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技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术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。本专利技术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。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：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)；所述第一次级(21)、第二次级(22)分别在靠近第一气隙(41)、第二气隙(42)一侧由铁芯开槽形成梯形槽结构，初级(1)由三个单元模块结构组成，每个单元模块结构均一致，模块结构(11)呈H型，包含第一初级齿(112)、第二初级齿(113)以及第一初级槽(1141)、第二初级槽(1142)；第一初级齿(112)靠近第一气隙(41)一侧沿着电机运动方向开槽形成虚齿(101)和虚槽(102)结构，虚齿(101)的个数N1与虚槽(102)的个数N2关系为N1＝N2+1，N2为大于1的奇数；虚槽(102)内设置有由三块永磁体依次紧密贴合构成的聚磁单元(300)，其中中间的第二永磁体(32)充磁方向和电机运动方向相垂直且朝向第一气隙(41)，两侧的第一永磁体(31)、第三永磁体(33)相对充磁且充磁方向和电机运动方向相同；第二初级齿(113)靠近第二气隙(42)一侧沿着电机运动方向开槽形成虚齿(101)和虚槽(102)结构；虚槽内的聚磁单元(300)中中间的第四永磁体(34)充磁方向和电机运动方向相垂直且朝向第二气隙(42)，两侧永磁体充磁方向与第一初级齿(112)上的一致；第一初级槽(1141)、第二初级槽(1142)的槽口分别开在靠近第一气隙(41)、第二气隙(42)一侧；三相绕组(116)分别绕在三个单元模块结构的轭部(115)，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场。本专利技术的方法的技术方案为：一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机的优化设计方法，包括以下步骤：步骤1，电机初级(1)绕组极对数Pw，永磁体极对数PPM以及第一次级(21)、第二次级(22)总极对数Ps满足以下关系式：Pw＝│PPM-Ps│电机的调制比为：在电机磁路不饱和的情况下，选取较大的调制比，确定电机的绕组极对数；根据绕组极对数，确定电机的绕组连接方式；步骤2，对单元电机限定尺寸设计，为提高电机容错性能，单元电机中初级(1)由三个独立的单元模块结构组成，电机三相绕组(116)分别绕在对应单元模块轭部(115)，为保证三相反电势的对称性，相邻两个模块之间的相位相差120°电角度，每个模块中在同一气隙侧的相邻初级齿之间的相位相差180°电角度，三个模块之间的距离满足以下关系：λ＝(j+1/3)τs或者λ＝(j+1/6)τs同一气隙侧相邻初级齿之间的距离满足以下关系：τm＝(k+1/2)τs其中，λ为两个模块之间的距离，τs为次级极距，τm为初级齿极距，k与j分别为正整数；步骤3，在确定每个模块之间的距离λ、次级极距τs和初级齿极距τm后，根据聚磁单元(300)与虚齿(101)的总宽度等于初级齿极距τm，聚磁单元(300)、虚齿(101)和虚槽(102)的总宽度等于距离λ这两个约束条件，确定三者的最佳比例关系；由于聚磁单元是嵌入在虚槽中，聚磁单元(300)与虚齿(101)的高度相等，通过永磁体体积，进一步确定聚磁单元的高度；步骤4，每个聚磁单元由中间的第二永磁体(32)或第四永磁体(34)和两块两侧的第一永磁体(31)、第三永磁体(33)构成，根据每个聚磁单元的宽度，确定中间的第二永磁体(32)或第四永磁体(34)和两侧的两块永磁体的尺寸结构，确定三者的最优配合，其中，中间的第二永磁体(32)或第四永磁体(34)的宽度大于两侧的两块永磁体的宽度，两侧的两块永磁体结构尺寸相同，三块永磁体的高度相同；步骤5，根据电机次级极距τs和电机极槽数，确定第一次级(21)、第二次级(22)靠近气隙一侧的槽宽s1与次级的齿距τs之比，靠近次级轭部的槽宽s2与次级齿距τs之比，得出最佳的次级齿槽结构；确定电机次级槽深与槽的高度之比。进一步，初级(1)由三个独立的单元模块结构组成，电机三相绕组(116)分别绕在对应单元模块轭部(115)，为保证三相反电势的对称性，相邻两个模块之间的相位相差120°电角度，每个模块中在同一气隙侧的相邻初级齿之间的相位相差180°电角度，通过单元模块间的相互配合使各相绕组之间互相解耦。进一步，第一初级齿(112)、第二初级齿(113)中永磁体产生的两个磁场以轭部(115)为轴呈对称分布，单元模块结构的轭部(115)成为两个磁场的共有磁路，三相绕组分别绕在三个独立模块的轭部(115)，每相绕组采用一组线圈能够同时切割两个磁场的磁力线。进一步，第一初级齿(112)、第二初级齿(113)相对开槽且结构尺寸相同。