專利名稱：城市軌道交通用永磁游標直線電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及電工、電機、軌道交通領域，特指一種適用于城市軌道交通的新型 Halbach低速大推力永磁游標直線電機。
背景技術：
隨著城市人口的膨脹和城建物的不斷密集，城市軌道交通憑借便捷、環保、節能、 安全和運量大等優點，在城市持續發展中起著十分重要的作用。而與此同時，城市軌道交通用牽引電機的研究也得到了相關領域學者越來越廣泛的關注。在城市軌道交通應用場合，牽弓I電機主要是采用旋轉電機和直線電機這兩種技術途徑。采用直線電機的城軌電車，將電能直接轉換成直線運動的機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置，可避免滑行和空轉產生的各種問題；此外，直線電機相比較于旋轉電機，減小了車身體積和重量，從而降低了施工成本。因此，用于城市軌道交通的直線電機極具研究和實用價值。當前，對城軌交通用直線電機的研究主要有直線感應電機和永磁直線同步電機。 其中，直線感應電機應用的較多，但其在功率因數、功率密度等方面存在不足。傳統的永磁直線同步電機兼有永磁電機和直線電機的雙重優點，與直線感應電機相比,永磁直線同步電機的力能指標高、體積小、重量輕，且具有發電制動功能。然而，其也存在推力波動幅值大的明顯缺點，直接影響定位和軌跡跟蹤精度，在城軌交通應用場合中無疑帶來低速運動平穩性問題。若采用新型Halbach低速大推力永磁游標直線電機，通過初級齒上磁通調制極的引入，省去了傳統磁齒輪中的高速側以及獨立的調磁環結構，使得電機結構更為簡單，既可以調節速度，又具有噪聲低、可靠性高、推力傳輸能力大、過載保護等優點。而且，次級上永磁體采用特殊的Halbach陣列，通過調整永磁體寬度比以及充磁方向，可以獲得提供更大的有效磁場諧波成分和輸出推力密度，降低次級磁軛的磁通密度及鐵芯損耗。因此，有必要提出一種城市軌道交通用新型Halbach低速大推力永磁游標直線電機。
發明內容
技術問題本發明針對傳統城軌交通用直線電機在低速運動時存在平穩性問題， 提出一種城市軌道交通用永磁游標直線電機，利用電機初級齒上磁通調制極的調制作用， 省去了傳統磁齒輪中的高速側以及獨立的調磁環結構，使得電機結構更為簡單，既可以調節速度，又具有噪聲低、可靠性高、推力傳輸能力大、過載保護等優點。同時次級永磁體采用特殊的Halbach陣列，可以提供更大的有效磁場諧波成份和輸出推力密度，減少次級鐵芯磁軛的磁通密度，降低鐵芯損耗。技術方案為解決上述技術問題，本發明提供了一種城市軌道交通用永磁游標直線電機，該電機包括電機初級、與電機初級通過氣隙相隔的電機次級；
電機初級包括扁平狀的初級鐵芯、電樞繞組、磁通調制極，初級鐵芯上設有凸出于其外周的初級齒，電樞繞組繞于初級齒上，初級齒上凸出的小齒部分即為磁通調制極，電機初級安置于列車上；
電機次級包括永磁體、次級鐵芯，永磁體沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在次級鐵芯上，電機次級安置于列車軌道上。電機初級與電機次級之間只有一層氣隙。磁通調制極用于進行磁場調制，且滿足磁通調制極的個數ns等于電機初級電樞繞組極對數np與電機次級永磁體極對數之和。永磁體材料為釹鐵硼，每塊永磁體分成三份，每份永磁體的寬度和充磁方向均可調節。 初級鐵芯和次級鐵芯的材料均為娃鋼片。有益效果
(1)省去了傳統磁齒輪中的高速側以及獨立的調磁環結構，使得電機結構更為
簡單，既可以調節速度，又具有噪聲低、可靠性高、推力傳輸能力大、過載保護等優點， 適用于城市軌道交通場合；
(2)電機為單氣隙結構，加工工藝簡單，穩定性及可靠性得到提高；
(3)電機中有更多的磁力線通過氣隙，因此氣隙磁通密度的有效諧波成份值比普通磁場調制式永磁電機高，輸出推力增大；
(4)電機次級鐵芯磁軛磁通密度可以大量減少，這將減少次級鐵芯磁軛鐵芯損耗，縮小次級鐵芯軛部大小，節省材料；
(5)次級永磁體之間通過鐵芯隔離，阻斷了各永磁體中渦流電流的相互流動，降低了次級永磁體中的渦流損耗。次級永磁體采用表面插入式結構，使得該電機具有很寬的恒功率弱磁能力，特別適用于城軌交通需要靈活變化速度的場合。
圖I為本發明結構示意其中有電機初級I、電機次級2、初級鐵芯3、初級齒4、電樞繞組5、磁通調制極6、永磁體7、次級鐵芯8 ；
圖2為本發明次級局部永磁體充磁方向示意其中有永磁體7、次級鐵芯8、初級齒4、電樞繞組5、磁通調磁極6。永磁體7每個極被分成三份，圖中箭頭所指方向為該份永磁體的充磁方向，每份永磁體的寬度和充磁方向均可調節，以達到最大的功率輸出。
