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用于初级无心直线电机的绕组

申请号 CN202011629218.5 申请日 2020-12-30 公开(公告)号 CN114696661A 公开(公告)日 2022-07-01
申请人 中国航天科工飞航技术研究院(中国航天海鹰机电技术研究院); 发明人 张志华; 曹钊滨; 胡道宇; 翟茂春; 张艳清; 闫少强; 陈松;
摘要 本 发明 提供了一种用于初级无 铁 心直线 电机 的绕组,其包括多个并排且间隔设置的推进线圈,每一推进线圈为由第一推进边、第二推进边和两端边围成的 框架 结构,第一推进边与第二推进边为推进线圈的两相对的侧边,且沿推 力 方向,第一推进边与第二推进边相距一个极距。本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组,能够使得同一推进线圈的第一推进边和第二推进边分别对应超 导线 圈的两个不同极性的 磁场 ,从而使得第一推进边与第二推进边的受力方向相同,避免同一推进线圈扭转力矩的产生,进而提高了推进线圈的使用寿命。
权利要求

1.一种用于初级无心直线电机的绕组,其特征在于,所述用于初级无铁心直线电机的绕组包括多个并排且间隔设置的推进线圈,每一所述推进线圈为由第一推进边、第二推进边和两端边围成的框架结构,所述第一推进边与所述第二推进边为所述推进线圈的两相对的侧边,且沿推方向,所述第一推进边与所述第二推进边相距一个极距。
2.根据权利要求1所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其特征在于,所述第一推进边和所述第二推进边均呈V形,且所述第一推进边的内表面和所述第二推进边的内表面均朝向所述推力方向。
3.根据权利要求2所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其特征在于,所述第一推进边的侧面与竖直面之间的夹为第一夹角,所述第一夹角的角度的计算公式为:
α=arcsin((2τ/v)/(L/2))
其中,α为第一推进边的两侧面之间的夹角,单位:度;
L为第一推进边的长度,单位:mm;
τ为极距,单位:槽;
v为消除的谐波次数。
4.根据权利要求3所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其特征在于,所述第二推进边的侧面与所述竖直面之间的夹角为第二夹角,所述第二夹角的角度与所述第一夹角的角度相等。
5.根据权利要求1所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其特征在于,所述第一推进边和所述第二推进边沿所述悬浮方向具有第一预设距离。
6.根据权利要求5所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其特征在于,相邻两所述推进线圈沿悬浮方向具有第二预设距离。
7.根据权利要求6所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其特征在于,所述第二预设距离的计算公式为:
h=12j/N;
其中,h为第二预设距离,单位:mm;
j为第一预设距离,单位:mm;
N为推进线圈个数。
8.根据权利要求1所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其特征在于,所述第一推进边的端部和所述第二推进边的端部均设有90度折角。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其特征在于,多个所述推进线圈并排且等间隔设置。
10.根据权利要求9所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其特征在于,所述端边呈直线形。

