阅读说明：本技术 一种圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机 (Cylindrical primary permanent magnet type transverse flux linear motor ) 是由 付东山 伍小杰 徐衍亮 李小强 夏晨阳 于东升 廖志娟 于 2019-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机,包括初级机构和次级机构,初级机构包括若干个结构相同的初级单元,N个初级导磁部件由轭部顺序围绕形成正N边形或圆形,相邻两个初级导磁部件的齿部借助永磁体相连,形成一个磁极,电枢绕组缠绕于该磁极上；所有初级单元依次同轴排列；次级机构包括一个固定轴和若干个次级导磁部件,次级导磁部件包含轭部以及N个齿部,N个齿部均匀排列于轭部外周,分别与N个磁极中同一位置的齿部相对齐；相邻次级导磁部件错开依次交替排列。此种电机结构可实现永磁体和绕组同时位于初级侧并且各相隔离解耦,电磁相互独立,转矩密度高,设计灵活,控制方便,次级侧结构简单可靠的优良特性。(The invention discloses a cylindrical primary permanent magnet type transverse flux linear motor which comprises a primary mechanism and a secondary mechanism, wherein the primary mechanism comprises a plurality of primary units with the same structure, N primary magnetic conduction components are sequentially surrounded by yoke parts to form regular N-shaped or circular, tooth parts of two adjacent primary magnetic conduction components are connected by a permanent magnet to form a magnetic pole, and an armature winding is wound on the magnetic pole; all the primary units are coaxially arranged in sequence; the secondary mechanism comprises a fixed shaft and a plurality of secondary magnetic conducting parts, each secondary magnetic conducting part comprises a yoke part and N tooth parts, and the N tooth parts are uniformly arranged on the periphery of the yoke part and are respectively aligned with the tooth parts at the same position in the N magnetic poles; the adjacent secondary magnetic conduction components are staggered and arranged in turn. The motor structure can realize that the permanent magnet and the winding are simultaneously positioned on the primary side and are isolated and decoupled, and has the excellent characteristics of mutual independence of electromagnetism, high torque density, flexible design, convenient control and simple and reliable secondary side structure.)

一种圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机

技术领域

本发明属于电机设计技术领域，特别涉及一种圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机。

背景技术

直线电机在驱动直线运动负载时，省却了旋转电机的旋转到直线运动的转换机构，因而具有整体结构简单、位置精度高、响应速度快、噪声低等优势。使整个系统效率得到提高。近年来，随着直线驱动的应用越来越广泛，直线电机逐渐成为了研究与研发的热点之一，并且已经被广泛地应用于军事工业、航空航天、轨道交通、电磁弹射等领域。

横向磁通直线永磁电机的运动方向与电机磁场路径所在平面垂直，电机的电路和电机磁路相对较为独立，与传统电机相比，横向磁通电机具有转矩密度高、设计灵活、电磁负荷解耦、控制方便、低速特性优良等特点，其应用领域也日益扩展，尤其适合低速大功率驱动场合,横向磁通电机极大地缩短了磁路长度，减小了铁磁材料的用量和铁耗，在一定范围内提高了磁能变化率，进而提高了电机的出力。然而该永磁电机因为永磁体和绕组分别位于电机动定子上，导致电机结构不稳定，并且永磁体难于散热，限制了在高可靠性领域的应用。

近年来出现的定子永磁型电机，由于永磁体和绕组均置于电机的定子，而动子上既无绕组也无永磁体。因此，具有效率高、动子结构简单以及永磁体易于散热等优点。其中，尤以磁通切换永磁电机功率密度最高。已有研究表明，该电机虽具有一定程度的容错性能，但相间不具备磁隔离能力，故电机的容错能力有待进一步提高。克服相间耦合的弊端，研究容错式磁通切换永磁电机结构，已成为当前国内外相关领域的研究热点。

