模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機及由其構成的電機模組的製作方法

2023-05-15 08:52:46

專利名稱：模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機及由其構成的電機模組的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種雙凸極直線電機，具體涉及的是一種模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機及由其構成的電機模組，屬於直線電機製造技術領域。
背景技術：
隨著工業的發展，直線電機得到廣泛的應用。採用直線電機驅動可以省去傳統的把旋轉運動轉換為直線運動的機械齒輪，從而降低系統成本，減小噪聲，減小系統體積，降低維護成本。特別在軌道交通應用中，採用旋轉電機驅動時，其驅動力是通過車輪和鐵軌之間的黏著力產生，速度過高及減速時會出現輪軌滑動等問題。因此，採用直線電機代替旋轉電機這一技術手段，可以克服旋轉電機在此應用場合中的上述缺點，提高整個系統的效率。目前直線感應電機已經在廣州地鐵線路中得到應用。直線感應電機為無刷結構， 不需要維護，定子結構簡單，系統成本低在城市軌道交通直線驅動發揮重要作用。但是，直線感應電機的調速性能不佳，儘管採用矢量控制等變頻技術，控制複雜，調速性能仍然無法與直流電機相比。永磁同步直線電機具有功率密度和效率高等優點，但是由於其電樞繞組和永磁分別安裝在動子和定子上，在如軌道交通等長定子應用場合無論是將電樞繞組還是永磁體沿軌道鋪設都會造成系統成本過大，維護不方便等缺點。而且永磁體為稀有材料，價格昂貴， 性能對環境溫度，機械振動等因素敏感，在軌道交通場合應用存在很多缺點。重要的是電機磁場由永磁體提供勵磁，不容易控制，必須採用弱磁控制技術增加了系統成本和複雜性。

實用新型內容針對現有技術上存在的不足，本實用新型目的是提供一種調速性能好、運行可靠、 結構簡單和成本低的模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機及由其構成的電機模組。為了實現上述目的，本實用新型是通過如下的技術方案來實現本實用新型的模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機，包括初級和次級，初級包括動子模塊，動子模塊包括第一模塊、第二模塊和設置在第一模塊和第二模塊之間的第一非導磁材料；第一模塊和第二模塊均包括兩個凸極導磁材料，凸極導磁材料設有m個初級齒；每個初級齒上設有集中電樞繞組，兩凸極導磁材料的連接處及m個初級齒上分別設有集中勵磁繞組；第一模塊和第二模塊的相對位移為λ 2 = (k士0. 5) τ s，第一模塊和第二模塊中兩凸極導磁材料的相對位移為λ工=m* τ m，初級極距和次級極距之比為τ m/ τ s = (m士 1) /m,其中，τω為初級極距，^為次級極距，m為電機的相數，k為正整數。當電機需要運行在高速時，減小直流勵磁電流的大小，從而減小電機的勵磁磁場強度，最終達到調速目的，低速時需要增加電機推力時，可以增加勵磁電流的大小，提高輸出推力。[0012]上述第一模塊及第二模塊均還包括設置在兩凸極導磁材料之間厚度可調的非導磁墊片。非導磁墊片用於調節電樞繞組電感，其厚度根據需要選取。上述第一模塊和第二模塊中的集中勵磁繞組分別相互串聯組成第一模塊勵磁繞組和第二模塊勵磁繞組，第一模塊勵磁繞組和第二模塊勵磁繞組按照規定方向串聯起來進行控制，當按照規定方向通入電流後，第一模塊勵磁繞組和第二模塊勵磁繞組產生的磁場方向相反，當勵磁繞組通入恆定直流電流時，在每個模塊中產生恆定磁場，改變直流電流的大小可以控制勵磁磁場強度。上述第一模塊和第二模塊中屬於同相的集中電樞繞組相互串聯組成一相電樞繞
