[发明专利]一种无铁心长定子永磁直线同步电动机

说明书

一种无铁心长定子永磁直线同步电动机，包括长定子、气隙和永磁磁极。其长定子由三相或多相绕组构成，固定在非导磁、非导电材料制成的绕组固定装置中。短动子为永磁磁极，与长定子绕组相对，长定子与永磁次级之间为电机的气隙。长定子绕组采用扁平型电缆绕制而成，永磁磁极采用Halbach永磁阵列，永磁阵列为不等高结构，且永磁阵列放置在由非导磁材料制成的套筒中，充磁方向相近的磁块放入同一个套筒腔中固定。长定子绕组、气隙与永磁磁极构成无铁心长定子永磁直线同步电动机。本发明无铁心长定子永磁直线同步电动机可有效提高其推力密度。

技术领域

本发明涉及一种永磁直线电动机，特别涉及一种用于直线驱动的长定子、短动子的无铁心永磁直线同步电动机。

背景技术

直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。直线电动机可用于任何需要直线驱动的场合。

永磁直线同步电动机的主要优点是采用永磁体作为磁极，省去了励磁线圈，不需要电励磁，能够提高电机的效率，降低温升。且结构简单，结实耐用，能实现高速和高加速直线驱动。但有铁心的单边永磁直线同步电动机的初级与次级之间会产生很大的法向吸力，在有些应用场合，例如用于磁浮列车驱动时，法向吸力会对磁浮力造成很大干扰，并且会加大磁浮系统的能量需求，法向吸力是需要避免的。为避免初、次级铁心之间产生的法向吸力，需要采用无铁心永磁直线电动机。

与带铁心的电机相比，无铁心带来的主要问题是电机电磁气隙大，磁路磁导小，漏磁大，需要较高的励磁磁势，电机的能量密度较低，因而推力密度也较低。另一方面，由于永磁磁极为动子，为提高励磁磁势，需要更多的永磁体，因而增加了动子的自重，使得电机的推力重量比：推力/永磁体重量较低。如张志华等在论文“Investigation of Single-SidedIronless Linear Synchronous Motor Based on Permanent Magnet Halbach ArrayUsed for MediumSpeed Maglev”(The 11th International Symposium on LinearDrives for Industry Applications(LDIA 2017))中，提到的为中速磁浮列车所研制的一种单边无铁心长定子永磁直线同步电动机，其推力重量比只有13.82N/kg，推力密度很低，其车载永磁体重量达400多公斤。

推力重量比是衡量或比较这种用于直线驱动的长定子永磁直线同步电动机性能的一项关键指标。提高这种无铁心电机的功率密度，及推力重量比是提高电机性能的关键之一。

图5是现有技术的单边无铁心长定子直线同步电动机的结构示意图。图17是计算的现有技术电机采用8模块Halbach永磁阵列的磁场分布，为便于看清磁场分布，图中仅画出了一匝圆形导体的电枢绕组。导体上部与磁极下极面的距离为电磁气隙。从图17可知，由于无铁心，永磁磁极下方的磁场为发散的，磁力线逐渐变得稀疏，这说明随着离开极面下方距离的增加，磁场迅速衰减。图18是永磁磁极极面下方的磁感应强度B随距离的变化曲线，是一个下降的曲线，表明磁场随距离增加而下降。现有技术电机的圆形电枢导体的直径为20.4mm，导体上部距极面为25.3mm，从图18可知，圆形电枢导体上部的B为0.4136T，导体下部的B下降为0.3014T，从上到下的磁感应强度B下降了27％。这说明，由于极面下磁场不均匀，使得键链导体的磁感应强度B随导体厚度增加而下降，推力也会随之下降，电机的能量转换效率较低，推力密度也较低。因此，需要优化磁路结构和电枢导体布置方式，以提高电机的功率密度及推力重量比。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，提高无铁心长定子永磁直线同步电动机的推力密度及推力重量比，本发明提出一种单边无铁心长定子永磁直线同步电动机。本发明从永磁磁极及定子绕组分布两个方面对现有技术进行了改进，有效提高了气隙磁场，因而提高了电机的推力密度，提高了无铁心长定子永磁直线同步电动机在直线驱动中的适用性。