一种直线同极电机及控制方法

摘要

本发明公开了一种直线同极电机及控制方法，属于电机领域，电机包括：初级铁芯、次级铁芯、电枢绕组、励磁线圈和导向线圈；初级铁芯由k个“E”字型铁芯依次连接形成，k≥2，k个“E”字型铁芯沿连接方向对齐，相邻“E”字型铁芯之间距离相等，且相邻“E”字型铁芯的中间铁芯臂之间形成有凹槽，“E”字型铁芯中两侧铁芯臂的末端朝内侧方向弯曲；次级铁芯由多个分段铁芯组成，相邻两个分段铁芯之间的距离相等，且次级铁芯与初级铁芯之间形成一段等长气隙；电枢绕组设置在所述初级铁芯中的(k‑1)个凹槽中；励磁线圈缠绕在初级铁芯上；导向线圈缠绕在初级铁芯的两侧铁芯臂上。本发明使得电机集成了推进、悬浮、导向功能，且降低了电机成本。

权利要求

1.一种直线同极电机，其特征在于，包括初级铁芯（1）、次级铁芯（2）、电枢绕组（3）、励磁线圈（4）和导向线圈（5）；

所述初级铁芯（1）由k个“E”字型铁芯依次连接后形成，k为不小于2的整数，所述k个“E”字型铁芯沿连接方向对齐，相邻“E”字型铁芯之间的距离相等，且相邻“E”字型铁芯的中间铁芯臂（11）之间形成有凹槽（6），其中，所述“E”字型铁芯中两侧铁芯臂（12）的末端朝内侧方向弯曲；

所述次级铁芯（2）由多个分段铁芯组成，所述多个分段铁芯位于所述初级铁芯（1）的中间铁芯臂（11）上方，相邻两个分段铁芯之间的距离相等，且所述次级铁芯（2）与初级铁芯（1）之间形成一段等长气隙；

所述电枢绕组（3）设置在所述初级铁芯（1）中的k‑1个凹槽（6）中；所述励磁线圈（4）缠绕在所述初级铁芯（1）的中间铁芯臂（11）上；所述导向线圈（5）缠绕在所述初级铁芯（1）的两侧铁芯臂（12）上；

当所述励磁线圈（4）中通入直流电时产生一吸引性质的悬浮力，并在所述初级铁芯（1）与次级铁芯（2）之间的等长气隙中产生一同极、脉振的磁场；当所述电枢绕组（3）中通入三相正弦交流电时，在所述初级铁芯（1）与次级铁芯（2）之间的等长气隙中产生一行波磁场，所述同极、脉振的磁场与所述行波磁场相互作用以产生推力。

2.如权利要求1所述的直线同极电机，其特征在于，每一所述凹槽（6）分为三层，所述电枢绕组（3）为三相绕组，每相绕组分别占据所述凹槽（6）中的一层，且每一凹槽（6）中放置有所述三相绕组中的两相绕组。

3.如权利要求1所述的直线同极电机，其特征在于，所述次级铁芯（2）中分段铁芯的横截面为梯形。

4.如权利要求1或2所述的直线同极电机，其特征在于，所述“E”字型铁芯中两侧铁芯臂（12）末端的外侧边缘设置为缺角结构。

5.如权利要求1所述的直线同极电机，其特征在于，所述导向线圈（5）包含两个线圈，所述两个线圈分别缠绕在所述初级铁芯（1）的两侧铁芯臂（12）上。

6.如权利要求1或2所述的直线同极电机，其特征在于，所述初级铁芯（1）由多层硅钢片横向叠压后形成。

7.如权利要求1或3所述的直线同极电机，其特征在于，所述次级铁芯（2）由铁铸造后形成。

8.如权利要求1‑7任一项所述的直线同极电机的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

向励磁线圈（4）中通入直流电，并向电枢绕组（3）中通入三相正弦交流电，以在初级铁芯（1）与次级铁芯（2）之间的气隙中形成相互作用的同极、脉振磁场和行波磁场，从而产生推力。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，当所述初级铁芯（1）偏离次级铁芯（2）的中心时，所述方法还包括：