进一步，聚磁单元(300)的三块永磁体高度均相等。进一步，第一次级(21)、第二次级(22)相对开槽且结构尺寸相同。进一步，第一次级(21)、第二次级(22)靠近气隙一侧的槽宽s1与次级的齿距τs之比为0.2～0.5，靠近次级轭部的槽宽s2与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机，其特征在于，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)；所述第一次级(21)、第二次级(22)分别在靠近第一气隙(41)、第二气隙(42)一侧由铁芯开槽形成梯形槽结构，初级(1)由三个单元模块结构组成，每个单元模块结构均一致，模块结构(11)呈H型，包含第一初级齿(112)、第二初级齿(113)以及第一初级槽(1141)、第二初级槽(1142)；第一初级齿(112)靠近第一气隙(41)一侧沿着电机运动方向开槽形成虚齿(101)和虚槽(102)结构，虚齿(101)的个数N1与虚槽(102)的个数N2关系为N1＝N2+1，N2为大于1的奇数；虚槽(102)内设置有由三块永磁体依次紧密贴合构成的聚磁单元(300)，其中中间的第二永磁体(32)充磁方向和电机运动方向相垂直且朝向第一气隙(41)，两侧的第一永磁体(31)、第三永磁体(33)相对充磁且充磁方向和电机运动方向相同；第二初级齿(113)靠近第二气隙(42)一侧沿着电机运动方向开槽形成虚齿(101)和虚槽(102)结构；虚槽内的聚磁单元(300)中中间的第四永磁体(34)充磁方向和电机运动方向相垂直且朝向第二气隙(42)，两侧永磁体充磁方向与第一初级齿(112)上的一致；第一初级槽(1141)、第二初级槽(1142)的槽口分别开在靠近第一气隙(41)、第二气隙(42)一侧；三相绕组(116)分别绕在三个单元模块结构的轭部(115)，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场。...

【技术特征摘要】
1.一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机，其特征在于，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)；所述第一次级(21)、第二次级(22)分别在靠近第一气隙(41)、第二气隙(42)一侧由铁芯开槽形成梯形槽结构，初级(1)由三个单元模块结构组成，每个单元模块结构均一致，模块结构(11)呈H型，包含第一初级齿(112)、第二初级齿(113)以及第一初级槽(1141)、第二初级槽(1142)；第一初级齿(112)靠近第一气隙(41)一侧沿着电机运动方向开槽形成虚齿(101)和虚槽(102)结构，虚齿(101)的个数N1与虚槽(102)的个数N2关系为N1＝N2+1，N2为大于1的奇数；虚槽(102)内设置有由三块永磁体依次紧密贴合构成的聚磁单元(300)，其中中间的第二永磁体(32)充磁方向和电机运动方向相垂直且朝向第一气隙(41)，两侧的第一永磁体(31)、第三永磁体(33)相对充磁且充磁方向和电机运动方向相同；第二初级齿(113)靠近第二气隙(42)一侧沿着电机运动方向开槽形成虚齿(101)和虚槽(102)结构；虚槽内的聚磁单元(300)中中间的第四永磁体(34)充磁方向和电机运动方向相垂直且朝向第二气隙(42)，两侧永磁体充磁方向与第一初级齿(112)上的一致；第一初级槽(1141)、第二初级槽(1142)的槽口分别开在靠近第一气隙(41)、第二气隙(42)一侧；三相绕组(116)分别绕在三个单元模块结构的轭部(115)，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场。2.根据权利要求1所述的一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，电机初级(1)绕组极对数Pw，永磁体极对数PPM以及第一次级(21)、第二次级(22)总极对数Ps满足以下关系式：Pw＝│PPM-Ps│电机的调制比为：在电机磁路不饱和的情况下，选取较大的调制比，确定电机的绕组极对数；根据绕组极对数，确定电机的绕组连接方式；步骤2，对单元电机限定尺寸设计，为提高电机容错性能，单元电机中初级(1)由三个独立的单元模块结构组成，电机三相绕组(116)分别绕在对应单元模块轭部(115)，为保证三相反电势的对称性，相邻两个模块之间的相位相差120°电角度，每个模块中在同一气隙侧的相邻初级齿之间的相位相差180°电角度，三个模块之间的距离满足以下关系：λ＝(j+1/3)τs或者λ＝(j+1/6)τs同一气隙侧相邻初级齿之间的距离满足以下关系：τm＝(k+1/2)τs其中，λ为两个模块之间的距离，τs为次级极距，τm为初级齿极距，k与j分别为正整数；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：卞芳方，赵文祥，吉敬华，胡德水，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32