本發(fā)明屬于直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，具體涉及一種帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)。

背景技術(shù)：

直線電機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。在直線電機(jī)直驅(qū)電梯、直線電機(jī)地鐵、磁懸浮列車、直線電機(jī)加工中心、自動(dòng)化流水線等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)合，不但要求直線電機(jī)推力大，還經(jīng)常需要對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行增磁與弱磁調(diào)節(jié)、推力調(diào)節(jié)、法向力調(diào)節(jié)、無接觸導(dǎo)向控制等，需要對(duì)勵(lì)磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)?，F(xiàn)有的永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)主要有隱極式和凸極式兩種，凸極式永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1（凸極單邊結(jié)構(gòu)）和圖2（凸極雙邊結(jié)構(gòu)）所示，N、S交替排列的永磁體20（磁化方向沿縱向）和凸鐵塊24粘貼在次級(jí)非磁性軛部23上，該結(jié)構(gòu)要求次級(jí)非磁性軛部23為非磁性材料且要求足夠的厚度以便與外界鐵磁區(qū)域隔絕，永磁場(chǎng)磁通路徑為兩個(gè)，第一個(gè)為主磁路：（沿縱向）永磁體A（沿縱向）—凸鐵塊A—（沿法向）氣隙—初級(jí)鐵芯—?dú)庀丁来朋wA；第二個(gè)為漏磁路（不經(jīng)過氣隙）：永磁體A（沿縱向）—凸鐵塊A—次級(jí)非磁性軛部或外層空間—永磁體A；因此，凸極式永磁直線電機(jī)次級(jí)漏磁大，永磁體相當(dāng)一部分磁場(chǎng)能量漏到次級(jí)軛部及軛部之外空間中了，因此永磁體利用率不高，出力小。次級(jí)軛部為非磁性材料的特點(diǎn)也決定了其不適合加裝直流勵(lì)磁線圈（因?yàn)椴荒軜?gòu)成直流勵(lì)磁通路）?，F(xiàn)在一般利用隱極式永磁直線電機(jī)的磁性次級(jí)軛部加裝直流勵(lì)磁線圈的方式。圖3中，次級(jí)軛部為鐵磁材料以便作為磁通路徑一部分，N、S交替排列的永磁體20（磁化方向沿法向氣隙方向）粘貼在次級(jí)磁性鐵軛22上，永磁體20作為主磁場(chǎng)，直流勵(lì)磁線圈21設(shè)置在永磁體20后面的次級(jí)磁性鐵軛22上用來產(chǎn)生直流勵(lì)磁場(chǎng)作為輔助勵(lì)磁調(diào)節(jié)，磁通路徑也為兩個(gè)，第一個(gè)為永磁場(chǎng)主磁通路徑（經(jīng)過氣隙）：永磁A（沿法向）—?dú)庀丁跫?jí)鐵芯—?dú)庀丁来朋wB——磁性次級(jí)軛鐵—永磁體A；第二個(gè)為直流勵(lì)磁磁通路徑（經(jīng)過氣隙）：勵(lì)磁線圈（沿法向）—永磁體A—?dú)庀丁跫?jí)鐵芯—?dú)庀丁来朋wB——磁性次級(jí)軛鐵—（回到）勵(lì)磁線圈。由于永磁體可等效為通電的空芯線圈，故永磁體20的厚度對(duì)于勵(lì)磁磁路來說，可以看做空氣隙，會(huì)產(chǎn)生很大的磁阻和磁壓降，使得勵(lì)磁磁勢(shì)（即勵(lì)磁電流與繞組匝數(shù)的乘積）大部分消耗到永磁體等效空氣隙中了，故其出力不大，勵(lì)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力小、調(diào)節(jié)效果不佳，而且需要提供的勵(lì)磁電流和供電功率大，線圈容易發(fā)熱，導(dǎo)致電機(jī)體積大，成本高，一般只適用于工作氣隙小、永磁體厚度比較薄的場(chǎng)合，對(duì)于多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，難以實(shí)現(xiàn)大推力和有效的勵(lì)磁調(diào)節(jié)。已成為制約直線電機(jī)工程應(yīng)用的瓶頸問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有混合勵(lì)磁直線電機(jī)出力小、調(diào)節(jié)能力低、勵(lì)磁功率與體積大、成本高等問題，提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、出力大、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、勵(lì)磁功率小、性價(jià)比高的帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)。