根据所述初级铁芯（1）与次级铁芯（2）之间的偏差，分别向导向线圈（5）的两个线圈中通入具有相应差值的电流，以产生推动所述初级铁芯（1）向靠近次级铁芯（2）中心方向移动的导向力。

说明书

一种直线同极电机及控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于电机领域，更具体地，涉及一种直线同极电机及控制方法。

背景技术

[0002] 近些年来，凭借着效率高、噪音小、速度快等优点，磁悬浮列车得到了广泛关注。磁悬浮列车常选用直线同步电机或直线感应电机作为驱动电机。直线感应电机结构简单、成
本低，但功率因数较低，需要配合使用大型车载变频器，导致列车重量增加；并且当速度增
大时，直线感应电机的推力衰减严重，只适用于中低速场合。直线同步电机控制精度高，并
且推力衰减不明显，适用于高速场合；然而轨道需铺设大量绕组或永磁体，成本高昂。此外，
现有的磁悬浮列车多采用额外的悬浮与导向装置以实现稳定可控的悬浮与导向功能，成本
较高。

发明内容

[0003] 针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种直线同极电机及控制方法，其目的在于使电机同时具备推进、悬浮、导向功能的基础上，降低成本。

[0004] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种直线同极电机，包括初级铁芯、次级铁芯、电枢绕组、励磁线圈和导向线圈；所述初级铁芯由k个“E”字型铁芯依次连接
后形成，k为不小于2的整数，所述k个“E”字型铁芯沿连接方向对齐，相邻“E”字型铁芯之间
的距离相等，且相邻“E”字型铁芯的中间铁芯臂之间形成有凹槽，其中，所述“E”字型铁芯中
两侧铁芯臂的末端朝内侧方向弯曲；所述次级铁芯由多个分段铁芯组成，相邻两个分段铁
芯之间的距离相等，且所述次级铁芯与初级铁芯之间形成一段等长气隙；所述电枢绕组设
置在所述初级铁芯中的(k‑1)个凹槽中；所述励磁线圈缠绕在所述初级铁芯上；所述导向线
圈缠绕在所述初级铁芯的两侧铁芯臂上。

[0005] 更进一步地，每一所述凹槽分为三层，所述电枢绕组为三相绕组，每相绕组分别占据所述凹槽中的一层，且每一凹槽中放置有所述三相绕组中的两相绕组。

[0006] 更进一步地，所述次级铁芯中分段铁芯的横截面为梯形。

[0007] 更进一步地，所述“E”字型铁芯中两侧铁芯臂末端的外侧边缘设置为缺角结构。

[0008] 更进一步地，所述励磁线圈缠绕在所述初级铁芯的中间铁芯臂上；所述导向线圈包含两个线圈，所述两个线圈分别缠绕在所述初级铁芯的两侧铁芯臂上。

[0009] 更进一步地，所述初级铁芯由多层硅钢片横向叠压后形成。

[0010] 更进一步地，所述次级铁芯由铁铸造后形成。

[0011] 按照本发明的另一个方面，提供了一种如上所述的直线同极电机的控制方法，所述方法包括：向励磁线圈中通入直流电，并向电枢绕组中通入三相正弦交流电，以在初级铁
芯与次级铁芯之间的气隙中形成相互作用的同极脉振磁场和行波磁场，从而产生推力。

[0012] 更进一步地，当所述初级铁芯偏离次级铁芯的中心时，所述方法还包括：根据所述初级铁芯与次级铁芯之间的偏差，分别向导向线圈的两个线圈中通入具有相应差值的电
流，以产生推动所述初级铁芯向靠近次级铁芯中心方向移动的导向力。

[0013] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

[0014] (1)将励磁线圈安装在初级铁芯上，次级部分仅由分段铁芯构成，极大地降低了成本；

[0015] (2)将初级铁芯两侧铁芯臂末端设置为朝内侧弯曲的结构，在初级铁芯两侧铁芯臂缠绕导向线圈，使得电机同时集成推进、悬浮、导向功能，降低磁悬浮系统的复杂程度；

