一种双边短初级同步磁阻直线电机
阅读说明：本技术 一种双边短初级同步磁阻直线电机 (Bilateral short primary synchronous reluctance linear motor ) 是由 任林杰 廖志明 赵元哲 孙彦 林国斌 王欢 于 2021-01-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种双边短初级同步磁阻直线电机,包括两个对称设置的长次级定子(2)以及安装在长次级定子(2)之间并可做往复运动的短初级动子(1),所述的短初级动子(1)与两侧的长次级定子(2)之间均设有间隙(3),所述的短初级动子(1)包括初级铁芯(11)和电枢绕组(12),所述的初级铁芯(11)上靠近长次级定子表面(21)的两侧均设有齿槽结构,所述的电枢绕组(12)设置在所述的齿槽结构中。与现有技术相比,本发明兼具高效、低成本、高推力密度、低转矩脉动、宽调速范围特性等优点。(The invention relates to a bilateral short primary synchronous reluctance linear motor which comprises two symmetrically arranged long secondary stators (2) and a short primary rotor (1) which is arranged between the long secondary stators (2) and can reciprocate, wherein gaps (3) are respectively arranged between the short primary rotor (1) and the long secondary stators (2) at two sides, the short primary rotor (1) comprises a primary iron core (11) and an armature winding (12), both sides of the primary iron core (11) close to the surface (21) of the long secondary stators are respectively provided with a tooth space structure, and the armature winding (12) is arranged in the tooth space structure. Compared with the prior art, the invention has the advantages of high efficiency, low cost, high thrust density, low torque pulsation, wide speed regulation range and the like.)
技术领域
本发明涉及电机本体设计和制造技术领域，尤其是涉及一种双边短初级同步磁阻直线电机。
背景技术
直线电机是一种典型的将电能直接转换为直线运动机械能的机电能量转换装置，具有节省中间架构、无磨损、噪声低、反应速度快以及能量传递效率高等优点。已经广泛地应用于交通、军事、航空航天以及工业自动化等各个需要直接产生推力的场景之中。
现有的直线电机技术主要有：直线感应电机、永磁直线电机、开关磁阻直线电机。其中，直线感应电机在城市轨道交通领域被广泛采用，然而受制于其端部效应和较低的效率和功率因数，直线感应电机的调速范围有限；永磁直线电机具有大推力、高功率密度以及高效律等优点，但在长距离驱动系统中，大量永磁材料的使用在提高制造成本的同时给维护和安装环境带来挑战；开关磁阻直线电机具有结构简单、可靠性高、成本低等优点，其主要问题为推力波动大。
同步磁阻电机具有高效、低成本、高转矩密度等优点，其转子为无励磁的铁芯结构，结构鲁棒性高，对工作温度不敏感。相比于开关磁阻电机，同步磁阻电机转矩脉动更小，振动和噪音更低。然而，对于需要大推力、高推力密度且对成本敏感的直线电机应用场合，亟需一种能够兼顾高效、低成本、高推力密度、低转矩脉动和宽调速范围特性的直线装置。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双边短初级同步磁阻直线电机。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种双边短初级同步磁阻直线电机，包括两个对称设置的长次级定子以及安装在长次级定子之间并可做往复运动的短初级动子，所述的短初级动子与两侧的长次级定子之间均设有间隙，所述的短初级动子包括初级铁芯和电枢绕组，所述的初级铁芯上靠近长次级定子表面的两侧均设有齿槽结构，所述的电枢绕组设置在所述的齿槽结构中。
优选地，所述的短初级动子两侧的齿槽结构呈对称形式。
优选地，所述的短初级动子两侧的电枢绕组也成对称形式分布在所述的齿槽结构中。
优选地，所述的齿槽结构包括依次交错排布的初级槽和初级齿，所述的电枢绕组设置在初级槽中。
优选地，所述的初级槽的电枢绕组为双层分布式绕组。
优选地，所述的长次级定子包括沿短初级动子运动方向依次安装的若干磁极模块。
优选地，所述的磁极模块包括有铁肋磁极模块，所述的有无铁肋磁极模块包括磁障、磁桥和纵向铁肋，所述的磁障和磁桥均设置多个并交错排布，所述的纵向铁肋与短初级动子运动方向平行用于将多个磁桥的端部连接为一体。
优选地，所述的磁极模块包括无铁肋磁极模块，所述的无铁肋磁极模块包括磁障、磁桥和非导磁填充材料，所述的磁障和磁桥均设置多个并交错排布，所述的非导磁填充材料填充在磁障中将多个磁桥连接为一体。
优选地，所述的磁障的外轮廓为直线段构成的多直线型。