組。 上述初級和次級均為凸極結構，且兩者之間具有氣隙。上述初級齒及次級可為直槽或斜槽結構。凸極結構是指初級和次級為齒槽結構， 這個齒可以傾斜一定的角度，傾斜角度為零稱為直槽結構，角度不為零就是斜槽結構，為直槽時可以得到較對稱的梯形波，斜槽時可以得到正弦波。上述次級僅為導磁材料。導磁材料價格便宜，使得本實用新型特別適用於如軌道交通驅動系統，可以大大降低系統的成本。上述模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機是電動機或發電機。作為發電機運行時，通過改變勵磁電流的大小可以得到不同速度下恆定的反電動勢。本實用新型由模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機構成的電機模組，包括η 個動子模塊和設置在相鄰兩動子模塊之間的第二非導磁材料，η為正整數。上述η個動子模塊中屬於同相的電樞繞組相互串聯組成一個電機繞組或作為多個電機繞組單獨控制。從而增加了系統的容錯能力。本實用新型作為驅動電機用時，特別適合於長定子結構直線電機應用場合，例如城市軌道交通直線電機，電磁彈射器或需要寬調速範圍的應用場合；本實用新型還可以作為發電機使用，用於海浪發電等場合，通過調節勵磁電流的大小，從而達到變速恆壓輸出以及恆速變壓輸出特性，相對於現有技術的調速性能不佳，本實用新型通過控制直流勵磁繞組的電流大小可以控制電機的勵磁磁場，從而擴大電機的恆功率調速範圍；電樞繞組和勵磁繞組可以單獨控制本實用新型的直流直線電機。
以下結合附圖和具體實施方式
來詳細說明本實用新型；

圖1為本實用新型模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機的一實施例結構示意圖；圖2為本實用新型電機模組的一實施例結構示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體實施方式
，進一步闡述本實用新型。本實用新型的模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機包括初級11和次級10， 初級11和次級10均為凸極結構，且兩者之間具有氣隙。其中，次級10上既無永磁體也無繞組，僅僅由價格較低的直槽或斜槽導磁材料組成，使得本實用新型特別適用於如軌道交通和高層樓房電梯等長定子應用場合，可以大大降低系統的成本。初級11包括動子模塊110，動子模塊110包括第一模塊IlOa和第二模塊110b，第一模塊IlOa與第二模塊IlOb之間設有第一非導磁材料114。第一模塊IlOa及第二模塊 IlOb均包括兩個凸極導磁材料112，兩凸極導磁材料112之間可以設置非導磁墊片111，非導磁墊片111用於調節電樞繞組電感，其厚度根據需要調整。凸極導磁材料112設有m個初級齒115，初級齒115為直槽或斜槽，每個初級齒115上都設有集中電樞繞組113 ；在第一模塊IlOa和第二模塊IlOb中，集中勵磁繞組116B套在兩凸極導磁材料112的連接處，集中勵磁繞組116A、116C套著每個凸極導磁材料112的m個初級齒115。參見圖l，m為電機的相數，取m= 3，即電機具有A、B、C三相，所以凸極導磁材料 112有三個初級齒115，每個初級齒115上設有集中電樞繞組113，每個凸極導磁材料112的三個初級齒115上設有集中勵磁繞組116A，116C，每個模塊中兩凸極導磁材料112的連接處也設有集中勵磁繞組116B。第一模塊IlOa及第二模塊IlOb均包括一個可調非導磁墊片 111、兩個凸極導磁材料112、六個集中電樞繞組113和三個集中勵磁繞組116A、116B、116C。第一模塊IlOa和第二模塊IlOb結構相同，相對位移為λ2 = (k 士 0. 5) τ s，k為正整數，取k = 4，第一模塊IlOa和第二模塊IlOb的相對位移為4. 5* τ s，τ s為次級極距； 每個 模塊中兩凸極導磁材料112的相對位移為λ工=3* τ m ；初級極距和次級極距之比為 τω/Ts = 2/3，其中，τ m為初級極距。第一模塊IlOa和第二模塊IlOb中的集中勵磁繞組116A、116B、116C分別相互串
