[发明专利]一种高功率密度的容错永磁游标直线电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种高推力密度的模块化永磁游标直线电机，在轨道交通等需要具有低速、大推力、高效率要求的直线驱动领域具有广泛应用前景。

背景技术

直线电机是一种将电能直接转化成直线运动，而不需要经过各种中间转换机械机构的传动装置。相较于旋转电机，具有传动机构简单、传动误差小、传动效率高等优势，在工业加工、轨道交通等诸多领域获得越来越广泛的重视与应用。

目前，直线电机正逐步被应用于轨道交通领域。已经投入使用的直线电机多为直线感应电机，直线感应电机结构比较简单，造价相对低廉，但是工作效率低，且对气隙的变化较为敏感。永磁直线电机相比于直线感应电机有着明显的效率优势。然而常规的直线电机，如中国授权发明专利CN201210027944.9提出的城市轨道交通用永磁游标直线电机，即将永磁体大规模沿轨道铺设。上述两种情况，无论是沿长轨道铺设绕组还是铺设永磁体，无疑都会极大地增加制造成本，在经济上不具备可行性。

鉴于上述缺点，国内外学者提出一种结构简单、可靠性高的双凸极定子永磁型旋转电机，即绕组和永磁体均安置于电机定子一侧，转子由纯铁芯构成。普通的双凸极电机，永磁体置于定子轭部，但是这种电机的功率密度较低，将其应用于轨道交通时其经济效益不能满足要求。中国授权发明专利CN200720037931.4提出一种将永磁体置于定子齿间的磁通切换双凸极永磁旋转电机，该种电机同样具有转子结构简单、电机便于冷却的优点，其衍生出的直线电机可以被应用于轨道交通领域。但磁通切换电机存在的问题是，当电机发生短路故障时，短路电流带来的温度升高将有可能导致永磁体不可逆退磁。

在诸如轨道交通等领域，往往要求载具具有高可靠性。因此，作为驱动的直线电机必须具有较好的容错性能、较高的功率密度和较好的经济性。现有技术中永磁容错直线电机虽然满足了可靠性和容错性，但是由于采用了降额设计等技术手段，往往伴随着电机功率密度的下降，在要求低速大推力的轨道交通领域的应用因此受到制约。基于磁齿轮效应的永磁游标电机具有输出转矩大的特点，在低速大转矩场合具有良好的应用前景。目前的永磁游标电机多采用3相电枢绕组，每极每相槽数q＝1/2的分数槽双层式集中绕组结构，这种结构容易使电机电枢磁密达到饱和，降低永磁体使用率，进而降低电机的反电势。另一方面，双层绕组的相间耦合程度较高，当电机的一相发生故障，另外两相正常的磁场将受到严重干扰，不利于电机的容错运行。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术局限而提出一种高功率密度的容错永磁游标直线电机结构。本发明通过电机初级模块化的设计以削减端部效应给电机出力带来的不利影响，从而获得更为正弦分布的反电势。同时模块间的定位力相互抵消，有助于降低电机的推力波动。此外，各模块的对称结构提高了永磁体的利用率及每根导体的平均空载反电势。另一方面，本发明避免使用传统的增加容错齿或者隔离齿的方法，能够在不牺牲电机功率密度的情况下，保证电机的容错性能。本发明提出的电机除可工作在三相条件下，还可作为六相电机运行。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种高功率密度的容错永磁游标直线电机包括初级、次级和电枢绕组，初级的长度远小于次级，并且初级与次级间存在气隙；

初级上开槽形成齿槽结构，每相邻三个电枢齿组成一个E形模块，各模块间隔为(k+1/s)τ_s，其中τ_s为次级极距，s为单元模块数，且k,s均为正整数。电枢绕组集中缠绕于E形模块的中间电枢齿，模块的三个电枢齿的齿端均开虚槽，虚槽中嵌入永磁体阵列。次级开槽成梯形结构。

进一步，所述E形模块中间齿的齿端开四个虚槽，左右电枢齿齿端各开两个虚槽，各虚槽内嵌入的永磁体阵列尺寸和分布均相同。左右两个电枢齿的形状与中间电枢齿近似，但是宽度为中间电枢齿宽的1/2。左右电枢齿端部由于开槽而形成三个虚齿。端部宽度满足W_L＝W_R＝1/2(W_M+W_VT)，W_L、W_R分别为左、右电枢齿端部宽度，W_M为中间电枢齿端部宽度，W_VT为虚齿宽。嵌入的永磁体阵列分布如下所述：阵列由三块充磁角度不同的永磁体组成，位于阵列左侧的第一永磁体充磁角度与水平线成-30°夹角，右侧第三永磁体充磁角与水平线成-150°角，即与第一永磁体成镜像对称。位于阵列中间的第二永磁体竖直向下充磁。