一种长定子空芯绕组双边双馈直线电机结构
阅读说明：本技术 一种长定子空芯绕组双边双馈直线电机结构 (Double-fed linear motor structure with long stator hollow winding and double sides ) 是由 王滢 刘学龙 刘方麟 刘世杰 陈绍宗 张昆仑 于 2021-03-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种长定子空芯绕组双边双馈直线电机结构,包括中间长定子空芯绕组、若干个U形连接件和位于两侧的第一动子和第二动子；第一动子和第二动子分别紧固在若干个U形连接件内侧,第一动子和第二动子结构对称,位置平行,且第一动子和第二动子均包括动子铁芯和叠绕在动子铁芯上的三相动子绕组；中间长定子空芯绕组与两侧的第一动子的距离为第一间隙,与第二动子的距离为第二间隙,第一间隙与第二间隙宽度相等,且中间长定子空芯绕组采用叠绕方式并通过非导电导磁材料固定于地面。本发明采用双边动子结构,动子侧所受法向力方向相反而抵消；且采用双馈控制方案,电机可同步或异步运行,速度可调节范围大。(The invention discloses a double-side double-fed linear motor structure with a long stator hollow winding, which comprises a middle long stator hollow winding, a plurality of U-shaped connecting pieces, a first rotor and a second rotor, wherein the first rotor and the second rotor are positioned on two sides; the first rotor and the second rotor are respectively fastened at the inner sides of the plurality of U-shaped connecting pieces, the first rotor and the second rotor are symmetrical in structure and parallel in position, and both the first rotor and the second rotor comprise rotor cores and three-phase rotor windings wound on the rotor cores in an overlapping mode; the distance between the middle long stator air-core winding and the first rotors on the two sides is a first gap, the distance between the middle long stator air-core winding and the second rotors is a second gap, the width of the first gap is equal to that of the second gap, and the middle long stator air-core winding is fixed on the ground in a lap winding mode through a non-conductive magnetic material. The invention adopts a bilateral rotor structure, and the normal force directions borne by the rotor side are opposite and offset; and a double-fed control scheme is adopted, the motor can run synchronously or asynchronously, and the speed adjustable range is large.)
技术领域
本发明属于直线电机的技术领域，具体涉及一种长定子空芯绕组双边双馈直线电机结构。
背景技术