本發(fā)明的目的是以下述方式實(shí)現(xiàn)的：

帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)，包括由兩個(gè)面對(duì)面設(shè)置的單邊初級(jí)構(gòu)成的雙邊初級(jí)，單邊初級(jí)由帶鐵芯或不帶鐵芯的初級(jí)繞組組成，雙邊初級(jí)與設(shè)置在雙邊初級(jí)之間的雙邊次級(jí)配合構(gòu)成雙邊直線電機(jī)，雙邊次級(jí)由至少一組交替貼裝的導(dǎo)磁鐵和磁體組成，相鄰磁體的充磁方向相對(duì)或者背離，每個(gè)導(dǎo)磁鐵上設(shè)置勵(lì)磁線圈。

勵(lì)磁線圈套設(shè)在導(dǎo)磁鐵上，勵(lì)磁線圈位于導(dǎo)磁鐵側(cè)方的凹槽Ⅰ內(nèi)，或者勵(lì)磁線圈伸出導(dǎo)磁鐵位于相鄰磁體的凹槽Ⅱ內(nèi)。

磁體的法向高度小于或者等于導(dǎo)磁鐵的法向高度，當(dāng)磁體的法向高度小于導(dǎo)磁鐵的法向高度時(shí)，磁體可以為多列并行設(shè)置，多列磁體的法向總高度小于導(dǎo)磁鐵的法向高度。

相鄰導(dǎo)磁鐵之間并行設(shè)置有至少一列線圈和至少一列磁體，磁體和線圈的法向總高度分別小于或等于導(dǎo)磁鐵的法向高度。

導(dǎo)磁鐵的兩側(cè)設(shè)置有交替貼裝的導(dǎo)磁凸鐵極和縱向磁體，導(dǎo)磁凸鐵極設(shè)置在導(dǎo)磁鐵的兩端與導(dǎo)磁鐵連成一體，導(dǎo)磁凸鐵極的寬度大于等于導(dǎo)磁鐵的寬度，縱向磁體的寬度小于等于磁體的寬度。

導(dǎo)磁鐵、導(dǎo)磁凸鐵極、縱向磁體和磁體截面為矩形、等腰梯形、三角形、“凸”字形、“中”字形、“工”字形或圓弧形。

凸鐵極或?qū)Т盆F的表面開設(shè)至少一個(gè)開口槽，開口槽內(nèi)設(shè)置有法向磁體，法向磁體的表面極性與凸鐵極或?qū)Т盆F的表面極性一致。

在凸鐵極或?qū)Т盆F的表面設(shè)置一層連接薄片，將個(gè)凸鐵極或?qū)Т朋w連成一個(gè)整體；連接薄片為導(dǎo)磁薄片、導(dǎo)電薄片或?qū)Т艑?dǎo)電復(fù)合薄片，或?yàn)閹舾刹鄣膶?dǎo)磁齒槽薄片，槽內(nèi)嵌導(dǎo)電體，各導(dǎo)電體橫向端部通過導(dǎo)電短路環(huán)連成一體。

所述的磁體、法向磁體和縱向磁體為永磁體、超導(dǎo)磁體或者電勵(lì)磁體。

所述的雙邊次級(jí)每邊的凸鐵極和/或?qū)Т盆F的橫向端部通過相應(yīng)的端部連接板彼此連接成一體構(gòu)成統(tǒng)一的雙邊次級(jí)。

本發(fā)明所述的雙邊次級(jí)由雙邊次級(jí)由至少一組交替貼裝的導(dǎo)磁鐵和磁體組成，相鄰磁體的極性相反，導(dǎo)磁鐵和磁體之間設(shè)置有線圈，漏磁大幅降低甚至完全消除，勵(lì)磁功率小，勵(lì)磁調(diào)節(jié)能力顯著增強(qiáng)，解決了長期制約直線電機(jī)工程應(yīng)用的瓶頸問題。相同體積和制造使用成本下，可大幅增加電機(jī)功率和出力，或相同功率下，大幅降低電機(jī)體積和制造使用成本，特別適用于大氣隙、大推力、大功率、長行程和需要磁懸浮導(dǎo)向控制等直線電機(jī)工程應(yīng)用場(chǎng)合。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有單邊凸極永磁直線電機(jī)示意圖；