聯組成第一模塊勵磁繞組和第二模塊勵磁繞組，第一模塊勵磁繞組和第二模塊勵磁繞組按照規定方向串聯起來進行控制，當按照規定方向通入電流後第一模塊勵磁繞組和第二模塊勵磁繞組產生的磁場方向相反，當勵磁繞組通入恆定直流電流時，在每個模塊中產生恆定磁場，改變直流電流的大小可以控制勵磁磁場強度。由於第一模塊110a、第二模塊IlOb和次級10都為凸極齒槽結構，通入勵磁電流後初級11與次級10之間產生齒槽力。由於相對定子位移互補特性，第一模塊IlOa和第二模塊IlOb所受齒槽力有180°相位差，且變化趨勢相反，因此第一模塊IlOa和第二模塊IlOb 合成的齒槽力被大大削弱甚至抵消。第一模塊IlOa中集中電樞繞組Al和A2串聯組成A相第一模塊電樞繞組；第二模塊IlOb中集中電樞繞組A3和A4串聯組成A相第二模塊電樞繞組；A相第一模塊電樞繞組與A相第二模塊電樞繞組相互串聯組成A相電樞繞組。其中，集中電樞繞組Al和A2之間的距離為3* τ m = 2* τ s。因此，相對初級11的位移相同，即集中電樞繞組Al和A2串聯後可得到總的電磁參數為每個繞組的2倍。本實用新型的初級11運動一個電氣周期360° (即移動％距離)過程中，A相第一模塊電樞繞組和A相第二模塊電樞繞組與次級10相對位置存在磁路上的差異。如圖 1所示位置時，通入直流勵磁電流後，如假定此時A相第一模塊電樞繞組磁鏈為負的最小幅值，那麼A相第二模塊電樞繞組磁鏈為正的最大幅值。在初級11移動一個周期過程中，A 相第一模塊電樞繞組磁鏈幅值變化過程為負最小幅值——負最大幅值——負最小幅值； 而A相第二模塊電樞繞組磁鏈幅值變化過程為正最大幅值——正最小幅值——正最大幅值。因此，兩部分電樞繞組中的磁鏈變化趨勢對稱互補，波形相位互差180°。雖然A相第一模塊電樞繞組和A相第二模塊電樞繞組中的磁鏈都為單極性磁鏈，但其合成的A相磁鏈為雙極性磁鏈且幅值變化範圍為每個的2倍。同時，每相電感在一個點周期內的波動幅值減小，從而減小由磁阻推力產生的推力波動。此特點與傳統的雙凸極直線電機不同。A相第一模塊電樞繞組和A相第二模塊電樞繞組產生的反電勢波形也具有對稱性，合成一相繞組後相互抵消一定的諧波分量，從而使每相反電勢幅值為A相第一模塊電樞繞組和A相第二模塊電樞繞組的2倍且對稱，初級齒115及次級10均為直槽或斜槽結構，為直槽時可以得到較對稱的梯形波，為斜槽時可以得到正弦波。分別適用於無刷直流(BLDC)和無刷交流控制(BLAC)。B，C兩相同樣具有A相的特點，三相之間相位互差120°電角度。當電機需要運行在高速時，減小直流勵磁電流的大小，從而減小電機的勵磁磁場強度，達到調速目的。低速時需要增加電機推力時，可以增加直流勵磁電流的大小，提高輸出推力。本實用新型的模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機可以是單邊平板結構、雙邊平板結構或圓筒型結構，可以運行在電動機或發電機狀態。參見圖2，本實施例中，本實用新型由模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機構成的電機模組，取η = 2，包括兩個動子模塊110和設置在兩動子模塊110之間的第二非導磁材料117，兩動子模塊110的相對位移為λ 3，適當調整λ 3可以進一步減小整個系統的定位力。兩個動子模塊110中屬於A相的電樞繞組相互串聯組成一個電機繞組或作為 多個電機繞組單獨控制，從而增加了系統的容錯能力。同樣B，C兩相具有A相的特點。由於軌道列車每節車廂較長，因此，多個電機模組可以安置在同一節車廂下。不僅可以提高輸出能力，還可以增強容錯性能。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特徵和本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和範圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型範圍內。本實用新型要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求1.