本發(fā)明涉及一種提高繞組利用率的磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線電機(jī)，屬于永磁電機(jī)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在軌道交通長距離驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，直線電機(jī)在爬坡能力、牽引性能、工程造價(jià)以及振動(dòng)噪聲等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其中，初級(jí)永磁型直線電機(jī)采用短初級(jí)、長次級(jí)結(jié)構(gòu)，其繞組和永磁體都置于初級(jí)，次級(jí)既無繞組也無永磁體，僅由導(dǎo)磁性材料(如碳鋼)組成，在軌道交通領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。初級(jí)永磁型直線電機(jī)盡管具有高效、低成本的優(yōu)點(diǎn)，但其推力密度低于傳統(tǒng)的永磁直線同步電機(jī)。

基于這一思想，有磁場(chǎng)調(diào)制作用的游標(biāo)效應(yīng)被引入到永磁直線電機(jī)中，出現(xiàn)了不同永磁游標(biāo)直線電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。永磁游標(biāo)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)上與初級(jí)永磁型直線電機(jī)十分相似，但兩者的運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法卻完全不同，永磁游標(biāo)直線電機(jī)利用交替變化的氣隙磁導(dǎo)與永磁磁通的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，調(diào)制出快速運(yùn)行的諧波磁場(chǎng)，提高電機(jī)的空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁推力密度。

現(xiàn)有的技術(shù)中，永磁游標(biāo)電機(jī)一般采用雙層集中繞組和分布繞組。采用集中繞組時(shí)，繞組端部短，繞線方便，但是電機(jī)的繞組系數(shù)較低，磁場(chǎng)利用率較低，電機(jī)反電勢(shì)與推力輸出能力有待提升；采用分布繞組時(shí)，繞組節(jié)距大，端部長，繞組系數(shù)高，電機(jī)反電勢(shì)和推力輸出較大。在這兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)中，永磁體和繞組緊密的設(shè)置在同一側(cè)，在電機(jī)持久運(yùn)行的過程中，銅耗、鐵耗和渦流損耗都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量，一旦散熱不及時(shí)，過高溫升會(huì)導(dǎo)致永磁體永久性失磁，從而使電機(jī)運(yùn)行故障。雖然可以通過電機(jī)外殼腔體水冷有效的降低繞組和永磁體的溫升，但是冷卻系統(tǒng)的添加增加了電機(jī)的體積和重量，降低了電機(jī)整體的推力密度。同時(shí)，現(xiàn)有的兩種電機(jī)中相間耦合度較高，電機(jī)容錯(cuò)性能差，在性能指標(biāo)要求較高的軌道交通領(lǐng)域中，必須要從根本上解決永磁游標(biāo)直線電機(jī)的可靠性，也就是提高電機(jī)的效率和容錯(cuò)性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種提高繞組利用率的磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過將初級(jí)槽內(nèi)三相繞組分別繞在三個(gè)初級(jí)單元模塊的軛部，每相繞組能夠同時(shí)切割相應(yīng)模塊中四個(gè)初級(jí)齒上永磁體產(chǎn)生的磁力線，在保證空載反電勢(shì)、推力輸出、永磁體用量、容錯(cuò)能力等性能指標(biāo)不受影響的同時(shí)，提高繞組利用率，減少繞組用銅量，降低銅耗。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種提高繞組利用率的磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線電機(jī)，包括單初級(jí)(1)，第一次級(jí)(21)、第二次級(jí)(22)，初級(jí)(1)與第一次級(jí)(21)、第二次級(jí)(22)之間分別具有第一氣隙(41)、第二氣隙(42)；