圖2為現(xiàn)有雙邊凸極永磁直線電機(jī)示意圖；

圖3為現(xiàn)有混合勵(lì)磁直線電機(jī)示意圖；

圖4為本發(fā)明的帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖5為本發(fā)明的帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖二；

圖6為本發(fā)明的帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖三；

圖7為本發(fā)明的帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖四；

圖8為本發(fā)明的帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖五；

圖9為本發(fā)明凸鐵極和縱向磁鐵截面示意圖一；

圖10為本發(fā)明凸鐵極和縱向磁鐵截面示意圖二；

圖11為本發(fā)明凸鐵極和縱向磁鐵截面示意圖三；

圖12為本發(fā)明凸鐵極和縱向磁鐵截面示意圖四；

圖13為本發(fā)明凸鐵極和縱向磁鐵截面示意圖五；

圖14為本發(fā)明凸鐵極和縱向磁鐵截面示意圖六；

圖15為本發(fā)明凸鐵極和縱向磁鐵截面示意圖七；

圖16為本發(fā)明凸鐵極和縱向磁鐵截面示意圖八；

圖17為本發(fā)明凸鐵極和縱向磁鐵截面示意圖九；

圖18為本發(fā)明凸鐵極和縱向磁鐵截面示意圖十；

圖19為本發(fā)明凸鐵極和縱向磁鐵截面示意圖十一；

圖20為本發(fā)明凸鐵極和縱向磁鐵截面示意圖十二；

圖21為本發(fā)明的帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖六；

圖22為本發(fā)明的帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖七；

圖23為本發(fā)明次級(jí)局部三維結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖24為本發(fā)明連接板三維結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖25為本發(fā)明三維結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖26為本發(fā)明次級(jí)局部三維結(jié)構(gòu)示意圖二；

圖27為本發(fā)明連接板三維結(jié)構(gòu)示意圖二

圖28為本發(fā)明三維結(jié)構(gòu)示意圖二；

圖29為本發(fā)明勵(lì)磁調(diào)節(jié)線圈不通電磁場(chǎng)有限元仿真磁力線分布圖。

其中，1.初級(jí)鐵芯；2.初級(jí)繞組；3.凸鐵極；4.導(dǎo)磁鐵；5.縱向磁體；6.磁體；7.勵(lì)磁調(diào)節(jié)線圈；8.法向磁體；20.永磁體；21.直流勵(lì)磁線圈；22. 磁性鐵軛；23 非磁性軛部；24. 凸鐵塊；25.連接板。

具體實(shí)施方式

圖3所示為本發(fā)明的帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖一，包括兩個(gè)面對(duì)面設(shè)置的單邊初級(jí)組成雙邊初級(jí)，單邊初級(jí)由初級(jí)鐵芯1和初級(jí)繞組2組成或僅由無鐵芯初級(jí)繞組組成，雙邊次級(jí)位于雙邊初級(jí)之間，與各單邊初級(jí)保持一定的氣隙，所述的雙邊次級(jí)由帶導(dǎo)磁鐵4的一組或兩組凸極磁體陣列組成，凸極磁體陣列由m個(gè)導(dǎo)磁凸鐵極3、n個(gè)沿縱向充磁的縱向磁體5交替貼裝組成，相鄰兩凸鐵極3中心線之間的距離為次級(jí)極距Ts，m為電機(jī)的極數(shù)，n為縱向磁體的個(gè)數(shù)，m、n為大于1的整數(shù)，縱向?yàn)橥硅F極3表面切向方向或次級(jí)運(yùn)動(dòng)方向，法向?yàn)橥硅F極3中心線方向或氣隙方向，橫向?yàn)榇怪庇诳v向、法向的方向，相鄰縱向磁體5充磁方向相對(duì)或者背離，在相鄰?fù)硅F極3上形成N、S極性交替的磁極，雙邊次級(jí)一側(cè)凸鐵極3與另一側(cè)對(duì)應(yīng)凸鐵極3之間通過導(dǎo)磁導(dǎo)磁鐵4連接成一體，凸鐵極3的寬度大于等于導(dǎo)磁鐵4的寬度，各導(dǎo)磁鐵4互不相交，導(dǎo)磁鐵4上設(shè)置或纏繞至少一組次級(jí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)線圈7，導(dǎo)磁鐵4為雙邊次級(jí)激勵(lì)區(qū)、直流勵(lì)磁調(diào)節(jié)線圈與雙邊初級(jí)組成串并聯(lián)磁路提供了通道，雙邊次級(jí)置于雙邊初級(jí)之間與雙邊初級(jí)配合構(gòu)成雙邊直線電機(jī)。

