[发明专利]一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机及其优化设计方法

说明书

本发明公开了一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机及其优化设计方法，属于永磁电机领域，包含单初级和双次级，初级与双次级之间分别具有气隙，初级由三个单元模块组成，每个单元模块靠近气隙一侧开槽形成四个初级齿和两个初级槽，在初级齿的齿端沿着电机运动方向设有多个虚槽和虚齿，虚齿的个数比虚槽的个数多一个，在虚槽中嵌有由三块永磁体构成的聚磁单元；初级槽内三相绕组分别绕在三个初级单元模块的轭部，每相绕组能够同时切割相应模块中四个初级齿上永磁体产生的磁力线，在保证空载反电势、推力输出、永磁体用量、容错能力等性能指标不受影响的同时，提高绕组利用率，减少绕组用量的一半，降低铜耗。

技术领域

本发明涉及一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机，属于永磁电机领域。

背景技术

在轨道交通长距离驱动系统中，直线电机在爬坡能力、牵引性能、工程造价以及振动噪声等方面具有明显的优势。其中，初级永磁型直线电机采用短初级、长次级结构，其绕组和永磁体都置于初级，次级既无绕组也无永磁体，仅由导磁性材料(如碳钢)组成，在轨道交通领域具有较好的应用前景。初级永磁型直线电机尽管具有高效、低成本的优点，但其推力密度低于传统的永磁直线同步电机。

基于这一思想，有磁场调制作用的游标效应被引入到永磁直线电机中，出现了不同永磁游标直线电机的拓扑结构。永磁游标直线电机结构上与初级永磁型直线电机十分相似，但两者的运行原理和设计方法却完全不同，永磁游标直线电机利用交替变化的气隙磁导与永磁磁通的相对运动，调制出快速运行的谐波磁场，提高电机的空载感应电动势和电磁推力密度。

现有的技术中，永磁游标电机一般采用双层集中绕组和分布绕组。采用集中绕组时，绕组端部短，绕线方便，但是电机的绕组系数较低，磁场利用率较低，电机反电势与推力输出能力有待提升；采用分布绕组时，绕组节距大，端部长，绕组系数高，电机反电势和推力输出较大。在这两种电机结构中，永磁体和绕组紧密的设置在同一侧，在电机持久运行的过程中，铜耗、铁耗和涡流损耗都会转化为热量，一旦散热不及时，过高温升会导致永磁体永久性失磁，从而使电机运行故障。虽然可以通过电机外壳腔体水冷有效的降低绕组和永磁体的温升，但是冷却系统的添加增加了电机的体积和重量，降低了电机整体的推力密度。同时，现有的两种电机中相间耦合度较高，电机容错性能差，在性能指标要求较高的轨道交通领域中，必须要从根本上解决永磁游标直线电机的可靠性，也就是提高电机的效率和容错性能。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机结构。本发明通过将初级槽内三相绕组分别绕在三个初级单元模块的轭部，每相绕组能够同时切割相应模块中四个初级齿上永磁体产生的磁力线，在保证空载反电势、推力输出、永磁体用量、容错能力等性能指标不受影响的同时，提高绕组利用率，减少绕组用铜量，降低铜耗。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机，包括单初级(1)，第一次级(21)、第二次级(22)，初级(1)与第一次级(21)、第二次级(22)之间分别具有第一气隙(41)、第二气隙(42)；