随着科学技术的进步，直线驱动技术在交通运输业、精密制造等领域应用日益广泛。在传统的数控机床系统中，往往采用“旋转伺服电机+传动机构”方式实现直线运输。由于直线运输需要齿轮、皮带、联轴器、离合器等中间传功机构参与，致使整个机床系统不容易实现全闭环的稳定控制。除此之外传动机构容易损坏、机械噪声大、效率低等因素促使直线电机驱动逐渐替代“旋转伺服电机+传动机构”方式成为主力。
一般认为，直线电机是将旋转电机剖分延展开来而得，广泛应用于直线伺服传动、磁浮交通等领域。双馈直线电机因其定动子都通入幅值、频率和相位均可调的三相交流电而具有优良的调速性能，愈来愈受到人们的重视。普通双馈直线电机是由直线感应电机变化而来，将直线感应电机的次级感应板替换成与初级一致的铁芯和绕组，两侧通入不同频率三相交流电，基于磁场调制原理产生牵引力。然而，普通双馈直线电机在实际运行过程中产生的法向力是牵引力的几十上百倍，致使普通双馈直线电机在一些直线伺服传动应用场景下带来应用难度；针对要求法向力较小并且能够提供足够牵引力的直线电机应用场合，一般采用双边直线感应电机或者双边永磁同步电机。双边直线感应电机是将两个单边直线感应电机背靠背结合产生，两侧为初级铁芯和通入三相交流电的绕组，中间为次级感应板。两侧初级联结形成“U”型结构，两侧通入三相交流电的绕组在感应板两侧产生行波磁场与感应板相互作用形成牵引力，两侧初级法向力大小相同方向相反而相互抵消。但是双边直线感应电机并不适用于长距离直线运输，因为动子不管是两侧初级亦或是次级感应板，都需要耗费大量铁芯或者感应板的铺设，工程造价偏高不利于实际应用。除此之外，双边直线感应电机调速性能较差。双边永磁同步电机具有良好的调速性能，其结构上将永磁铁交替排列作为次级，次级永磁体产生的磁场与初级产生的行波磁场相互作用实现同步运行。然而，次级需要大量稀土材料制成的永磁体在实际工程应用中造价偏高且安装维护难度大。
综上所述，针对需要远距离铺设、法向力小、调速灵活的应用场合，普通双馈直线电机、双边直线感应电机和双边永磁同步电机均不能完全满足要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种长定子空芯绕组双边双馈直线电机结构，以解决或改善上述的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种长定子空芯绕组双边双馈直线电机结构，其包括中间长定子空芯绕组、若干个U形连接件和位于两侧的第一动子和第二动子；第一动子和第二动子分别紧固在若干个U形连接件内侧，第一动子和第二动子结构对称，位置平行，且第一动子和第二动子均包括动子铁芯和叠绕在动子铁芯上的三相动子绕组；中间长定子空芯绕组与两侧的第一动子的距离为第一间隙，与第二动子的距离为第二间隙，第一间隙与第二间隙宽度相等，且中间长定子空芯绕组采用叠绕方式并通过非导电导磁材料固定于地面。
进一步地，中间长定子空芯绕组包括三相交流绕组和用以绕组定型的非导电导磁材料。
进一步地，中间长定子空芯绕组分别由A、B、C三相交流绕组构成，三相交流绕组的相序为A+、B-、C+ 、A-、B+、C-，中间长定子空芯绕组由非导电导磁材料浇筑成型后固定于地面上。
进一步地，第一动子和第二动子的位置平行，齿槽正对。
进一步地，第一动子和第二动子齿槽内均为双层叠绕绕组，双层叠绕绕组的动子绕组分别由A、B、C三相交流绕组构成，相序为A+、B-、C+ 、A-、B+、C-。
进一步地，U形连接件包括用于固定第一动子和第二动子的圆形过孔。
进一步地，U形连接件的材质为非导电导磁材料，通过U形连接件上的U形直臂上的定位螺孔将第一动子和第二动子固定在U形连接件内侧。
本发明提供的长定子空芯绕组双边双馈直线电机结构，具有以下有益效果：
本发明采用空芯绕组作为长定子，有效降低了工程造价，适宜远距离铺设；除此之外，由于定子无轭部铁芯，齿槽效应影响小，推力纹波较小；本发明采用双边动子结构，动子侧所受法向力方向相反而抵消；本发明采用双馈控制方案，电机可同步或异步运行，速度可调节范围大。
附图说明
图1为长定子空芯绕组双边双馈直线电机整体结构示意图。
图2为长定子空芯绕组双边双馈直线电机单边动子结构示意图。
图3为长定子空芯绕组双边双馈直线电机定子结构示意图。
图4为长定子空芯绕组双边双馈直线电机U形连接件结构示意图。
图5为长定子空芯绕组双边双馈直线电机结构剖面示意图。
图6为普通双馈直线电机结构示意图。
图7为普通双馈直线电机牵引力、法向力示意图。
图8为长定子空芯绕组双边双馈直线电机牵引力、法向力示意图。