所述的勵(lì)磁調(diào)節(jié)線圈7作為法向力或推力調(diào)節(jié)單元。當(dāng)作為法向力調(diào)節(jié)單元時(shí)，根據(jù)雙邊法向力或雙邊磁場(chǎng)或雙邊氣隙的檢測(cè)偏移量通入相應(yīng)的直流勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流的方向和線圈的繞向使得雙邊電機(jī)兩側(cè)的勵(lì)磁磁場(chǎng)及法向力一側(cè)被增強(qiáng)的同時(shí)，另一側(cè)被減弱；當(dāng)作為推力調(diào)節(jié)單元時(shí)，根據(jù)負(fù)載或功角或位置或速度或負(fù)載電流的檢測(cè)變化量通入相應(yīng)的勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流的方向和線圈的繞向使得雙邊電機(jī)兩側(cè)的勵(lì)磁磁場(chǎng)及法向力同時(shí)被增強(qiáng)或同時(shí)被減弱；雙邊次級(jí)與雙邊初級(jí)配合構(gòu)成了帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)。

圖5、圖6所示為本發(fā)明的帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，所述的任意相鄰的兩個(gè)導(dǎo)磁鐵4之間設(shè)置至少一組沿縱向充磁的磁體6。

圖7、圖8所示為本發(fā)明的帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，所述的任意相鄰的兩勵(lì)磁調(diào)節(jié)線圈7、兩導(dǎo)磁鐵4及其相連的凸鐵極3之間全部設(shè)置或填充磁體6和/或縱向磁體5。

圖9-圖14所示為本發(fā)明凸鐵極和縱向磁鐵截面示意圖，所述的凸鐵極3、縱向磁體5或磁體6的截面為矩形或等腰梯形或三角形或“凸”形結(jié)構(gòu)。

圖15-圖20所示為本發(fā)明凸鐵極和縱向磁鐵截面示意圖，它們分別為圖9-圖14的雙邊對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所述的雙邊型凸鐵極3、縱向磁體5或磁體6的截面為長方形或矩形或等腰梯形或三角形或“中”形或“工”形結(jié)構(gòu)。

圖21、圖22所示為本發(fā)明的帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖五，所述雙邊次級(jí)兩側(cè)的凸鐵極3表面開設(shè)“凹”形或“凸”形的齒槽，在凸鐵極3的槽中嵌放充磁方向與凸鐵極3的磁化方向一致的法向磁體8。

圖23為次級(jí)局部三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖24為網(wǎng)孔狀的連接件25三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖25為本發(fā)明三維結(jié)構(gòu)示意圖，所述的分散布置的各導(dǎo)磁鐵4或凸鐵極3或凸鐵極3與導(dǎo)磁鐵3的橫向伸出端與相應(yīng)側(cè)的端部支撐板25或連接件固結(jié)成一個(gè)整體，形成堅(jiān)固統(tǒng)一的雙邊次級(jí)，雙邊次級(jí)與對(duì)應(yīng)的雙邊初級(jí)配合構(gòu)成了帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī),如圖25所示三維結(jié)構(gòu)示意圖。雙邊次級(jí)還可以采取將整塊連接板25與次級(jí)導(dǎo)磁鐵、凸鐵極的橫向端部通過螺栓連接或焊接等多種方式固定，如圖26、27、28所示，其中圖26為本發(fā)明次級(jí)局部三維結(jié)構(gòu)示意圖二，圖27為本發(fā)明連接板三維結(jié)構(gòu)示意圖二，圖28為本發(fā)明三維結(jié)構(gòu)示意圖二。

