[发明专利]一种初级永磁双边直线磁场调制电机及其低磁阻设计方法

说明书

本发明公开了一种初级永磁双边直线磁场调制电机及其低磁阻设计方法，电机结构包括两个仅由凸极齿组成的次级以及一个排布着永磁体及电枢绕组的初级，上下两个次级凸极齿正对排布，凸极齿起到调制磁场的效果，初级单边电枢齿顶间隔排布励磁方向相同的表贴式永磁体，同时初级两边永磁体错位分布，初级铁心采用模块化设计，每个初级模块仅由长条形电枢齿组成，邻近两个模块之间形成半闭口电枢槽或闭口槽，槽内排布电枢绕组，能有效降低电机加工难度，同时永磁体、次级调制齿的排布设计能有效简化磁通路径，降低磁通路径上的磁阻，提高电机磁场幅值，提升转矩性能，具有较大的应用前景。

技术领域

本发明涉及电工、电机设计及控制和长行程电动领域，特别是涉及到一种低成本高性能初级永磁型双边直线磁场调制电机及其低磁阻设计方法，适用于轨道交通和物流运输等直线运动场合。

背景技术

直线电机由于结构简单，可作为长行程直线应用领域的直驱电机，其巨大的应用价值越来越受到大家的关注。现有的长行程直线应用领域较多采用异步电动机或者感应电动机，这类电机的特点是结构简单，加工制造方便且成本低，但缺点是效率及推力密度都较低，前者需要额外配置的电流变换器增加成本，后者浪费能源。相比于异步(感应)直线电机，永磁直线电机直驱具有结构简单、传动效率高、定位精度高、响应速度快等优势。对于传统永磁型直线电机，其长次级部分需要铺设大量永磁体或者电枢绕组，很显然，对于长行程领域，运用传统永磁直线电机会极大的提升电机成本。而初级永磁型直线电机由于永磁体和绕组都在初级部分，很好的解决了长行程应用领域高成本这一问题。但是由于其永磁体与电枢绕组没有相对移动，因此电机基波并不能被利用，造成初级永磁直线电机推力密度较低，磁场调制的引入能有效提高初级永磁直线电机推力密度，为初级永磁直线电机在长行程领域中的应用提供了重要参考。

中国发明专利201820249878.2公开了一种齿槽型双边初级永磁体同步直线电机，该结构将永磁体与绕组都置于初级部分，永磁体嵌于初级铁心内，可以认为是两个磁通切换直线电机结合形成的电机结构，电枢绕组不经过永磁体且端部很短，有利于电机功率密度的提高，但是该电机本质属于磁通切换电机，也是利用调制后的磁场谐波工作，但是由于磁通切换电机结构的调制放大效果不明显，因此其存在推力密度不高的问题；并且永磁体贯穿整个电枢齿，用量较大，利用率不高，电机制造成本较大。

中国发明专利201910352149.9公开了一种模块化初级永磁式双边开关磁阻电机，该结构将永磁体置于电枢槽的上下槽口，同一个槽的2个槽口采用励磁方向相反的2块永磁体，同边槽开口内的永磁体呈间隔排布，虽然相较于一般磁阻直线电机，该专利提出的电机结构能有效提升电机推力密度，但由于永磁磁场及电枢磁场只能通过相邻的两个电枢齿形成回路，且回路同时穿过同一个槽内的2块永磁体，使得该电机并不能满足性能放大的效果，其最佳性能也只能是1+1＝2。

中国发明专利201410259315.8公开了一种双边初级永磁游标直线电机，该结构在每个初级齿顶部都表贴有多对永磁体，有效磁通在两个次级之间形成串联回路，同时利用磁场调制原理，可以使得直线电机产生较大的推力密度。但是由于磁通回路会经过初级双边的永磁体，因此该电机结构不能形成1+12的性能放大效果，同时由于永磁体极对数较多，造成电机漏磁较大，电机功率因数偏低，另外永磁体用量较大，永磁体利用率偏低，造价较高。

综上所述，现阶段的初级永磁直线电机推力密度与永磁体用量总体呈现正相关性，为进一步降低电机制造成本，需进一步研究如何有效提升电机永磁体利用率。另外，初级永磁电机基波为非工作波，其基于磁场调制原理运行，因此为显著提升初级永磁直线电机推力密度，需要设计较大的调制比(永磁体极对数与绕组极对数之比)，这使得电机绕组极对数较小，这意味着有效磁场谐波需要形成较长的磁通路径，导致磁路磁阻增大，磁密幅值降低，这些问题的存在大大限制了其在长行程领域的应用推广。因此如何实现永磁体利用率最大化设计和初级永磁型电机的低磁阻设计的研究已经迫在眉睫。

发明内容