[0016] (3)将初级铁芯中的凹槽分为三层，其中两层用于放置电枢绕组，另外一层用于通风，增强电机的冷却效果，避免过热，提高电机的安全性和可靠性；

[0017] (4)将初级铁芯两侧铁芯臂末端的外侧边缘设置为缺角结构，缺角部分流经的磁通极少，在不影响电机性能的基础上，降低了成本；

[0018] (5)次级铁芯采用梯形截面，降低成本。

附图说明

[0019] 图1为本发明提出的直线同极电机的截面结构示意图及其线圈绕组排布；

[0020] 图2为本发明提出的直线同极电机中电枢绕组的排布示意图；

[0021] 图3为本发明提出的直线同极电机中次级铁芯的仰视示意图。

[0022] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

[0023] 1为初级铁芯，2为次级铁芯，3为电枢绕组，4为励磁线圈，5为导向线圈，6为凹槽，11为中间铁芯臂，12为两侧铁芯臂。

具体实施方式

[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0025] 在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

[0026] 图1为本发明提出的直线同极电机的截面结构示意图及其线圈绕组排布。参阅图1，结合图2‑图3，对本实施例中的直线同极电机进行详细说明。

[0027] 直线同极电机包括初级铁芯1、次级铁芯2、电枢绕组3、励磁线圈4和导向线圈5。

[0028] 初级铁芯1由k个“E”字型铁芯依次连接后形成，k为不小于2的整数。参阅图1，初级铁芯1中的每一个“E”字型铁芯由位于中间的中间铁芯臂11、位于两侧的两个两侧铁芯臂
12、连接中间铁芯臂11和两侧铁芯臂12的轭部铁芯组成。k个“E”字型铁芯沿垂直于“E”字型
截面的方向依次对齐后连接起来，以形成初级铁芯1。相邻两个“E”字型铁芯之间的距离相
等，并且各个“E”字型铁芯的中间铁芯臂11彼此从底部连接起来，从而在相邻“E”字型铁芯
的中间铁芯臂11之间形成凹槽6，凹槽6的数量为(k‑1)个。初级铁芯1由多层硅钢片横向叠
压后形成。具体地，多层硅钢片沿着垂直于“E”字型铁芯截面的方向逐层叠压，从而形成具
有k个“E”字型铁芯分段的初级铁芯1。

[0029] “E”字型铁芯中两侧铁芯臂12的末端朝内侧方向弯曲，中间铁芯臂11不弯曲。以图1中示出的开口朝上的“E”字型铁芯为例，“E”字型铁芯的中间铁芯臂11竖直设置，左右两侧
铁芯臂的末端朝内侧弯曲。

[0030] 本发明实施例中，“E”字型铁芯中两侧铁芯臂12末端的外侧边缘设置为缺角结构。仍以图1中示出的开口朝上的“E”字型铁芯为例，“E”字型铁芯中左侧铁芯臂末端的左上角
缺失，右侧铁芯臂末端的右上角缺失，使得两侧铁芯臂12末端的外侧形成为缺角结构，在不
影响电机性能的基础上，降低了成本。

[0031] 次级铁芯2为分段式铁芯，由多个分段铁芯组成，相邻两个分段铁芯之间的距离相等，次级铁芯2与初级铁芯1之间形成有一端等长气隙。本实施例中，可以根据电机的期望行
程设置次级铁芯2中分段铁芯的数量以及长度。仍以图1中示出的开口朝上的初级铁芯1为
例，该多个分段铁芯位于初级铁芯1的中间铁芯臂11上方。

[0032] 本发明实施例中，次级铁芯2中各分段铁芯的横截面为梯形。优选地，各分段铁芯的横截面为倒梯形，倒梯形分段铁芯的仰视图如图3所示。次级铁芯2由铁铸造后形成。

