边端槽的深度小于第一初级边端槽；所述第一初级边端槽的宽度与初级槽相等，所述第二初级边端槽的宽度不小于第一初级边端槽；位于第一初级边端槽的电枢线圈的横截面面积与其余电枢线圈相同，且位于第一初级边端槽的励磁线圈的横截面面积小于其余励磁线圈的横截面面积。
18.作为优选，所述位于初级边端槽的励磁线圈的线径比其余位于初级槽的励磁线圈的线径小，且位于初级边端槽内的励磁线圈匝数为其余位于初级槽的励磁线圈的1.5-2.5倍。
19.作为优选，所述初级边端槽的轭部区域厚度不大于初级槽的轭部；所述初级边端槽的最边端齿宽与初级齿f等宽。
20.作为优选，还包括冷却装置；所述第二初级边端槽的槽口与初级铁芯背部齐平，所述冷却装置安装在初级铁芯背部。
21.本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明给出一种电励磁开关磁链电机，首先通过非等尺寸励磁/电枢线圈、非等励磁/电枢铜耗、非等宽初级齿实现了电机绕组温度限值条件下的推力提高；(2)本发明引入初级边端槽结构，以缓解常规辅助齿结构造成的边端空间浪费，使电机的空间利用率增加、推力密度提高；(3)本发明对初级边端槽结构参数以及线圈尺寸参数进行了设计，在保证三相平衡下的前提下，在一定程度上继续提升了推力性能。
附图说明
22.图1为常规的11极/12槽电励磁开关磁链电机的一种结构示意图；
23.图2为非等尺寸励磁/电枢线圈的一种结构示意图；
24.图3为励磁铜耗与电枢铜耗相同情况下的一种电机温度云图；
25.图4为励磁铜耗与电枢铜耗不等情况下的一种电机温度云图；
26.图5为具有非等宽初级齿结构的电励磁开关磁链电机的一种结构示意图；
27.图6为具有初级边端槽的电励磁开关磁链电机的一种结构示意图；
28.图7为本发明实施例提供的改进型11极/12槽电励磁开关磁链电机的一种结构示意图；
29.图8为本发明实施例提供的改进型11极/12槽电励磁开关磁链电机的另一种结构示意图。
30.图中：初级铁芯1、励磁绕组2、电枢绕组3、次级铁芯4、励磁线圈5、电枢线圈6、初级轭部7、初级槽8、第一初级边端槽9、第二初级边端槽10、初级边端槽的轭部11、初级边端槽12、最边端齿13、水冷板14。
具体实施方式
31.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
32.实施例：
33.如图1所示，展示了一个常规类型的11极/12槽电励磁开关磁链电机，包括初级结构和次级结构；初级结构包括初级铁芯1、励磁绕组2和电枢绕组3；所述次级结构包括次级铁芯4；所述初级结构与次级结构之间设有气隙，用于实现能量传递与转换；所述初级铁芯和次级铁芯均具有齿槽结构；所述初级铁芯的齿槽结构包括若干个初级槽8和初级齿。本实施例中初级结构为运动结构，次级结构为固定结构。
34.所述电励磁开关磁链直线电机的励磁绕组由多个励磁线圈5连接而成，电枢绕组则由多个电枢线圈6连接而成。励磁线圈中通以用于产生励磁磁场的直流电，电枢线圈通以交流电，用于产生电磁转矩。
35.励磁绕组和电枢绕组均为集中绕组形式，采用上下结构分布，即在一个初级槽内，励磁线圈的一条边和电枢线圈的一条边沿法向方向分布，且励磁绕组靠近初级槽底部、电枢线圈靠近初级槽顶部。每个初级齿上都绕有励磁线圈或电枢线圈。电枢线圈分属3个相位，即该直线电机为三相电机。
36.11极/12槽指的是初级结构上具有12个槽，但不包括位于端部的2个槽，次级结构上的11个极与初级上的12个槽对应等长度，该极槽配合能够实现相对较大的推力和较小的推力波动。根据上述结构，初级结构具有共14个槽，而2个端部槽仅用于承载励磁绕组，为保证准周期性磁场与三相平衡设计的一种可行方式。对应的，本实施例特采用了7个励磁线圈、6个电枢线圈的方案。
37.本实施例中的电机采用了水冷设计，可有效降低电机温升，从而使得绕组温度限
值条件下的推力提升。具体的，初级轭部7的背部设有单向流动的水冷通道，能够有效保证电机的冷却性能，并使得大部分温降发生在初级上而非定子轭部与冷却流体的交界面上。水冷通道的一种可行的设计如图7所示。
38.常规类型的电励磁开关磁链旋转电机中，电枢绕组和励磁绕组的面积、铜耗均实施成相等，以获得更高的转矩。
39.进一步的，本实施例采用特殊的绕组设置，即更大的励磁线圈面积和更大的励磁绕组铜耗，其结构如图2所示。具体的，励磁线圈和电枢线圈采用相同线径制成，且各自线圈的匝数相同，但励磁线圈的匝数多于电枢线圈的匝数，即励磁线圈的横截面面积大于电枢线圈，因此励磁线圈面积占比＞0.5，所述励磁线圈面积占比定义为单个励磁线圈横截面面积/(单个励磁线圈横截面面积+单个电枢线圈横截面面积)。