说明书全文

用于初级无心直线电机的绕组

技术领域

[0001] 本发明涉及直线电机技术领域,特别涉及一种用于初级无铁心直线电机的绕组。

背景技术

[0002] 直线电机因其结构简单、无需中间转换结构以及可以直接将电能转换为直线电磁推等优点被广泛应用于精密仪器、航空航天和轨道交通领域。然而,应用于高速/超高速磁悬浮电磁助推发射的直线电机,要求具备在大机械气隙下大推力输出,普通直线感应电机和直线永磁同步电机均无法满足要求。
[0003] 由于超导材料独特的电磁特性和机械特性,超导磁体可以产生远超普通磁体的强磁场,使得超导同步直线电机可以满足大机械气隙下大推力的输出能力。地面推进绕组是超导直线电机中实现能量转换的核心与关键部件,其设计的合理性关系到电机的整体性能。地面推进绕组的不合理设计可能会引起电机绕组不对称、绕组系数低和谐波含量高,继而导致损耗增加、电磁振动和推力脉动等一系列问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种能够提高推进线圈使用寿命的用于初级无铁心直线电机的绕组。
[0005] 为达到上述目的,本发明提供了一种用于初级无铁心直线电机的绕组,其包括多个并排且间隔设置的推进线圈,每一所述推进线圈为由第一推进边、第二推进边和两端边围成的框架结构,所述第一推进边与所述第二推进边为所述推进线圈的两相对的侧边,且沿推力方向,所述第一推进边与所述第二推进边相距一个极距。
[0006] 如上所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其中,所述第一推进边和所述第二推进边均呈V形,且所述第一推进边的内表面和所述第二推进边的内表面均朝向所述推力方向。
[0007] 如上所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其中,所述第一推进边的侧面与竖直面之间的夹为第一夹角,所述第一夹角的角度的计算公式为:
[0008] α=arcsin((2τ/v)/(L/2))
[0009] 其中,α为第一推进边的两侧面之间的夹角,单位:度;
[0010] L为第一推进边的长度,单位:mm;
[0011] τ为极距,单位:槽;
[0012] v为消除的谐波次数。
[0013] 如上所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其中,所述第二推进边的侧面与所述竖直面之间的夹角为第二夹角,所述第二夹角的角度与所述第一夹角的角度相等。
[0014] 如上所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其中,所述第一推进边和所述第二推进边沿所述悬浮方向具有第一预设距离。
[0015] 如上所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其中,相邻两所述推进线圈沿悬浮方向具有第二预设距离。
[0016] 如上所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其中,所述第二预设距离的计算公式为:
[0017] h=12j/N;
[0018] 其中,h为第二预设距离,单位:mm;
[0019] j为第一预设距离,单位:mm;
[0020] N为推进线圈个数。
[0021] 如上所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其中,所述第一推进边的端部和所述第二推进边的端部均设有90度折角。
[0022] 如上所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其中,多个所述推进线圈并排且等间隔设置。
[0023] 如上所述的用于初级无铁心直线电机的绕组,其中,所述端边呈直线形。
[0024] 与现有技术相比,本发明的优点如下:
[0025] 综上所述,本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组,通过将第一推进边与第二推进边沿推力方向相距一个极距,使得同一推进线圈的第一推进边和第二推进边分别对应超导线圈的两个不同极性的磁场,从而使得第一推进边与第二推进边的受力方向相同,避免同一推进线圈扭转力矩的产生,进而提高了推进线圈的使用寿命;
[0026] 本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组,通过将第一推进边和第二推进边设置呈V形结构,使得第一推进边和第二推进边均被分成边长相等的两受力侧面,两受力侧面均会产生推进力和悬浮力,其中,第一推进边的两受力侧面的两悬浮力的大小相等方向相反,即第一推进边的两受力侧面的两悬浮力的合力为零,同样的,第一推进边的两受力侧面的两悬浮力的大小相等方向相反,即第一推进边的两受力侧面的两悬浮力的合力为零,从而消除了对悬浮系统的影响,削弱了导体中感应电动势,进而减小了空载反电势谐波畸变率;
[0027] 本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组,通过调节第一夹角和第二夹角的角度,可以达到消除多次谐波含量的目的;
[0028] 本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组,通过调节第一预设距离,能够实现增大推力输出,从而实现在磁体数量恒定的前提下,增加推力密度的目的;根据推进线圈的个数和第一预设距离,调节第二预设距离,使得相邻两推进线圈的端边形成空间错位,有效解决了相邻推进线圈的端边干涉重叠的问题;
[0029] 本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组,通过在第一推进边的端部和第二推进边的端部均设有90度折角,以利于实现第一推进边和第二推进边到端边的方向转换。附图说明
[0030] 以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释,并不限定本发明的范围。其中:
[0031] 图1是本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组和超导线圈的装配结构示意图;
[0032] 图2是不同极性的两个推进线圈的立体结构示意图;
[0033] 图3是推进线圈的主视结构示意图;
[0034] 图4是图3所示的推进线圈的俯视结构示意图;
[0035] 图5是图3所示的推进线圈的侧视结构示意图;
[0036] 图6是本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组的主视结构示意图;
[0037] 图7是图6所示的用于初级无铁心直线电机的绕组俯视结构示意图;
[0038] 图8是图6所示的用于初级无铁心直线电机的绕组侧视结构示意图;
[0039] 图9是本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组中推进线圈的另一视角的结构示意图。
[0040] 附图标号说明:
[0041] 100、推进线圈;110、第一推进边;120、第二推进边;130、端边;
[0042] 200、超导线圈;
[0043] 300、竖直面。