优选地，所述的磁障的外轮廓为样条曲线构成的流线型。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明提出的双边短初级同步磁阻直线电机，受益于同步磁阻电机的结构特点和推力产生机理，本发明双边短初级同步磁阻直线电机相较于开关磁阻直线电机具有更小的转矩波动,更低的振动和噪声，相比于直线感应电机具有更高的效率和更宽的调速范围，更为重要的是本发明采用双边结构：在短初级动子两侧分别设置齿槽结构并布置电枢绕组，同时在短初级动子两侧对应设长次级定子，因此，相较与同等长度的单边结构的同步磁阻电机具有更大的推力和推力密度，推力为同等长度的单边结构同步磁阻电机2倍，同时由于短初级动子两侧与长次级定子产生的吸引力相互抵消，使得整个短初级动子无法向力，对整个直线电机机械结构强度要求降低，从而降低结构成本；
(2)本发明短初级动子由对称齿槽和整数分布式绕组组成，提高了整个电机的推进力密度；
(3)本发明长初级定子由模块化的磁极模块组成，可通过合理优化的磁障、磁桥形状以及纵向铁肋的取舍，进一步提升电机的推力、减小转矩波动。
附图说明
图1为本发明一种双边短初级同步磁阻直线电机的整体俯视图；
图2为本发明短初级动子的结构示意图；
图3为实施例1中磁极模块的结构示意图；
图4为实施例2中磁极模块的结构示意图；
图5为实施例3中磁极模块的结构示意图；
图6为实施例4中磁极模块的结构示意图；
图中，1为短初级动子，2为长次级定子，3为间隙，11为初级铁芯，12为电枢绕组，13为初级槽，21为长次级定子表面，22为磁极模块，131为第一初级槽，132为第二初级槽，141为第一初级齿，142为第二初级齿，221为磁障，222为磁桥，223为纵向铁肋。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种双边短初级同步磁阻直线电机，包括两个对称设置的长次级定子2以及安装在长次级定子2之间并可做往复运动的短初级动子1，短初级动子1与两侧的长次级定子2之间均设有间隙3，短初级动子1包括初级铁芯11和电枢绕组12，初级铁芯11上靠近长次级定子表面21的两侧均设有齿槽结构，电枢绕组12设置在齿槽结构中。长次级定子2包括沿短初级动子1运动方向依次安装的若干磁极模块22。
本发明在短初级动子1两侧分别设置齿槽结构并布置电枢绕组12，同时在短初级动子1两侧对应设长次级定子2，由此形成双边结构，双边短初级同步磁阻直线电机本质上是一种励磁和电能输入均只在短初级动子1上的机电能量转换装置，其两侧的长次级定子2上无励磁，长次级定子2为简单的硅钢片叠压而成的鲁棒结构，因此无铜耗产生。相较与同等长度的单边结构的同步磁阻电机具有更大的推力和推力密度，推力为同等长度的单边结构同步磁阻电机2倍，同时由于短初级动子1两侧与长次级定子2产生的吸引力相互抵消，使得整个短初级动子1无法向力，对整个直线电机机械结构强度要求降低，从而降低成本。
如图2所示，短初级动子1两侧的齿槽结构呈对称形式，短初级动子1两侧的电枢绕组12也成对称形式分布在齿槽结构中。齿槽结构包括依次交错排布的初级槽13和初级齿，电枢绕组12设置在初级槽13中。本实施例中如图2，包括对称的第一初级槽131和第二初级槽132，以及对称的第一初级齿141和第二初级齿142，第一初级槽131和第一初级齿141依次交错排布，第二初级槽132和第二初级齿142依次交错排布，在第一初级槽131和第二初级槽132中对称安装电枢绕组12，电枢绕组12为双层分布式绕组，本实施例采用3相、每极每相槽数为3的双层分布式绕组，所用材料为铜、铝或超导材料。为进步削弱端部效应，可采用短初级动子1两端部分绕组单层设置或对短初级动子1两端的初级齿进行合理切割的方案。
如图3所示，磁极模块22包括有铁肋磁极模块22，有无铁肋磁极模块22包括磁障221、磁桥222和纵向铁肋223，磁障221和磁桥222均设置多个并交错排布，纵向铁肋223与短初级动子1运动方向平行用于将多个磁桥222的端部连接为一体。磁障221的外轮廓为直线段构成的多直线型。在电机外形结构尺寸确定的情况下对磁极模块22中磁障221的优化设计是决定电机推力属性的关键。磁障221厚度和磁桥222厚度对应凸极比的确定，是随电机外特性需求变化的，可根据具体需求设置。
实施例2
本实施例提供一种双边短初级同步磁阻直线电机，该电机的整体结构与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中磁极模块22如图4所示，磁极模块22中磁障221的外轮廓为样条曲线构成的流线型，其余均与实施例1相同。实施例1和实施例2两者的主要区别在于相应的导磁比和在磁障221外轮廓线附近磁力线的走向不同，由此产生电机突极比和转矩密度的差异，需综合考量长次级定子2的机械强度做权衡选择。
实施例3
本实施例提供一种双边短初级同步磁阻直线电机，该电机的整体结构与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中磁极模块22如图5所示，磁极模块22包括无铁肋磁极模块22，无铁肋磁极模块22包括磁障221、磁桥222和非导磁填充材料，磁障221和磁桥222均设置多个并交错排布，非导磁填充材料填充在磁障221中将多个磁桥222连接为一体，磁障221的外轮廓为直线段构成的多直线型。其余均与实施例1相同，实施例1和实施例3的主要区别在于：从电机电磁特性的角度看，实施例1中纵向铁肋223是无用的，纵向铁肋223在磁路中充当了磁路开关的角色，电机运行中需要较大的电流使其饱和，增加了电机无功功率的输入。从电机机械特性看，纵向铁肋223的存在保证了磁极模块22在机械上的完整性，去掉纵向铁肋223增加了磁极模块22的加工难度。在实际应用中，在定子结构强度需求满足的前提下，可用环氧乙烯等非导磁材料对去掉纵向铁肋223的磁极模块22进行填充和封装，由此可在提高电机功率因数的同时改善转矩波动。
实施例4
本实施例提供一种双边短初级同步磁阻直线电机，该电机的整体结构以及磁极模块22与实施例3均基本相同，不同之处在于，本实施例中磁极模块22如图6所示，磁极模块22中磁障221的外轮廓为样条曲线构成的流线型，其余均与实施例3相同。实施例3和实施例4两者的主要区别在于相应的导磁比和在磁障221外轮廓线附近磁力线的走向不同，由此产生电机突极比和转矩密度的差异，需综合考量长次级定子2的机械强度做权衡选择。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。
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