CN109004807A - 一种无直线轴承开关磁阻直线电机 - Google Patents

Abstract

一种无直线轴承开关磁阻直线电机，电机由动子和定子组成，两者之间有气隙；定子的长度大于动子的长度；定子包括n个推力机构、n+1个无轴承机构，2n+1个“E”型动子齿、2n+2个偏置励磁源、n推力线圈、n+1悬浮线圈和2n+1隔磁机构；无轴承机构包括“E”型动子齿、偏置励磁源a、偏置励磁源b和悬浮线圈，悬浮线圈绕置于“E”型动子齿的中间齿上，偏置励磁源a和偏置励磁源b励磁方向相反；单个推力机构包括“E”型动子齿和推力线圈，推力线圈绕置于“E”型动子齿的中间齿上；推力机构的“E”型动子齿和无轴承机构的“E”型动子齿为相邻结构。本发明无轴承机构与推力机构的间隔设计从机械结构上实现了悬浮磁场与推力磁场的解耦。

Description

一种无直线轴承开关磁阻直线电机

技术领域

本发明属于直线电机领域，尤其是涉及一种无直线轴承开关磁阻直线电机。

背景技术

随着工业应用的发展，直线电机应用越来越广泛。在直线驱动场合，相比于旋转电机，直线电机直接将电能变成直线运动的机械能而不需要中间转换环节，结构简单且动态响应快，效率高且施工成本低。直线电机通过直线轴承支承，以保证气隙尺寸，直线轴承会影响到直线电机的机械特性和寿命。无轴承磁悬浮技术与直线电机结合可以解决该问题，并引出一些新技术，如磁悬浮列车、生产输送线等。在直线电机的选择上，永磁直线电机在效率、力能指标、功率因数等方面具有显著的优势，但在长定子场合永磁直线电机工程造价高，维护不便，且永磁体存在退磁风险。开关磁阻直线电机不含价格昂贵的永磁体，受环境影响小，适合在各种恶劣环境下使用。

然而，直线开关磁阻电机的气隙磁密谐波含量丰富，如果作为无直线轴承直线电机，其悬浮力和推力的解耦控制比较困难。

中国专利申请公开文献《一种复合转子无轴承开关磁阻电机的解耦控制方法》文献号：CN106655549A ，公开号：CN106655549A，公开了一种旋转无轴承开关磁阻电机，该电机的转矩控制方法以输出转矩作为转矩控制环节的控制对象，采用三相轮流导通控制方式，根据转矩关于电流和转子位置角的关系，获得输出转矩；根据悬浮力关于电流和转子位置角的关系，得到悬浮电流的参考值，实现对悬浮力和输出转矩的直接控制。该方法也可以移植到无直线轴承开关磁阻直线电机上。然而，该结构存在一些主要缺点，包括悬浮力控制与转矩控制存在耦合，悬浮控制需要知道转子的位置信息，这些问题也会存在于对应的无直线轴承开关磁阻直线电机上，使得直线电机光栅尺不但要为推力控制提供位置信息，还要为悬浮控制提供位置信息，同时悬浮力电流控制、推力电流控制以及定子位置信息耦合在一起，解耦控制算法复杂，一旦电机饱和，参数变化，严重时系统会失稳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有无轴承磁悬浮技术应用到开关磁阻直线电机上存在悬浮力磁场与推力磁场耦合、控制算法复杂、悬浮力控制需要知道定子位置信息的问题，提出一种无直线轴承开关磁阻直线电机，其无轴承机构和推力机构在机械结构上解耦，通过对电机结构以及无轴承机构特殊设计，使得悬浮线圈的气隙磁导为常数，即悬浮力电流控制与定子位置解耦，悬浮力不随定子位置变化而变化。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种无直线轴承开关磁阻直线电机，所述电机由动子和定子组成，两者之间有气隙；所述定子的长度大于动子的长度；所述定子包括n个推力机构、n+1个无轴承机构，2n+1个“E”型动子齿、2n+2个偏置励磁源、n推力线圈、n+1悬浮线圈和2n+1隔磁机构；所述无轴承机构和推力机构通过隔磁机构相连；

所述单个无轴承机构包括“E”型动子齿、偏置励磁源a、偏置励磁源b和悬浮线圈，所述悬浮线圈绕置于“E”型动子齿的中间齿上，所述偏置励磁源a和偏置励磁源b励磁方向相反，并分别放置于“E”型动子齿的两边轭部；

所述单个推力机构包括“E”型动子齿和推力线圈，所述推力线圈绕置于“E”型动子齿的中间齿上；所述推力机构的“E”型动子齿和所述无轴承机构的“E”型动子齿为相邻结构。

优选的，无轴承机构的“E”型动子齿中间齿齿宽为b，所述定子齿宽为b的1/3，所述定子极距与b相等；所述无轴承机构的“E”型动子齿齿槽内间距宽度为b的1/3。

优选的，所述偏置励磁源为电励磁绕组。

优选的，所述偏置励磁源为永磁体。

本发明一种无直线轴承开关磁阻直线电机，无轴承机构与推力机构的间隔设计从机械结构上实现了悬浮磁场与推力磁场的解耦，同时，无轴承机构的齿宽、槽内间距以及定子齿宽的特定设计使得悬浮磁场所经磁路的磁导与定子位置无关，从而使得悬浮力不随定子位置变化而变化，即悬浮力控制不需要定子位置信息，大大简化了控制算法。