40.相比常规设置，上述特殊的绕组设置可以使得初级槽内的温度分布更加均匀，具体效果对比如图3和图4所示。进一步来说，采用常规设置时，一个初级槽内的励磁线圈和电枢线圈两者的热源体积相同、热源密度相同，但是散热面积和热量传递路径不同，励磁线圈的散热面积相对大(位于槽底的励磁线圈有3条边与初级铁芯接触)、散热路径相对短(位于槽底的励磁线圈更靠近水冷通道)，因此其温度明显相对更低(励磁线圈最高98℃、电枢线圈最高120℃，如图3所示)。而特殊的绕组从热源体积和热源密度两方面进行改良后，在保持总铜耗不变的情况下，如：将励磁线圈面积占比设置为0.6、励磁绕组铜耗占比设置为0.67时，可得到明显更优的温度分布(励磁线圈最高106℃、电枢线圈最高106℃，如图4所示)。由于这些热管理方面的改善，有可能取得绕组温度限值条件下(例如e级绝缘的最高温度120℃)更高的推力密度。
41.在此基础上，进一步对初级齿形进行改善，采用不等宽初级齿用于提升推力等电磁性能。具体的，励磁线圈和电枢线圈交替绕制在初级齿上，定义励磁线圈绕制的齿为初级齿f、电枢线圈绕制的齿为初级齿a，将初级齿f实施成等宽，将初级齿a也实施成等宽，但初级齿f的宽度小于初级齿a，具体如图5所示。此设置的根本原因在于：单极性的励磁磁场与电枢磁场相互作用后，初级齿f上的磁密小于初级齿a上的磁密，因此当采用相对较窄的初级齿f和相对较宽的初级齿a组合时，可以更好的缓解磁饱和现象，进而充分利用初级空间。
42.结合采用特殊的绕组设置和不等宽初级齿可有效提升推力性能。其中，位于端部的2个初级槽，用于承载励磁线圈的一条边，且位于端部的2个励磁线圈，最主要作用是保证三相平衡。
43.进一步的，本发明提出一种初级边端槽结构，如图6、7、8所示。该第2个和第13初级槽改造而成，而边端的2个初级槽(即第1和第14初级槽)可以省去，因此能够大大提升初级空间利用率。具体的，每个初级边端槽设置成包括朝向气隙侧的第一初级边端槽9和朝向初级铁芯背部的第二初级边端槽10。第一初级边端槽的深度小于其他常规初级槽，而第二初级边端槽的深度小于第一初级边端槽。在本实施例中，常规初级槽、第一初级槽、第二初级槽实施成等宽，初级边端槽的轭部11区域厚度等于初级轭部厚度，初级边端槽12的最边端齿13宽与初级齿f等宽。
44.第一初边端级槽用于容纳励磁线圈的一条边和电枢线圈的一条边，此电枢线圈的横截面面积与常规电枢线圈相同，而此励磁线圈的横截面面积小于常规励磁线圈。为了保证能够提供合适的磁动势，励磁线圈需要保证一定的匝数，该匝数比常规励磁线圈的匝数
更多，该匝数可以通过电磁仿真迭代得到，直至实现三相平衡。对于本实施例，常规励磁线圈的匝数设置为218匝，而位于初级边端槽内的励磁线圈匝数经迭代计算后得到为400匝。进一步而言，初级边端槽内的励磁线圈需要采用更小的线径，才能实现以上匝数和边端励磁线圈面积。更多的匝数和更小的线径，会导致通以相同电流时，边端励磁线圈上的铜耗更大，但是初级边端槽具有更大的散热面积，可以有效缓和该副作用。
45.本实施例还给出了初级边端槽与水冷板14的两种配合方式，通过左、右两个略有不同的初级边端槽展示。
46.对于图8左侧的初级边端槽，其第二初级边端槽的槽口与初级铁芯背部齐平，使得水冷板的设置完全不受影响。为了进一步加强初级边端槽的冷却效果，还可以将冷却装置设置成延伸至与初级边端槽的最边端齿贴合，另外可对第二初级边端槽进行诸如灌封等处理，以使得第二初级边端槽内的励磁线圈与水冷板更好的接触。
47.对于图8右侧的初级边端槽，其第二初级边端槽设置成在法向上超过初级铁芯背部，这样第二初级边端槽就形成向背部凸出的结构，而水冷板设置后与第二初级边端槽的槽口齐平，这样可以使得第一初级边端槽和第二初级边端槽的总面积有效增加，从而降低对于边端励磁线圈线径的要求。此时，水冷板的一端与第二初级边端槽的一个齿临接。而该水冷板一端的进出口需要设置为如图8所示的轴向朝向，以避免干涉问题。
48.表1为仿真数据对比，其中一者为常规类型的11极/12槽电励磁开关磁链电机经优化后的结果，另一者为在该结果的基础上进一步结合采用特殊的绕组设置、不等宽初级齿、初级边端槽三者技术的成果。由数据可以明显看出，本发明提出的具体结构能够显著提升推力水平，且具有更小的初级体积，因此后者具有明显更高的推力密度。此外，后者总是能够通过合理的边端励磁线圈设计，例如挑选合理的线圈线径和匝数，来可靠保证三相平衡性。综上所述，本发明具有重要工程价值。表1数据如下所示：
49.表1常规型方案与改进型方案分别寻优后的推力结果比对数据表
[0050] 优化后的常规电机本发明方案的电机平均推力51.1n54.5n初级包络体积252.6l220.4l
[0051]
本发明给出一种电励磁开关磁链电机，首先通过非等尺寸励磁/电枢线圈、非等励磁/电枢铜耗、非等宽初级齿实现了电机绕组温度限值条件下的推力提高；本发明引入初级边端槽结构，以缓解常规辅助齿结构造成的边端空间浪费，使电机的空间利用率增加、推力密度提高；本发明对初级边端槽结构参数以及线圈尺寸参数进行了设计，在保证三相平衡下的前提下，在一定程度上继续提升了推力性能。
[0052]
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。