模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機，包括初級(11)和次級(10)，所述初級 (11)包括動子模塊(110)，所述動子模塊(110)包括第一模塊(110a)、第二模塊(IlOb)和設置在第一模塊(IlOa)和第二模塊(IlOb)之間的第一非導磁材料(114)，其特徵在於，所述第一模塊(IlOa)和第二模塊(IlOb)均包括兩個凸極導磁材料(112)，所述凸極導磁材料(112)設有m個初級齒(115)；所述每個初級齒(115)上設有集中電樞繞組(113)， 所述兩凸極導磁材料(112)的連接處及m個初級齒(115)上分別設有集中勵磁繞組(116A， 116B,116C)；所述第一模塊(IlOa)和第二模塊(IlOb)的相對位移為A2= (k士0.5) τ s，所述第一模塊(IlOa)和第二模塊(IlOb)中兩凸極導磁材料(112)的相對位移為X1=m氺 τ ， 111 m'初級極距和次級極距之比為τω/τ3= (m 士 l)/m，其中，τω為初級極距，為次級極距，m為電機的相數，k為正整數。
2.根據權利要求1所述的模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機，其特徵在於，所述第一模塊(IlOa)及第二模塊(IlOb)均還包括設置在兩凸極導磁材料(112)之間厚度可調的非導磁墊片(111)。
3.根據權利要求1所述的模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機，其特徵在於，所述第一模塊(IlOa)和第二模塊(IlOb)中的集中勵磁繞組(116A，116B，116C)分別相互串聯組成第一模塊勵磁繞組和第二模塊勵磁繞組，所述第一模塊勵磁繞組和第二模塊勵磁繞組相互串聯。
4.根據權利要求1所述的模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機，其特徵在於，所述第一模塊(IlOa)和第二模塊(IlOb)中屬於同相的集中電樞繞組(113)相互串聯組成一相電樞繞組。
5.根據權利要求1至4任意一項所述的模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機，其特徵在於，所述初級(11)和次級(10)均為凸極結構，且兩者之間具有氣隙。
6.根據權利要求5所述的模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機，其特徵在於，所述初級齒(115)及次級(10)可為直槽或斜槽結構。
7.根據權利要求1至4任意一項所述的模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機，其特徵在於，所述次級(10)僅為導磁材料。
8.根據權利要求1至4任意一項所述的模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機，其特徵在於，所述模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機是電動機或發電機。
9.由權利要求1至4任意一項所述的模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機構成的電機模組，其特徵在於，包括η個動子模塊(110)和設置在相鄰兩動子模塊(110)之間的第二非導磁材料(117)，η為正整數。
10.根據權利要求9所述的電機模組，其特徵在於，所述η個動子模塊(110)中屬於同相的電樞繞組相互串聯組成一個電機繞組或作為多個電機繞組單獨控制。
專利摘要本實用新型公開了模塊化互補型初級雙饋電雙凸極直線電機及由其構成的電機模組，包括初級和次級，初級包括動子模塊，動子模塊包括第一模塊、第二模塊和設置在第一模塊和第二模塊之間的第一非導磁材料；第一模塊和第二模塊均包括兩個凸極導磁材料，凸極導磁材料設有m個初級齒；每個初級齒上設有集中電樞繞組，兩凸極導磁材料的連接處及m個初級齒上分別設有集中勵磁繞組。本實用新型作為驅動電機用時，特別適合於長定子結構直線電機應用場合，例如城市軌道交通直線電機，電磁彈射器或需要寬調速範圍的應用場合；本實用新型還可以作為發電機使用，用於海浪發電等場合，通過調節勵磁電流的大小，從而達到變速恆壓輸出以及恆速變壓輸出特性。
文檔編號H02K41/035GK202068314SQ201120101890
公開日2011年12月7日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者曹瑞武, 程明, 花為, 趙文祥 申請人:東南大學