具体实施方式

[0044] 为了对本发明的技术方案、目的和效果有更清楚的理解,现结合附图说明本发明的具体实施方式。其中,形容词性或副词性修饰语“中心”、“前”和“后”的使用仅是为了便于多组术语之间的相对参考,且并非描述对经修饰术语的任何特定的方向限制。另外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量,由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
[0045] 如图1、图2、图3、图4和图5所示,本发明提供了一种用于初级无铁心直线电机的绕组,其包括多个并排且间隔设置的推进线圈100,每一推进线圈100为由第一推进边110、第二推进边120和两端边130围成的框架结构,第一推进边110与第二推进边120为推进线圈100的两相对的侧边,两端边130为推进线圈100的另外两相对的侧边,即,第一推进边110的第一端与第二推进边120的第一端通过一端边130相接,第一推进边110的第二端与第二推进边120的第二端通过另一端边130相接,且沿推力方向,第一推进边110与第二推进边120相距一个极距τ,具体的,定义邻近超导线圈200的第一推进边110为前推进边,远离超导线圈200的第二推进边120为后推进边,在使用时,前推进边正对其中一超导线圈200,后推进边正对另一超导线圈200,即使得同一推进线圈100的前推进边和后推进边分别对应超导线圈200的两个不同极性的磁场,从而使得前推进边与后推进边的受力方向相同,避免同一推进线圈100扭转力矩的产生。
[0046] 其中,在图2中,空心箭头方向为推力方向。
[0047] 本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组,通过将第一推进边110与第二推进边120沿推力方向相距一个极距,有效解决了现有技术中,因同一推进线圈100的两推进边在同一极性的超导线圈200下,受力方向相反,导致的增加推进线圈100损坏险进而减小推进线圈100使用寿命的问题,使得同一推进线圈100的前推进边和后推进边分别对应超导线圈200的两个不同极性的磁场,从而使得前推进边与后推进边的受力方向相同,避免同一推进线圈100扭转力矩的产生,进而提高了推进线圈100的使用寿命。
[0048] 进一步,多个推进线圈100并排且等间隔设置,端边130呈直线形,以便于各推进线圈100的排布。
[0049] 进一步,考虑到直线电机的初级绕组空间磁场和次级绕组空间磁场由于线圈型式势必会存在高次谐波,使得电机气隙内合成磁场为非正弦磁场,进而电机空载反电势谐波畸变率高,引起电机推力波动和次级磁体振动增加,为了解决这个问题,如图2和图3所示,第一推进边110和第二推进边120均呈V形,且第一推进边110的内表面和第二推进边120的内表面均朝向推力方向,具体的,第一推进边110和第二推进边120均被分成边长相等的两受力侧面,两受力侧面均会产生推进力Fx和悬浮力Fy,其中,第一推进边110的两受力侧面的两悬浮力Fy的大小相等方向相反,即第一推进边110的两受力侧面的两悬浮力Fy的合力为零,同样的,第二推进边120的两受力侧面的两悬浮力Fy的大小相等方向相反,即第二推进边120的两受力侧面的两悬浮力Fy的合力为零,从而消除了对悬浮系统的影响,削弱了导体中感应电动势,进而减小了空载反电势谐波畸变率。
[0050] 再进一步,第一推进边110的侧面与竖直面300之间的夹角为第一夹角α,第一夹角α的角度的计算公式为:
[0051] α=arcsin((2τ/v)/(L/2))
[0052] 其中,α为第一夹角,单位:度;
[0053] L为第一推进边110的长度,单位:mm;
[0054] τ为极距;
[0055] v为消除的谐波次数。
[0056] 具体的,第一夹角α的角度,与拟消除的谐波次数v、极距τ有关,消除第V次谐波,只要使该次的因数KV为0,因数计算公式如下:
[0057]
[0058] 其中,C为第一推进边110的中点到其中一端边130的距离,单位:mm;
[0059] 当KV=0时,可以得出 α=arcsin((2τ/v)/(L/2))。
[0060] 以消除3次谐波为例, 此时因数K3=0,第一推进边110的中点到其中一端边130的距离恰好等于3次空间谐波的波长,导体内的3次谐波电动势互相抵消。