上述實(shí)施例中，所述的勵(lì)磁磁體可以采用永磁體，或者超導(dǎo)磁體，或者電勵(lì)磁體，根據(jù)具體的需要而定。一般來說，優(yōu)先采用釹鐵硼材料制成的強(qiáng)磁性永磁體。

上述實(shí)施例中，在導(dǎo)磁鐵4或凸鐵極3靠近氣隙的表面設(shè)置一層連續(xù)布置的連接薄片（這些薄片同時(shí)也將磁體6包裹在內(nèi)），將導(dǎo)磁鐵4或凸鐵極3連成一個(gè)整體；連接薄片為導(dǎo)磁薄片、導(dǎo)電薄片或?qū)Т艑?dǎo)電復(fù)合薄片，或?yàn)閹舾刹鄣膶?dǎo)磁齒槽薄片，槽內(nèi)嵌導(dǎo)電體，各導(dǎo)電體橫向端部通過導(dǎo)電短路環(huán)連成一體。這些內(nèi)嵌導(dǎo)電體的齒槽薄片的結(jié)構(gòu)和工作原理類似于常見的旋轉(zhuǎn)鼠籠感應(yīng)電機(jī)鼠籠端部短路環(huán)，在起動(dòng)過程中，這些導(dǎo)電體將感應(yīng)電勢(shì)，將這些導(dǎo)電體短路，這些感應(yīng)電勢(shì)將在導(dǎo)電體內(nèi)產(chǎn)生短路電流（起動(dòng)電流），產(chǎn)生很大的起動(dòng)力矩（力）起到自起動(dòng)電機(jī)作用，當(dāng)穩(wěn)態(tài)同步運(yùn)行時(shí)這些導(dǎo)電體將不起作用，因?yàn)橥剿傧碌母袘?yīng)電勢(shì)為零，異步運(yùn)行才起作用。而本發(fā)明那些導(dǎo)磁薄片、導(dǎo)電薄片或?qū)Т艑?dǎo)電復(fù)合薄片也起到類似作用，在直線電機(jī)中也經(jīng)常用到，只不過其起動(dòng)力、起動(dòng)力矩較小，主要起到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定（防止失步）和一定的防護(hù)作用。

本發(fā)明所述的帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)，巧妙應(yīng)用了雙邊直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在次級(jí)設(shè)置了導(dǎo)磁鐵4和縱向磁體5、磁體6為雙邊次級(jí)凸鐵極3、直流勵(lì)磁、雙邊初級(jí)組成串并聯(lián)磁路提供了通道，磁阻和漏磁得以大幅降低，功率密度和推力大幅增加的同時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)能力顯著增強(qiáng)。圖29為加勵(lì)磁調(diào)節(jié)線圈（不通電）磁場(chǎng)有限元仿真磁力線分布圖，從中可以看出，除了難以避免的氣隙（凸鐵極3）表面及初級(jí)槽口區(qū)域出現(xiàn)少量漏磁外，本發(fā)明的雙邊次級(jí)內(nèi)部區(qū)域幾乎沒有漏磁，次級(jí)永磁主磁路和直流勵(lì)磁輔助磁路在理論上可同時(shí)達(dá)到近乎完美，也就是說永磁體和勵(lì)磁調(diào)節(jié)線圈磁勢(shì)在次級(jí)內(nèi)部區(qū)域都沒有多少能量損失，幾乎都用于了參與初、次級(jí)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，這在普通帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)永磁電機(jī)中是難以達(dá)到的，因此，推力可達(dá)到普通雙邊隱極式或凸極式永磁直線電機(jī)的1.5倍以上。進(jìn)一步對(duì)不平衡法向力進(jìn)行調(diào)整（使之為零）的仿真表明，推力保持不變或不影響推力情況下，對(duì)氣隙不平衡造成的法向力調(diào)節(jié)相當(dāng)靈敏，所需直流勵(lì)磁功率小。從而解決了現(xiàn)有直線電機(jī)出力小、調(diào)節(jié)能力低、成本高、體積大等長期制約工程應(yīng)用的瓶頸問題，提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、推力大、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、性價(jià)比極高的帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)高效大推力雙邊直線電機(jī)。

上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍。