一种十字形结构长初级双边直线感应电机

1.本发明属于直线电机领域，具体涉及一种十字形结构的长初级双边直线感应电机，尤其适用于推力密度要求大、体积重量约束严格的场合。


背景技术：

2.电磁发射技术是继机械能发射、化学能发射之后的一次发射方式的革命，是一种利用电磁力推动物体至高速或超高速的发射技术。电磁发射需要在有限距离内将负载快速加速至指定速度，因此发射执行机构需要具备大载荷、高推力密度等特点。
3.目前，适用于电磁发射系统的直线电机主要包括直线感应电机和直线同步电机两种，其中，直线同步电机又分为永磁型和超导励磁型。虽然永磁同步直线电机和直线超导同步电机的功率因数和效率较直线感应电机高，但它们都存在各自的缺点，尤其是它们在可靠性和环境适用性上的缺点限制了其在电磁发射场合的应用。例如，永磁同步直线电机存在退磁风险，可靠性方面存在不足，且永磁体存在对其他作战设备的磁场干扰风险；而直线超导同步电机对温度的要求十分苛刻，且需要附加复杂庞大的制冷设备，目前实际工程应用前景较差。而直线感应电机控制技术简单易行，运行可靠，维护方便且装配简单，因此直线感应电机比较适合于高加速度领域应用。
4.电磁发射用直线感应电机多为长初级双边结构，但电机多采用叠绕组方式，叠绕组端部过长，尤其在空间受限的电磁发射应用场合中无法提供更好的性能和效率。在这种情况下，采用环形绕组的直线感应电机具有端部绕组长度短的优势，但环形绕组也具有以下缺点，即每个环形绕组都有四条边，其中只有在定子槽中的那条边参与了能量转换，而其他三条边只作为端部起到构成电流回路的作用。这就造成了多余的损耗并且还使得端部漏抗增加，从而降低了电机效率和功率因数。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种推力密度大、结构紧凑、重量轻、效率高、工作可靠的长初级双边直线感应电机。
6.针对上述问题，本发明采用的技术方案是：一种十字形结构长初级双边直线感应电机，包括初级组件、次级组件、直角型内部支撑组件、机座及次级轨道，所述机座为长条形空心框架结构；所述直角型内部支撑组件有多组，周向均匀固定安装在机座内侧，多组直角型内部支撑组件之间在机座内部形成十字型安装空间，每个直角型内部支撑组件的侧面上固定设置有初级组件，初级组件包括铁心及缠绕在铁心上的绕组，在十字型安装空间的上、下、左、右均形成至少一个初级组件对；次级轨道固定安装在十字型安装空间内部，次级组件呈十字结构，通过次级轨道安装在十字型安装空间的中部，次级组件的每个十字边均穿过上、下、左、右的初级组件对的之间的气隙中；
7.工作时，初级三相绕组通电，在气隙内产生行波磁场，此时在十字形结构次级上会感应出涡流，涡流和气隙磁场相互作用产生电磁推力，推动十字形次级沿轴向做直线运动。
8.进一步的，所述直角型内部支撑组件包括长条形的直角支撑板组件及沿直角支撑板组件纵向方向均匀分布的梯形加强板；直角支撑板组件包括直角支撑板及固定设置在直角支撑板背面的金属连接块，金属连接块另一端和铁心固定连接。
9.进一步的，所述次级组件采用三块铝板装配而成，其中一块为整板，另外两块为折弯板，通过铆钉固定，次级结构简单，仅为实心铝板，不需要拖曳导线供电，次级重量轻。
10.进一步的，所述机座包括截面呈八边形的长条形纵向框架、多个沿纵向框架均匀间隔布置的横向框架及设置在底部的底座，此时直角型内部支撑组件的数量为4个，4个直角型内部支撑组件在长条形纵向框架(51)的八个内侧面上间隔布置，相应的在上、下、左、右四个方向上各设置一个初级组件对。
11.进一步的，所述机座上开有次级轨道安装孔，所述底座包括底座基板及固定设置于底座基板下方的纵向加强材。
12.进一步的，所述次级轨道包括分别安装在次级组件的左端、右端及下端的左轨道、右轨道及下轨道，左轨道、右轨道及下轨道的结构相同，左轨道包括一个带滑槽的四氟乙烯材料制作的长条形矩形滑道块及调节垫片，次级组件的左端、右端及下端分别插入各自方向对应滑槽中。