[0033] 电枢绕组3设置在初级铁芯1中的(k‑1)个凹槽6中。本发明实施例中，电枢绕组为三相绕组，包括A、B、C三相，每相绕组包括(k‑1)/3个线圈；将每一凹槽6划分为三层，例如划
分为上、中、下三层，每相绕组占据凹槽6中的一层，例如A相绕组放置在上层，B相绕组放置
在中层，C相绕组放置在下层；每一凹槽6中放置两相绕组，使得每一凹槽6中有一层处于空
置状态，如图2所示，从而实现冷却通风的效果。对于上述电枢绕组为三相绕组，且每一凹槽
6中有一层处于空置状态的电机结构，初级铁芯1中“E”字型铁芯分段的个数k应使得(k‑1)/
3为大于1的整数。

[0034] 励磁线圈4缠绕在初级铁芯1上。具体地，励磁线圈4缠绕在初级铁芯1的k个中间铁芯臂11上。

[0035] 工作状态下，励磁线圈4中通入有直流电以磁化初级铁芯1，从而产生一个吸引性质的悬浮力，并在初级铁芯1与次级铁芯2之间的等长气隙中产生一个同极、脉振的磁场。电
枢绕组3中通入有一定频率的三相正弦交流电，以在初级铁芯1与次级铁芯2之间的等长气
隙中产生一个行波磁场。电枢绕组3产生的电枢磁场与励磁线圈4产生的励磁磁场相互作
用，从而产生推力。

[0036] 次级铁芯2中相邻分段铁芯之间的距离与初级铁芯1极距的比值优选为0.8‑1。可以理解的是，次级铁芯2中相邻分段铁芯之间的距离与初级铁芯1极距的比值也可以为其他
取值。次级铁芯2中相邻分段铁芯之间的距离是指两个相邻梯形截面中相邻侧边中点之间
的距离。根据初级铁芯1的极距对初级铁芯2中相邻分段铁芯之间的距离进行控制，使得电
机产生的推进力与悬浮力达到期望的比例。

[0037] 导向线圈5缠绕在初级铁芯1上。具体地，导向线圈5包含两个线圈，这两个线圈分别缠绕在初级铁芯1的k个两侧铁芯臂12上，例如一个线圈缠绕在初级铁芯1的k个左侧铁芯
臂上，另一个线圈缠绕在初级铁芯1的k个右侧铁芯臂上，如图1所示。

[0038] 当初级铁芯1偏离次级铁芯2的中心时，向导向线圈5的两个线圈中分别通入不同数值的电流，由于初级铁芯1中两侧铁芯臂的末端朝内侧弯曲，因此可以在次级铁芯2的左
右两侧分别产生两个大小不同方向相反(分别向左和向右)的导向力，最终合力为向左或向
右的导向力，使得初级铁芯1向左或向右移动，以回到与次级铁芯2中心上下对齐的位置。本
实施例中，可以设置辅助传感器分别采集初级铁芯1和次级铁芯2的位置，以检测初级铁芯1
是否偏离次级铁芯2的中心，并在偏离时生成相应的导向力，使得初级铁芯1归位。

[0039] 仿真分析以及样机实验证明，本发明实施例中的直线同极电机结构紧凑，材料用量低，装配、拆卸、维护成本低，安全性、可靠性、鲁棒性强，散热良好，使用寿命长，集成推
进、悬浮、导向功能，适用于驱动磁悬浮列车或工业传送带等长行程直线运动机构。

[0040] 本发明另一实施例提供了一种如图1‑图3所示实施例中的直线同极电机的控制方法，该方法包括以下操作：向励磁线圈4中通入直流电，并向电枢绕组3中通入三相正弦交流
电，以在初级铁芯1与次级铁芯2之间的气隙中形成相互作用的同极脉振磁场和行波磁场，
从而产生推力。

[0041] 本发明实施例中，当初级铁芯1偏离次级铁芯2的中心时，该控制方法还包括以下操作：根据初级铁芯1与次级铁芯2之间的偏差，分别向导向线圈5的两个线圈中通入具有相
应差值的电流，以产生推动初级铁芯1向靠近次级铁芯2中心方向移动的导向力。

[0042] 本实施例中直线同极电机的控制方法与上述图1‑图3所示实施例中的直线同极电机的工作过程相同，此处不再赘述。

[0043] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。