所述第一次級(jí)(21)、第二次級(jí)(22)分別在靠近第一氣隙(41)、第二氣隙(42)一側(cè)由鐵芯開槽形成梯形槽結(jié)構(gòu)，初級(jí)(1)由三個(gè)單元模塊結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)單元模塊結(jié)構(gòu)均一致，模塊結(jié)構(gòu)(11)呈h型，包含第一初級(jí)齒(112)、第二初級(jí)齒(113)以及第一初級(jí)槽(1141)、第二初級(jí)槽(1142)；第一初級(jí)齒(112)靠近第一氣隙(41)一側(cè)沿著電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向開槽形成虛齒(101)和虛槽(102)結(jié)構(gòu)，虛齒(101)的個(gè)數(shù)n1與虛槽(102)的個(gè)數(shù)n2關(guān)系為n1＝n2+1，n2為大于1的奇數(shù)；虛槽(102)內(nèi)設(shè)置有由三塊永磁體依次緊密貼合構(gòu)成的聚磁單元(300)，其中中間的第二永磁體(32)充磁方向和電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相垂直且朝向第一氣隙(41)，兩側(cè)的第一永磁體(31)、第三永磁體(33)相對(duì)充磁且充磁方向和電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相同；第二初級(jí)齒(113)靠近第二氣隙(42)一側(cè)沿著電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向開槽形成虛齒(101)和虛槽(102)結(jié)構(gòu)；虛槽內(nèi)的聚磁單元(300)中中間的第四永磁體(34)充磁方向和電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相垂直且朝向第二氣隙(42)，兩側(cè)永磁體充磁方向與第一初級(jí)齒(112)上的一致；第一初級(jí)槽(1141)、第二初級(jí)槽(1142)的槽口分別開在靠近第一氣隙(41)、第二氣隙(42)一側(cè)；三相繞組(116)分別繞在三個(gè)單元模塊結(jié)構(gòu)的軛部(115)，每相繞組能夠同時(shí)切割相應(yīng)模塊中四個(gè)初級(jí)齒上永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

本發(fā)明的方法的技術(shù)方案為：一種提高繞組利用率的磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟1，電機(jī)初級(jí)(1)繞組極對(duì)數(shù)pw，永磁體極對(duì)數(shù)ppm以及第一次級(jí)(21)、第二次級(jí)(22)總極對(duì)數(shù)ps滿足以下關(guān)系式：

pw＝│ppm-ps│

電機(jī)的調(diào)制比為：

在電機(jī)磁路不飽和的情況下，選取較大的調(diào)制比，確定電機(jī)的繞組極對(duì)數(shù)；根據(jù)繞組極對(duì)數(shù)，確定電機(jī)的繞組連接方式；

步驟2，對(duì)單元電機(jī)限定尺寸設(shè)計(jì)，為提高電機(jī)容錯(cuò)性能，單元電機(jī)中初級(jí)(1)由三個(gè)獨(dú)立的單元模塊結(jié)構(gòu)組成，電機(jī)三相繞組(116)分別繞在對(duì)應(yīng)單元模塊軛部(115)，為保證三相反電勢(shì)的對(duì)稱性，相鄰兩個(gè)模塊之間的相位相差120°電角度，每個(gè)模塊中在同一氣隙側(cè)的相鄰初級(jí)齒之間的相位相差180°電角度，三個(gè)模塊之間的距離滿足以下關(guān)系：

λ＝(j+1/3)τs或者λ＝(j+1/6)τs

同一氣隙側(cè)相鄰初級(jí)齒之間的距離滿足以下關(guān)系：

τm＝(k+1/2)τs

其中，λ為兩個(gè)模塊之間的距離，τs為次級(jí)極距，τm為初級(jí)齒極距，k與j分別為正整數(shù)；

步驟3，在確定每個(gè)模塊之間的距離λ、次級(jí)極距τs和初級(jí)齒極距τm后，根據(jù)聚磁單元(300)與虛齒(101)的總寬度等于初級(jí)齒極距τm，聚磁單元(300)、虛齒(101)和虛槽(102)的總寬度等于距離λ這兩個(gè)約束條件，確定三者的最佳比例關(guān)系；由于聚磁單元是嵌入在虛槽中，聚磁單元(300)與虛齒(101)的高度相等，通過永磁體體積，進(jìn)一步確定聚磁單元的高度；

步驟4，每個(gè)聚磁單元由中間的第二永磁體(32)或第四永磁體(34)和兩塊兩側(cè)的第一永磁體(31)、第三永磁體(33)構(gòu)成，根據(jù)每個(gè)聚磁單元的寬度，確定中間的第二永磁體(32)或第四永磁體(34)和兩側(cè)的兩塊永磁體的尺寸結(jié)構(gòu)，確定三者的最優(yōu)配合，其中，中間的第二永磁體(32)或第四永磁體(34)的寬度大于兩側(cè)的兩塊永磁體的寬度，兩側(cè)的兩塊永磁體結(jié)構(gòu)尺寸相同，三塊永磁體的高度相同；