[0061] 再进一步,第二推进边120的侧面与竖直面300之间的夹角为第二夹角,第二夹角的角度与第一夹角α的角度相等,且均可利用上述公式进行计算得出。
[0062] 进一步,如图4、图6、图7和图8所示,第一推进边110和第二推进边120沿悬浮方向具有第一预设距离j,通过调节第一预设距离j,能够实现增大推力输出,从而实现在磁体数量恒定的前提下,增加推力密度的目的,相邻两推进线圈100沿悬浮方向具有第二预设距离h,以使得相邻两推进线圈100的端边130形成空间错位,从而避免相邻推进线圈100的端边130干涉重叠。
[0063] 其中,在图6中,空心箭头方向为悬浮方向。
[0064] 再进一步,第二预设距离h的计算公式为:
[0065] h=12j/N;
[0066] 其中,h为第二预设距离,单位:mm;
[0067] j为第一预设距离,单位:mm;
[0068] N为推进线圈100个数。
[0069] 具体的,如图6所示,电机为对称十八相绕组且等效为六组三相电机,A相从A1到A6,B相从B1到B6,C相从C1到C6,则推进线圈100个数N为6;沿悬浮方向的第一预设距离j每减小10mm,则相邻推进线圈100错位空间阶梯高度 即可避免在第一预设距离j减小的同时,相邻推进线圈100的端边130干涉重叠的问题。
[0070] 进一步,如图9所示,第一推进边110的端部和第二推进边120的端部均设有90度折角,即在每个推进线圈100的四个边角处形成利兹线90度折角,以利于实现第一推进边110和第二推进边120到端边130的方向转换。
[0071] 综上所述,本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组,通过将第一推进边与第二推进边沿推力方向相距一个极距,使得同一推进线圈的第一推进边和第二推进边分别对应超导线圈的两个不同极性的磁场,从而使得第一推进边与第二推进边的受力方向相同,避免同一推进线圈扭转力矩的产生,进而提高了推进线圈的使用寿命;
[0072] 本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组,通过将第一推进边和第二推进边设置呈V形结构,使得第一推进边和第二推进边均被分成边长相等的两受力侧面,两受力侧面均会产生推进力和悬浮力,其中,第一推进边的两受力侧面的两悬浮力的大小相等方向相反,即第一推进边的两受力侧面的两悬浮力的合力为零,同样的,第二推进边的两受力侧面的两悬浮力的大小相等方向相反,即第二推进边的两受力侧面的两悬浮力的合力为零,从而消除了对悬浮系统的影响,削弱了导体中感应电动势,进而减小了空载反电势谐波畸变率;
[0073] 本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组,通过调节第一夹角和第二夹角的角度,可以达到消除多次谐波含量的目的;
[0074] 本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组,通过调节第一预设距离,能够实现增大推力输出,从而实现在磁体数量恒定的前提下,增加推力密度的目的;根据推进线圈的个数和第一预设距离,调节第二预设距离,使得相邻两推进线圈的端边形成空间错位,有效解决了相邻推进线圈的端边干涉重叠的问题;
[0075] 本发明的用于初级无铁心直线电机的绕组,通过在第一推进边的端部和第二推进边的端部均设有90度折角,以利于实现第一推进边和第二推进边到端边的方向转换。
[0076] 以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式,并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员,在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改,均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是,本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用,本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用,因此,本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。