13.进一步的，所述直角型内部支撑组件通过连接块固定连接在机座上，连接块开有四个腰孔(两组)，且两组腰孔方向垂直，为了补偿焊接不再加工的尺寸变形，该垫片采用弹性较好的柔性材料。
14.进一步的，为了减小电机尺寸和重量，铁心采用无槽结构，铁心由矩形硅钢片粘接叠压而成，固定在铁芯安装架上。
15.进一步的，所述绕组由扁铜线、绝缘层组成，绕组每相线圈由带绝缘层的扁铜线通过绕线模成形后布置于铁心上或直接在铁心上绕制而成，绕制完成后铁心表面灌胶，浇注后线圈与胶层为整体式结构，浇注材料将单个线圈之间以及绕组和铁心之间的间隙填满，以使绕组和铁心形成一个整体；线圈段与段之间并头在各组铁心安装完后在外面并头；浇注材料为环氧树脂材料。
16.进一步的，为了减小环形绕组的端部长度，从而达到减小电机损耗和重量的目的，环形绕组只保留两条有效边。
17.本发明的有益效果和特点是：
18.(1)本发明提供的十字形长初级双边直线感应电机，采用十字形次级结构。四组双边初级共同作用于同一次级，电机产生的推力可以近似看作是四台双边直线感应电机在相同输入电流下产生的推力之和，且因为端部绕组所占空间很小，电机体积比四台双边直线感应电机体积之和小很多，因此具有较高的推力密度，且电机结构紧凑，电机尺寸和质量小。
19.(2)本发明提供的十字形长初级双边直线感应电机，采用环形绕组结构。采用环形绕组形式避免了常规绕组布置时线圈端部伸出电机铁心较高的缺点，进一步减小了电机体积。同时利用了环形绕组的两条有效边，且取消了两条无用的端部绕组，端部绕组的损耗减小，电机效率提高。
20.(3)本发明提供的十字形长初级双边直线感应电机，采用无槽铁心结构。采用无槽铁心结构去掉了铁心齿部，铁心质量减小，且削弱了铁心齿部的饱和问题。
21.(4)本发明提供的十字形长初级双边直线感应电机，次级结构简单，仅为实心铝板，不需要拖曳导线供电，次级重量轻。
附图说明
22.图1为本发明较佳实施例的整体结构示意图；
23.图2为图1虚线处放大的结构示意图；
24.图3为图1的剖面结构示意图(为清楚表达机座结构，初级组件、直角型内部支撑组件、次级轨道未示出)；
25.图4图1的剖面结构示意图；
26.图5为图4的部件分解标记示意图；
27.图6为本发明较佳实施例的十字形次级结构示意图；
28.图7为本发明较佳实施例的铁心、绕组及直角支撑板组件组合的结构示意图；
29.图8为本发明较佳实施例的绕组结构示意图；
30.图9为本发明较佳实施例的绕组放大的结构示意图；
31.图10为图7另一角度的结构示意图；
32.图11为本发明较佳实施例的铁心和金属键连接示意图；
33.图12为本发明较佳实施例的机座结构示意图；
34.图13为本发明较佳实施例的矩形滑道块结构示意图；
35.图14为图13右侧放大的结构示意图；
36.图15为本发明较佳实施例连接块的结构示意图；
37.图中附图标记分别表示：1-铁心、2-次级组件、3-绕组、4-直角支撑板组件、41-直角支撑板、42-金属连接块、5-机座、51-纵向框架、52-横向框架、53-底座、531-底座基板、532-纵向加强材，54-次级轨道安装孔，6-次级轨道、61-左轨道、611-矩形滑道块、612-调节垫片、62-右轨道、63-下轨道、7-装配孔、8-梯形加强板。
具体实施方式：
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.请参考图1-图5，本发明涉及一种十字形结构长初级双边直线感应电机，包括初级组件、次级组件、直角型内部支撑组件、机座5及次级轨道6；