步驟5，根據(jù)電機(jī)次級(jí)極距τs和電機(jī)極槽數(shù)，確定第一次級(jí)(21)、第二次級(jí)(22)靠近氣隙一側(cè)的槽寬s1與次級(jí)的齒距τs之比，靠近次級(jí)軛部的槽寬s2與次級(jí)齒距τs之比，得出最佳的次級(jí)齒槽結(jié)構(gòu)；確定電機(jī)次級(jí)槽深與槽的高度之比。

進(jìn)一步，初級(jí)(1)由三個(gè)獨(dú)立的單元模塊結(jié)構(gòu)組成，電機(jī)三相繞組(116)分別繞在對(duì)應(yīng)單元模塊軛部(115)，為保證三相反電勢(shì)的對(duì)稱性，相鄰兩個(gè)模塊之間的相位相差120°電角度，每個(gè)模塊中在同一氣隙側(cè)的相鄰初級(jí)齒之間的相位相差180°電角度，通過單元模塊間的相互配合使各相繞組之間互相解耦。

進(jìn)一步，第一初級(jí)齒(112)、第二初級(jí)齒(113)中永磁體產(chǎn)生的兩個(gè)磁場(chǎng)以軛部(115)為軸呈對(duì)稱分布，單元模塊結(jié)構(gòu)的軛部(115)成為兩個(gè)磁場(chǎng)的共有磁路，三相繞組分別繞在三個(gè)獨(dú)立模塊的軛部(115)，每相繞組采用一組線圈能夠同時(shí)切割兩個(gè)磁場(chǎng)的磁力線。

進(jìn)一步，第一初級(jí)齒(112)、第二初級(jí)齒(113)相對(duì)開槽且結(jié)構(gòu)尺寸相同。

進(jìn)一步，聚磁單元(300)的三塊永磁體高度均相等。

進(jìn)一步，第一次級(jí)(21)、第二次級(jí)(22)相對(duì)開槽且結(jié)構(gòu)尺寸相同。

進(jìn)一步，第一次級(jí)(21)、第二次級(jí)(22)靠近氣隙一側(cè)的槽寬s1與次級(jí)的齒距τs之比為0.2～0.5，靠近次級(jí)軛部的槽寬s2與次級(jí)齒距τs之比為0.1～0.9。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明采用h形單元模塊初級(jí)齒結(jié)構(gòu)，通過單元模塊間的相互解耦使得各相繞組之間不相互影響，從而使得電機(jī)的容錯(cuò)性能提高，增強(qiáng)電機(jī)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性；此外，初級(jí)單元模塊和每相繞組一一對(duì)應(yīng)，每相繞組作為一個(gè)獨(dú)立的單元模塊不存在邊端效應(yīng)，因此該直線電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)更加正弦對(duì)稱。

2、電機(jī)的初級(jí)齒端部嵌入永磁體單元，其聚磁效應(yīng)可減小齒端漏磁，提高磁路的有效磁密，從而提高電機(jī)的推力輸出特性。

3、相鄰單元模塊間空間相位互差120°電角度，使得各單元模塊產(chǎn)生的定位力相互抵消，降低了電機(jī)的定位力，減小了推力波動(dòng)。

4、永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)分布的極對(duì)數(shù)ppm與繞組產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)分布的極對(duì)數(shù)pw和雙次級(jí)有效極對(duì)數(shù)ps滿足：pw＝│ppm-ps│，對(duì)于電機(jī)整體結(jié)構(gòu)和獨(dú)立的單元模塊結(jié)構(gòu)以及單邊結(jié)構(gòu)也滿足此關(guān)系式。因此電機(jī)保留了磁場(chǎng)調(diào)制的特性，具有低轉(zhuǎn)速大推力的特點(diǎn)。

5、同一位置下，每個(gè)模塊中只有兩個(gè)電樞齒上的永磁體分別產(chǎn)生兩個(gè)有效的磁力線回路，這兩個(gè)磁力線在初級(jí)的軛部結(jié)構(gòu)中有相同的路徑和走向，三相繞組分別對(duì)應(yīng)繞在三個(gè)獨(dú)立模塊的軛部，每相繞組采用一組線圈能夠同時(shí)切割兩個(gè)磁場(chǎng)的磁力線，在保證電機(jī)反電勢(shì)、推力輸出及容錯(cuò)性能不變的前提下，提高繞組的利用率，減少繞組一半的用量，降低銅耗。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