其中，1、第一动子；2、第二动子；3、U形连接件；4、中间长定子空芯绕组；11、第一间隙；12、第二间隙；21、动子铁芯；22、三相动子绕组；31、圆形过孔；41、非导电导磁材料壳；42、三相交流绕组。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，本方案的长定子空芯绕组双边双馈直线电机结构，包括中间长定子空芯绕组4、若干个U形连接件3和位于两侧的第一动子1和第二动子2，第一动子1和第二动子2分别紧固在若干个U形连接件3内侧。
参考图1，第一动子1和第二动子2结构对称，位置平行使得两侧动子齿槽正对，且第一动子1和第二动子2均包括动子铁芯21和叠绕在动子铁芯21上的三相动子绕组22，且第一动子1和第二动子2由三相动子绕组22叠绕在动子铁芯21上制成；两侧动子和定子的极距相等。
第一动子1和第二动子2结合在一起为双边动子，单独的第一动子1或第二动子2为单边动子。
双边动子带有铁芯，齿槽结构的几何参数一致，双边动子在位置上平行放置，齿槽正对；单边动子即第一动子1或第二动子2，其槽内为双层叠绕绕组，动子绕组分别由A、B、C三相绕组构成，相序为A+、B-、C+ 、A-、B+、C-。
参考图5，中间长定子空芯绕组4与两侧的第一动子1的距离为第一间隙11，与第二动子2的距离为第二间隙12，第一间隙11与第二间隙12宽度相等，且中间长定子空芯绕组4采用叠绕方式并通过非导电导磁材料固定于地面。
参考图2，第一动子1和第二动子2结构包括动子铁芯21和三相动子绕组22，第一动子1和第二动子2由三相动子绕组22叠绕在动子铁芯21上制成。
参考图3，定子结构主要包括三相交流绕组42和用以固定绕组的非导电导磁材料壳41。
三相交流绕组42采用叠绕形式，且在首尾一个极距处为单层绕组，其余均为双层绕组；非导电导磁材料采用树脂浇筑方式使得三相绕组定型，并最终将整个中间长定子空芯绕组4固定在地面上。
中间长定子空芯绕组4与两侧动子之间的间隙相等，中间长定子空芯绕组4分别由A、B、C三相绕组构成，相序为A+、B-、C+ 、A-、B+、C-，整体由非导电导磁材料浇筑成型后固定在地面上。
参考图4，连接件呈U形，两直臂底部各开有两个圆形过孔31，将第一动子1、第二动子2分别通过圆形过孔31固定在连接件的U形臂内侧。
本方案通过固定空芯绕组作为长定子，将双铁芯都用在双边动子结构上形成一种新的长定子空芯绕组双边双馈直线电机。本发明的长定子双边双馈直线电机相比于直线感应电机，在保证牵引力一致的情况下，法向力能够大幅减小，使得实际应用中不需要采取其他措施规避法向力的影响；长定子双边双馈直线电机相比于双边直线感应电机，由于长定子采用空芯绕组，大大减少了铁磁材料的消耗，降低实际应用的工程造价，有利于长距离铺设。
综上，长定子双边双馈直线电机的两边铁芯、三边绕组结构，使得电机牵引力能达到双边铁芯的直线感应电机水平，法向力趋近于零，且相比三边铁芯结构造价较低，相比两边绕组结构控制更加灵活。
同时，本发明采用空芯绕组作为长定子，有效降低了工程造价，适宜远距离铺设；除此之外，由于定子无轭部铁芯，齿槽效应影响小，推力纹波较小；本发明采用双边动子结构，动子侧所受法向力方向相反而抵消；本发明采用双馈控制方案，电机可同步或异步运行，速度可调节范围大。
根据本申请的另一个实施例，参考图6，动子极对数为4，动子齿宽10mm，动子槽宽24mm，动子槽深22mm，动子每极每相槽数为3槽，动子极距为306mm，动子侧绕组电流幅值为320A，频率为15Hz，动子绕组线圈匝数为2匝；定子每极每相槽数为4槽，定子侧绕组电流幅值为450A，频率为50Hz，绕组线圈匝数为2匝，运行速度为21.42m/s，其电磁力仿真结果如图7所示，牵引力约4.82kN，法向力为28.3kN。
在实施时，本方案设计的双边双馈直线电机，动子极对数为4，动子齿宽10mm，动子槽宽24mm，动子槽深22mm，动子每极每相槽数为3槽，动子极距为306mm，动子侧绕组电流幅值为320A，频率为15Hz，动子绕组线圈匝数为2匝；定子子每极每相槽数为4槽，定子侧绕组电流幅值为450A，频率为50Hz，绕组线圈匝数为2匝，运行速度为21.42m/s，其电磁力数据如图8所示，牵引力约4.97kN，法向力为291.7N。
综上对比可知，本方案设计的双边双馈直线电机在相同的设计参数下，与普通双馈直线电机相比在保证牵引力一致时，法向力大幅度减小，有效规避了法向力给实际应用中的不良影响；双边双馈直线电机采用两边铁芯三边绕组形式，与双边感应电机或双边同步电机相比，大大节省了长定子侧铁磁材料的消耗，降低了工程造价有利于工程实际应用。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
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