附图说明

图1是本发明无直线轴承开关磁阻直线电机结构图。

图2是本发明无轴承机构尺寸设计比例。

图3是本发明悬浮线圈电感。

图4是本发明无轴承机构产生的悬浮力。

图5是本发明悬浮磁场磁力线与推力磁场磁力线。

附图标记说明：图1中，1是直线电机定子，2是直线电机动子 ，3是悬浮线圈，4是正向励磁的偏置励磁源，5是反向励磁的偏置励磁源，6是“E”型动子齿，7是推力线圈，8是是隔磁机构，9是推理机构磁力线，10是无轴承机构磁力线。

具体实施方式

下面结合附图，当n=3时，对本发明提出的无直线轴承开关磁阻直线电机进行详细说明：

如图1所示，一种无直线轴承开关磁阻直线电机，电机由动子和定子组成，两者之间有气隙；定子的长度大于动子的长度；定子由推力机构、无轴承机构、“E”型动子齿、偏置励磁源、推力线圈、悬浮线圈、隔磁机构组成。

推力机构有3个，分别是1号到3号推力机构（左到右依次编号，同下）；无轴承机构有4个，分别是1号到4号无轴承机构；“E”型动子齿有7个，分别是1号到7号“E”型动子齿；偏置励磁源有8个，分别是1号到8号偏置励磁源。

其中，奇数号偏置励磁源励磁方向相同，偶数号偏置励磁源励磁方向相同，奇数号偏置励磁源励磁方向和偶数号偏置励磁源励磁方向相反。

推力线圈有3个，分别是1号到3号推力线圈；悬浮线圈有4个，分别是1号到4号悬浮线圈；隔磁机构有7个，分别是1号到7号隔磁机构。

1号推力机构由1号“E”型动子齿、1号推力线圈组成，1号推力线圈绕置于1号“E”型动子齿的中间齿上，依次类推，3号推力机构由3号“E”型动子齿、3号推力线圈组成，3号推力线圈绕置于3号“E”型动子齿的中间齿上。

1号无轴承机构由1号“E”型动子齿、1号偏置励磁源、2号偏置励磁源、1号悬浮线圈组成，1号偏置励磁源和2号偏置励磁源励磁方向相反；1号悬浮线圈绕置于1号“E”型动子齿的中间齿上，1号偏置励磁源和2号偏置励磁源分别放置于1号“E”型动子齿的两边轭部，以此类推，4号无轴承机构由7号“E”型动子齿、7号偏置励磁源、8号偏置励磁源、4号悬浮线圈组成，7号偏置励磁源和8号偏置励磁源励磁方向相反；4号悬浮线圈绕置于7号“E”型动子齿的中间齿上，7号偏置励磁源和8号偏置励磁源分别放置于7号“E”型动子齿的两边轭部。

1号无轴承机构与1号推力机构通过1号隔磁机构连接，1号推力机构与2号无轴承机构通过2号隔磁机构连接，以此类推，3号无轴承机构与3号推力机构通过6号隔磁机构连接，3号推力机构与4号无轴承机构通过7号隔磁机构连接。

图2 是本发明无轴承机构尺寸设计比例，无轴承机构的“E”型动子齿，即1号、3号、5号和7号“E”型动子齿中间齿齿宽为b，定子齿宽为b的1/3，定子极距与b相等；“E”型动子齿齿槽内间距宽度为b的1/3。

图3为本发明无轴承机构悬浮线圈的电感，可以看出，采用图2给出的无轴承机构的尺寸设计比例，悬浮线圈的气隙磁导为常数，即悬浮线圈的电感基本不随定子位置变化。

图4为本发明无轴承机构产生的悬浮力，可以看到，由于悬浮线圈的电感基本不随定子位置变化，那么悬浮力基本不随定子位置的改变而变化，实现了悬浮力控制与定子位置信息的解耦，实现悬浮力线性控制。

图5为本发明悬浮磁场磁力线与推力磁场磁力线，可以看出，由于隔磁机构的设置，悬浮磁场磁力线与推力磁场磁力线是独立的，实现悬浮力和推力的独立控制，且控制算法简单。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无直线轴承开关磁阻直线电机，所述电机由动子和定子组成，两者之间有气隙；所述定子的长度大于动子的长度；其特征在于，所述定子包括n个推力机构、n+1个无轴承机构，2n+1个“E”型动子齿、2n+2个偏置励磁源、n推力线圈、n+1悬浮线圈和2n+1隔磁机构；所述无轴承机构和推力机构通过隔磁机构相连；

所述单个无轴承机构包括“E”型动子齿、偏置励磁源a、偏置励磁源b和悬浮线圈，所述悬浮线圈绕置于“E”型动子齿的中间齿上，所述偏置励磁源a和偏置励磁源b励磁方向相反，并分别放置于“E”型动子齿的两边轭部；

所述单个推力机构包括“E”型动子齿和推力线圈，所述推力线圈绕置于“E”型动子齿的中间齿上；所述推力机构的“E”型动子齿和所述无轴承机构的“E”型动子齿为相邻结构。

2.根据权利要求1所述的无直线轴承开关磁阻直线电机，其特征在于，无轴承机构的“E”型动子齿中间齿齿宽为b，所述定子齿宽为b的1/3，所述定子极距与b相等；所述无轴承机构的“E”型动子齿齿槽内间距宽度为b的1/3。

3.根据权利要求1所述的无直线轴承开关磁阻直线电机，其特征在于，所述偏置励磁源为电励磁绕组。

4.根据权利要求1所述的无直线轴承开关磁阻直线电机，其特征在于，所述偏置励磁源为永磁体。