附圖1是本發(fā)明所述提高繞組利用率的磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2是本發(fā)明所述電機(jī)的單元模塊間相位關(guān)系圖及初級(jí)齒間相位關(guān)系圖；

附圖3是本發(fā)明所述電機(jī)的初級(jí)齒的結(jié)構(gòu)示意圖；(a)虛齒和虛槽示意圖，(b)永磁體單元示意圖；

附圖4是本發(fā)明所述電機(jī)的工作原理圖；

附圖5是本發(fā)明所述電機(jī)的三相反電勢(shì)波形圖；

附圖6是本發(fā)明所述電機(jī)與已有電機(jī)的a相反電勢(shì)的對(duì)比圖；

附圖7是本發(fā)明所述電機(jī)與已有電機(jī)的推力和銅耗的對(duì)比圖；

附圖8是本發(fā)明所述電機(jī)與已有電機(jī)的a相自感的對(duì)比圖；

附圖9是本發(fā)明所述電機(jī)的互感波形圖。

圖中：1.初級(jí)；11.單元模塊；112.第一初級(jí)齒；113.第二初級(jí)齒；1141.第一初級(jí)槽；1142.第二初級(jí)槽；115.軛部；116.三相繞組；21.第一次級(jí)；22.第二次級(jí)；300.永磁體單元；31.第一永磁體；32.第二永磁體；33.第三永磁體；34.第四永磁體；41.第一氣隙；42.第二氣隙。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

參見圖1，本發(fā)明所述的提高繞組利用率的磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)包含初級(jí)1、第一次級(jí)21和第二次級(jí)22三個(gè)部分，初級(jí)1與第一次級(jí)21、第二次級(jí)22之間分別具有第一氣隙41、第二氣隙42，氣隙的厚度根據(jù)電機(jī)的功率要求及工作環(huán)境選取。初級(jí)和次級(jí)均采用硅鋼片材料疊壓而成，次級(jí)21和次級(jí)22分別在靠近氣隙41和42一側(cè)由鐵芯開槽形成梯形槽結(jié)構(gòu)，初級(jí)1上在靠近氣隙側(cè)開槽形成初級(jí)齒112和113以及初級(jí)槽1141和1142結(jié)構(gòu)，兩種初級(jí)齒在與電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向垂直的方向上軛部疊加形成一個(gè)單元模塊11，每一個(gè)單元模塊11呈h形，單元模塊11中的槽1141和1142中放置繞組116且單元模塊與每相繞組一一對(duì)應(yīng)，每相電樞繞組116采用環(huán)形繞組，繞組繞在單元模塊的軛部115，每相環(huán)形繞組只需一組線圈，同時(shí)切割兩種初級(jí)齒上永磁體單元產(chǎn)生的磁力線，減少繞組的用量，降低銅耗。

參見圖1，圖2，s個(gè)單元模塊11構(gòu)成s相電機(jī)，單元模塊間相距(k+1/s)τs，k＝0,1,2,…，s為單元模塊個(gè)數(shù)即繞組相數(shù)，由于本電機(jī)為三相電機(jī)，故s取3，τs為次級(jí)極距，τs＝s1*s/ps，s1為一個(gè)單元模塊的有效長度。此時(shí)，初級(jí)的相鄰單元模塊間空間相位互差120°電角度，所以各單元模塊間定位力波形互差120°電角度，因此最終合成的定位力相互抵消，大大降低了電機(jī)的定位力。

參見圖1，圖2，圖3(a)，上述單元模塊11上的虛槽為六個(gè)，每個(gè)初級(jí)齒上各開有三個(gè)虛槽101，所述每個(gè)虛槽101放置有一個(gè)永磁體單元300，初級(jí)齒112中的永磁體單元300由位于兩側(cè)的兩塊極性相反的切向充磁的第一永磁體31、第三永磁體33和中間一塊徑向充磁的第二永磁體32組成，初級(jí)齒113中的永磁體單元300中間的第四永磁體34充磁方向和第二永磁體充磁方向相反，具體充磁方向如圖3(b)上的箭頭所示，所述永磁體采用釹鐵硼磁材料。