40.所述机座5为长条形空心框架结构；所述直角型内部支撑组件有多组，周向均匀固定安装在机座5内侧，多组直角型内部支撑组件之间在机座5内部形成十字型安装空间，每个直角型内部支撑组件的侧面上固定设置有初级组件，初级组件包括铁心1及缠绕在铁心上的绕组3，在十字型安装空间的上、下、左、右均形成至少一个初级组件对；次级轨道6固定安装在十字型安装空间内部，次级组件2呈十字结构，通过次级轨道6安装在十字型安装空间的中部，次级组件2的每个十字边均穿过上、下、左、右的初级组件对的之间的气隙中。
41.所述直角型内部支撑组件包括长条形的直角支撑板组件4及沿直角支撑板组件4
纵向方向均匀分布的梯形加强板8；直角支撑板组件4包括直角支撑板41及固定设置在直角支撑板背面的金属连接块42，金属连接块42另一端和铁心1固定连接。
42.请参考图6，所述次级2呈十字形结构，次级2采用三块铝板装配而成，其中一块为整板，另外两块为折弯板，通过铆钉固定。次级结构简单，仅为实心铝板，不需要拖曳导线供电，重量轻。
43.请参考图7，所述铁心1由两组硅钢片组成，绕组线圈3布置于铁心1上，为了减小电机尺寸和重量，铁心1采用无槽结构，铁心1由矩形硅钢片粘接叠压而成，固定在直角支撑板组件4上
44.请参考图8、图9，所述绕组3由扁铜线、绝缘层组成，绕组每相线圈由带绝缘层的扁铜线通过绕线模成形后布置于铁心1上或直接在铁心1上绕制而成，绕制完成后铁心1表面灌胶，浇注后线圈与胶层为整体式结构，浇注材料将单个线圈之间以及绕组和铁心之间的间隙填满，以使绕组和铁心形成一个整体；线圈段与段之间并头在各组铁心1安装完后在外面并头；浇注材料为环氧树脂材料。绕组线圈3为了减小环形绕组的端部长度，从而达到减小电机损耗和重量的目的，所述绕组3只保留两条有效边。
45.请参考图10、图11，铁心1固定在直角支撑板41上。直角支撑板41和连接块7相配合，连接铁心1和机座5，并增强铁心结构强度的作用。
46.请参考图12，所述机座5包括截面呈八边形的长条形纵向框架51、多个沿纵向框架均匀间隔布置的横向框架52及设置在底部的底座53，此时直角型内部支撑组件的数量为4个，4个直角型内部支撑组件在长条形纵向框架51的八个内侧面上间隔布置，相应的在上、下、左、右四个方向上各设置一个初级组件对；机座5为分段焊接一体，起到支撑安装作用，机座5为了降低加工成本，焊接后不再加工，焊接时严格控制焊接质量，且要求焊接变形尽可能小，机座5上开有次级轨道安装孔54，所述底座53包括底座基板531及固定设置于底座基板下方的纵向加强材532。
47.请参考图13-图14，次级轨道6包括分别安装在次级组件2的左端、右端及下端的左轨道61、右轨道62及下轨道63，左轨道61、右轨道62及下轨道63的结构及材质相同，左轨道61包括一个带滑槽的四氟乙烯材料制作的长条形矩形滑道块611(摩擦副)，次级组件2的左端、右端及下端分别插入各自方向对应滑槽中；长条形矩形滑道块611采用聚四氟乙烯材料，且根据单节铁芯长度分段，长条形矩形滑道块611背面与机座连接，长条形矩形滑道块611背面与机座之间留有调整间隙(采用调整垫片调节距离)，调整间隙中设置调整垫片，调整垫片只安装在有次级轨道安装孔54的螺栓位置(不采用整条，方便调节和安装)。
48.请参考图15，所述连接块7为铁心1与机座5连接固定件，且采用外形相同的垫片材料，该垫片采用弹性较好的柔性材料。连接块开有四个腰孔(两组)，且两组腰孔方向垂直，为了补偿焊接的尺寸变形。
49.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
50.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些