将传统旋转电机展开得到的直线电机通常为单边结构，动定子之间存在法向力即单边磁拉力，单边磁拉力通常较大，会使动子与定子之间产生较大的摩擦力，增加动定子轴承负担影响电机性能和寿命，因此通常会有双边结构，双边结构理论上可以减小法向磁拉力，但由于工艺等问题的存在，会存在双边气隙不对称问题，单边磁拉力的情况无法彻底解决。而圆筒型以圆形定子分布，在合理设计，规范安装的情况下，可以有效地抵消径向磁拉力，同时圆筒型直线电机能够提高电机空间利用率，而传统圆筒型横向磁通永磁直线电机无论是绕组部分还是永磁体励磁部分均存在结构复杂、安装装配困难的问题，因此其结构还有较大的改进空间。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机，其可实现永磁体和绕组同时位于初级侧并且各相隔离解耦，电磁相互独立，转矩密度高，设计灵活，控制方便，次级侧结构简单可靠的优良特性。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机，包括初级机构和次级机构，其中，初级机构包括若干个结构相同的初级单元，每个初级单元包括N个初级导磁部件、N个电枢绕组和N个永磁体，其中，N个初级导磁部件由轭部顺序围绕形成正N边形或圆形，相邻两个初级导磁部件的齿部借助永磁体相连，形成一个磁极，电枢绕组缠绕于该磁极上；所有初级单元依次同轴排列；

所述次级机构包括一个固定轴和若干个次级导磁部件，次级导磁部件包含轭部以及N个齿部，N个齿部均匀排列于轭部外周，分别与N个磁极中同一位置的齿部相对齐；每个轭部的中心均开设固定孔，固定轴顺序穿过各固定孔，使相邻次级导磁部件错开依次交替排列；所述初级机构环绕于次级机构外部，且次级机构的固定轴与初级单元同轴。

初级机构与次级机构的排列是：某一个次级导磁部件的第i个齿与初级单元中第i个初级导磁部件的一个齿在端部视图上相对齐，则与该次级导磁部件相邻的次级导磁部件的第i个齿与该初级单元中第i个初级导磁部件的另一个齿在端部视图上相对齐，i＝1，2，…，N。

上述初级单元的个数为电机相数的整数倍。

相邻初级单元间距l_s与相邻次级导磁部件间距l_p的关系式为：

其中，k＝0,1,2,3,…，M为电机相数。

上述次级导磁部件间距l_p与次级导磁部件厚度τ_p的关系是l_p≥τ_p。

同一个初级单元上相邻的永磁体相对面的极性相同。

上述初级和次级导磁部件由铁芯硅钢片叠压而成，或者由复合导磁材料塑造而成。

上述直线电机中，同相的初级单元中，电枢绕组相互串联或并联。

上述初级机构和次级机构互为固定部件和运动部件。

上述直线电机既能够作为发电机，也能够作为电动机。

上述初级单元中的磁极个数不受电机相数、初级/次级导磁部件在运动方向厚度、初级单元间距、次级导磁部件间距限制且为整数。

采用上述方案后，本发明的有益效果为：

(1)电机采用横向磁通结构，同时电机永磁体和绕组均安装在初级部分，次级上既无绕组也无永磁体，同时还保持了横向磁通直线电机各相隔离解耦、电磁相互独立的优点，具有转矩密度高、设计灵活、电磁负荷解耦、控制方便、低速特性优良、效率高、次级结构简单以及永磁体易于散热等特点；

(2)电机结构简单紧凑，组装方便容易，空间利用率高；

(3)每个初级单元都是相互独立的，电机可靠性高、容错能力强；

(4)采用圆筒型结构，没有单边磁拉力，导轨轴承负担小，使用寿命长；

附图说明

图1(a)是本发明的一种三相初级单元四磁极圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机的整体结构示意图；

图1(b)是本发明的一种三相初级单元四磁极圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机的端部视图结构示意图及永磁体的一种充磁方向示意图；

图2(a)是本发明的一种三相初级单元四磁极圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机的初级结构俯视示意图；

图2(b)是本发明的一种三相初级单元四磁极圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机的次级结构俯视示意图；

图3(a)是本发明的一种三相初级单元四磁极圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机初级单元导磁材料结构示意图；

图3(b)是本发明的一种三相初级单元四磁极圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机初级单元结构示意图；

图4(a)是本发明的一种三相初级单元四磁极圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机的次级结构示意图；

图4(b)是本发明的一种三相初级单元四磁极圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机的次级导磁部件结构示意图；

图4(c)是本发明的一种三相初级单元四磁极圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机的次级导磁部件结构示意图；

图5(a)是本发明的一种三相初级四磁极圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机次级导磁部件4与初级单元对齐时的磁通流向示意图；

图5(b)是本发明的一种三相初级四磁极圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机次级导磁部件5与初级单元对齐时的磁通流向示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1(a)所示为一种三相初级四磁极圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机结构示意图，包括初级和次级两部分，初级部分包括若干个结构相同的初级单元，每个初级单元由初级导磁部件、电枢绕组和永磁体组成，次级部分由依次排列的次级导磁部件和固定轴组成；初级和次级导磁部件可以由铁芯硅钢片叠压而成，也可以由复合导磁材料塑造而成。次级导磁部件采用不对称结构，依次错开固定在固定轴上。图1(b)是本发明的一种三相初级单元四磁极圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机的端部视图结构示意图及永磁体的一种充磁方向示意图；该电机初级永磁体充磁方向可如图所示，也可均反向充磁，只需保证相邻永磁体相互接近的那面磁极相同。次级导磁部件正反交替排列固定于固定轴上形成次级，使次级齿与初级齿相对齐，随着次级的运动，次级上的导磁部分分别和初级磁极两边的导磁齿对齐，从而使绕组内磁链交替变化，产生感应电动势。需要注意的是该电机结构为外形为方形，其也可以为圆形结构；本发明圆筒型初级永磁式横向磁通直线电机既可作为电动机也可作为发电机。

每个初级单元包括初级导磁部件1、永磁体2和电枢绕组3；次级部分包括安装方式不同的次级导磁部件4、5和固定轴6，次级导磁部件4和次级导磁部件5均有四个齿，两种导磁部件上的齿交错排列，分别对应初级磁极上两边的初级导磁齿。图1(a)、图1(b)中示意性地画出该电机的一种初级四磁极三相结构，初级单元相互间隔120°电角度形成电机各相。电机的初级单元个数和次级导磁部件个数不限于此，可根据电机相数长度等实际情况增加或减少，同相的初级单元绕组相互串联或并联，同一初级单元中的绕组可相互串联或并联。

由图2(a)所示为电机初级排列视图，沿电机运动方向，电机初级单元间距l_s及电机初级单元厚度τ_s由电机容量、次级导磁部件间距等决定。图2(b)所示为电机次级导磁部件排列示意图，沿电机运动方向，导磁部件厚度为τ_p，和相邻导磁部件的间距为l_p。如电机为M相，则电机初级单元个数N＝K M；其中K为大于零的整数。初级单元间距、次级导磁部件的间距、电机的相数之间的关系可由下式决定：

其中k＝0,1,2,3...。

由图3(a)、图3(b)所示为该电机初级单元结构示意图。其中图3(a)为初级单元导磁部件结构示意图，主要为导磁铁芯1-1、1-2、1-3、1-4和永磁体2-1、2-2、2-3、2-4形成四个初级磁极，每个磁极由两个导磁铁芯的各一个齿和一个永磁体组成；图3(b)为初级单元结构示意图，除包含初级单元导磁部件外，还由缠绕在各个磁极上的电枢线圈3-1、3-2、3-3、3-4组成。

由图4(a)所示为该电机次级结构示意图，其包含导磁部件4和导磁部件5以及固定轴6组成，导磁部件4、5结构相同，且固定方向不同，使电机运行时电机绕组磁通发生变化。图4(b)为次级导磁部件5的结构示意图，导磁部件5包括导磁轭部和齿部，齿部由5-1、5-2、5-3、5-4组成，图4(c)为次级导磁部件4结构示意图，导磁部件4包括导磁轭部和齿部，齿部由4-1、4-2、4-3、4-4组成。次级结构简单，没有永磁体，制作方便。

由图5(a)所示为次级导磁部件4与初级单元对齐时的磁通流向示意图，图5(b) 所示为次级导磁部件5与初级单元对齐时的磁通流向示意图。从图5(a)、图5(b) 可以看出，次级运动时，从导磁部件4与初级单元对齐到导磁部件5与初级单元对齐时，绕组磁链方向，电机内部磁通流向均发生变化。说明该电机原理可行，结构可靠。

本发明的工作原理为：当电机次级沿着运动方向移动时(初级和次级相对运动)，相邻两个次级导磁部件的齿部分别与初级单元中各磁极两边的导磁齿对齐，从而使通过初级磁极上的绕组的磁链交替变化，使绕组感应出相应的感应电动势，当在初级绕组上施加变化电流时就会产生推力。通过合理安排初级单元间间距和次级导磁部件的间距，通过运动方向上初次级之间的相对位置，合理给初级单元的各相绕组通电，可产生持续的推力。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。