從圖4中可以看出各單元模塊中電樞反應(yīng)產(chǎn)生的磁力線只通過相應(yīng)相繞組，說明各相之間互相不影響，因此初級(jí)模塊化結(jié)構(gòu)可以有效的降低相間的耦合程度，同時(shí)初級(jí)齒112和初級(jí)齒113中磁力線分布以軛部為軸對(duì)稱，為并聯(lián)關(guān)系，互不影響，說明各個(gè)單元模塊中單邊初級(jí)齒可獨(dú)立與次級(jí)產(chǎn)生調(diào)制磁場(chǎng)。永磁體產(chǎn)生的有效磁場(chǎng)分布的極對(duì)數(shù)ppm，三相繞組產(chǎn)生的有效磁場(chǎng)分布的極對(duì)數(shù)pw和次級(jí)有效極對(duì)數(shù)ps滿足公式pw＝│ppm-ps│，且對(duì)于電機(jī)整體結(jié)構(gòu)和各單元模塊結(jié)構(gòu)及單邊電機(jī)結(jié)構(gòu)都滿足此公式。對(duì)于電機(jī)整體結(jié)構(gòu)，永磁體陣列300個(gè)數(shù)為36，即ppm＝36，電樞繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)分布的極對(duì)數(shù)pw為6，對(duì)應(yīng)次級(jí)21和22總的有效極對(duì)數(shù)ps為42，滿足pw＝│ppm-ps│；對(duì)于單元模塊結(jié)構(gòu)，永磁體陣列個(gè)數(shù)為12，即ppm＝12，電樞繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)分布的極對(duì)數(shù)pw為2，對(duì)應(yīng)次級(jí)有效極對(duì)數(shù)為14，滿足pw＝│ppm-ps│；對(duì)于單邊電機(jī)結(jié)構(gòu)，永磁體陣列個(gè)數(shù)為18，即ppm＝18，電樞繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)分布的極對(duì)數(shù)pw為3，對(duì)應(yīng)次級(jí)有效極對(duì)數(shù)為21，滿足pw＝│ppm-ps│。

圖5為本發(fā)明所述的提高繞組利用率的磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線電機(jī)三相空載反電動(dòng)勢(shì)波形圖,可以看出電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)正弦對(duì)稱，說明該電機(jī)結(jié)構(gòu)消除了端部效應(yīng)對(duì)磁路的不良影響，進(jìn)而使各相反電動(dòng)勢(shì)的波形更加正弦，解決了傳統(tǒng)直線電機(jī)由于端部效應(yīng)的影響致使反電動(dòng)勢(shì)不平衡的問題。

圖6為本發(fā)明所述的提高繞組利用率的磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線電機(jī)與已有電機(jī)的a相空載反電動(dòng)勢(shì)波形對(duì)比圖,從圖中可以看出，將電機(jī)繞組繞在電機(jī)軛部之后，一組線圈與已有電機(jī)中的采用兩組線圈所得的反電勢(shì)幅值相等，因此本發(fā)明的磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線電機(jī)繞組利用率較高，繞組用量減少一半。

圖7為本發(fā)明所述提高繞組利用率的磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線電機(jī)與已有電機(jī)的推力與銅耗對(duì)比圖，從圖中可以看出，減少繞組用量后的電機(jī)的推力并沒有明顯降低，但是銅耗降低了49％，因此本發(fā)明的磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線電機(jī)繞組利用率較高，銅耗低。

圖8為本發(fā)明所述提高繞組利用率的磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線電機(jī)與已有電機(jī)的三相自感波形對(duì)比圖，從圖中可以看出電機(jī)的自感并沒有較大的差異，驗(yàn)證了提出的直線電機(jī)保證了輸出推力大小和脈動(dòng)。

參見圖8，圖9，本發(fā)明所述提高繞組利用率的磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線電機(jī)的三相互感波形圖中的自感互感比值較小為0.9％，因此電機(jī)具有較高的容錯(cuò)能力。

本發(fā)明所述提高繞組利用率的磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線電機(jī)，通過初級(jí)模塊化和繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一方面使得相間耦合程度大大較低，提高了電機(jī)的容錯(cuò)性能，另一方面提高繞組利用率，減少繞組用量，降低銅耗；同時(shí)單元模塊間的定位力相互抵消，有效的抑制了定位力的幅值，降低了電機(jī)的推力波動(dòng)。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示意性實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。