具體實施例方式下面將參照附圖對本發明進行說明。本發明提出了一種城市軌道交通用低速大推力永磁游標直線電機。它通過電機初級齒上磁通調制極的作用，進行磁場調制，解決傳統直線電機低速運行時推力輸出能力小的問題，同時次級永磁體采用特殊的Halbach陣列，可以提供更大的有效磁場諧波成份和輸出推力密度，減少次級鐵芯磁軛的磁通密度，降低鐵芯損耗。因此，本發明在提高城軌交通用直線電機低速運行平穩性的同時，也提高了電機效率。該電機包括初級、次級；電機初級包括初級鐵芯、初級齒、電樞繞組、磁通調制極， 初級鐵芯采用凸極嵌入式游標結構，電樞繞組繞于初級齒上，初級齒上凸極的小齒部分即為磁通調制極，初級安置于列車上；電機次級包括永磁體、次級鐵芯，永磁體沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在次級鐵芯上，次級安置于列車軌道上。本發明提供的城市軌道交通用永磁游標直線電機，該電機包括電機初級I、與電機初級I通過氣隙相隔的電機次級2。電機初級I包括扁平狀的初級鐵芯3、電樞繞組5、磁通調制極6，初級鐵芯3上設有凸出于其外周的初級齒4，電樞繞組5繞于初級齒4上，初級齒4上凸出的小齒部分即為磁通調制極6，電機初級I安置于列車上。電機次級2包括永磁體7、次級鐵芯8，永磁體7沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在次級鐵芯8上，電機次級2安置于列車軌道上。電機初級I與電機次級2之間只有一層氣隙。磁通調制極6用于進行磁場調制，且滿足磁通調制極6的個數ns等于電機初級I 電樞繞組極對數np與電機次級2永磁體極對數之和。永磁體7材料為釹鐵硼，每塊永磁體分成三份，圖2中箭頭所指方向為該份永磁體的充磁方向，每份永磁體的寬度和充磁方向均可調節，以達到最大的功率輸出。初級鐵芯3和次級鐵芯8的材料均為娃鋼片。初級電樞繞組極對數與永磁體極對數之比即為該電機可實現的速度變比。本發明基于磁通調制極的空間磁場調制原理，利用空間諧波傳遞磁場和能量，當給該直線電機初級電樞繞組通以固定頻率的交流電時，電樞繞組電流產生的行波磁場同步
速度為V1，經磁通調制極的磁場調制作用，在氣隙中產生一個調制行波磁場，其同步速度為 -I該磁場與次級上的永磁體相互作用，從而帶動初級同步運動，負號表示電樞繞組磁場與調制磁場的行波方向相反。通過改變通入繞組電流的頻率來實現不同的同步速度V1 ,進而得到不同的初級運動速度I,實現調速驅動。V1 :巧為調速比，數值上等于(k = nr
)。因此，該電機滿足在低速時輸出較大推力的要求，適用于城市軌道交通領域。該電機次級永磁體采用特殊的Halbach陣列，利用有限元優化調整永磁體寬度比以及充磁方向，可以獲得提供更大的有效磁場諧波成份和輸出推力密度，降低次級磁軛的磁通密度及鐵芯損耗。以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內。
權利要求
1.一種城市軌道交通用永磁游標直線電機，其特征在于該電機包括電機初級(I)、 與電機初級(I)通過氣隙相隔的電機次級(2 );電機初級(I)包括扁平狀的初級鐵芯(3 )、電樞繞組(5 )、磁通調制極(6 )，初級鐵芯(3 ) 上設有凸出于其外周的初級齒(4)，電樞繞組(5)繞于初級齒(4)上，初級齒(4)上凸出的小齒部分即為磁通調制極(6)，電機初級(I)安置于列車上；電機次級(2 )包括永磁體(7 )、次級鐵芯(8 )，永磁體(7 )沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在次級鐵芯(8)上，電機次級(2)安置于列車軌道上。
2.根據權利要求I所述的城市軌道交通用永磁游標直線電機，其特征在于電機初級 (O與電機次級(2)之間只有一層氣隙。
3.根據權利要求I所述的城市軌道交通用永磁游標直線電機，其特征在于磁通調制極(6)用于進行磁場調制，且滿足磁通調制極(6)的個數ns等于電機初級(I)電樞繞組極對數np與電機次級(2 )永磁體極對數之和。
4.根據權利要求I所述的城市軌道交通用永磁游標直線電機，其特征在于永磁體 (7)材料為釹鐵硼，每塊永磁體分成三份，每份永磁體的寬度和充磁方向均可調節。
5.根據權利要求I所述的城市軌道交通用永磁游標直線電機，其特征在于初級鐵芯 (3 )和次級鐵芯(8 )的材料均為娃鋼片。
全文摘要
本發明涉及一種城市軌道交通用永磁游標直線電機，該電機包括電機初級(1)、與電機初級(1)通過氣隙相隔的電機次級(2)；電機初級(1)包括扁平狀的初級鐵芯(3)、電樞繞組(5)、磁通調制極(6)，初級鐵芯(3)上設有凸出于其外周的初級齒(4)，電樞繞組(5)繞于初級齒(4)上，初級齒(4)上凸出的小齒部分即為磁通調制極(6)，電機初級(1)安置于列車上；電機次級(2)包括永磁體(7)、次級鐵芯(8)，永磁體(7)沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在次級鐵芯(8)上，電機次級(2)安置于列車軌道上。本發明可以提高城市軌道交通用直線電機低速運行時的平穩性，提高電機效率，具有很高的理論和實用價值。
文檔編號H02K41/02GK102594085SQ20121002794
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月9日 優先權日2012年2月9日
發明者於鋒, 樊英, 金小香, 黃進 申請人:東南大學