变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种十字形结构长初级双边直线感应电机，其特征在于:包括初级组件、次级组件、直角型内部支撑组件、机座(5)及次级轨道(6)；所述机座(5)为长条形空心框架结构；所述直角型内部支撑组件有多组，周向均匀固定安装在机座(5)内侧，多组直角型内部支撑组件之间在机座(5)内部形成十字型安装空间，每个直角型内部支撑组件的侧面上固定设置有初级组件，初级组件包括铁心(1)及缠绕在铁心上的绕组(3)，在十字型安装空间的上、下、左、右均形成至少一个初级组件对；次级轨道(6)固定安装在十字型安装空间内部，次级组件(2)呈十字结构，通过次级轨道(6)安装在十字型安装空间的中部，次级组件(2)的每个十字边均穿过上、下、左、右的初级组件对的之间的气隙中。2.根据权利要求1所述的十字形结构长初级双边直线感应电机，其特征在于:所述直角型内部支撑组件包括长条形的直角支撑板组件(4)及沿直角支撑板组件(4)纵向方向均匀分布的梯形加强板(8)；直角支撑板组件(4)包括直角支撑板(41)及固定设置在直角支撑板背面的金属连接块(42)，金属连接块(42)另一端和铁心(1)固定连接。3.根据权利要求1所述的十字形结构长初级双边直线感应电机，其特征在于:所述次级组件(2)采用三块铝板装配而成，其中一块为整板，另外两块为折弯板，通过铆钉固定，不需要拖曳导线供电。4.根据权利要求1所述的十字形结构长初级双边直线感应电机，其特征在于:所述机座(5)包括截面呈八边形的长条形纵向框架(51)、多个沿纵向框架均匀间隔布置的横向框架(52)及设置在底部的底座(53)，此时直角型内部支撑组件的数量为4个，4个直角型内部支撑组件在长条形纵向框架(51)的八个内侧面上间隔布置，相应的在上、下、左、右四个方向上各设置一个初级组件对。5.根据权利要求1所述的十字形结构长初级双边直线感应电机，其特征在于：所述机座(5)上开有次级轨道安装孔(54)，所述底座(53)包括底座基板(531)及固定设置于底座基板下方的纵向加强材(532)。6.根据权利要求1所述的十字形结构长初级双边直线感应电机，其特征在于：所述次级轨道(6)包括分别安装在次级组件(2)的左端、右端及下端的左轨道(61)、右轨道(62)及下轨道(63)，左轨道(61)、右轨道(62)及下轨道(63)的结构及材质相同，左轨道(61)包括一个带滑槽的四氟乙烯材料制作的长条形矩形滑道块(611)及调节垫片(612)，次级组件(2)的左端、右端及下端分别插入各自方向对应滑槽中。7.根据权利要求1所述的十字形结构长初级双边直线感应电机，其特征在于:所述直角型内部支撑组件通过连接块(7)固定连接在机座(5)上，连接块开有四个腰孔，且两组腰孔方向垂直。8.根据权利要求1所述的十字形结构长初级双边直线感应电机，其特征在于:铁心(1)采用无槽结构，铁心(1)由矩形硅钢片粘接叠压而成，铁心(1)固定在直角支撑板组件4上。9.根据权利要求1所述的十字形结构长初级双边直线感应电机，其特征在于:所述绕组(3)由扁铜线、绝缘层组成，绕组每相线圈由带绝缘层的扁铜线通过绕线模成形后布置于铁心(1)上或直接在铁心(1)上绕制而成，绕制完成后铁心(1)表面灌胶，浇注后线圈与胶层为整体式结构，浇注材料将单个线圈之间以及绕组和铁心之间的间隙填满，以使绕组和铁心形成一个整体；线圈段与段之间并头在各组铁心(1)安装完后在外面并头；浇注材料为环氧
树脂材料。10.根据权利要求1所述的十字形结构长初级双边直线感应电机，其特征在于:环形绕组(3)只保留两条有效边。

技术总结
本发明公开了一种十字形结构长初级双边直线感应电机，包括初级组件、次级组件、直角型内部支撑组件、机座及次级轨道；机座为长条形空心框架结构；直角型内部支撑组件有多组，周向均匀固定安装在机座内侧，多组直角型内部支撑组件之间在机座内部形成十字型安装空间，每个直角型内部支撑组件的侧面上固定设置有初级组件，次级轨道固定安装在十字型安装空间内部，次级组件呈十字结构，通过次级轨道安装在十字型安装空间的中部，次级组件的每个十字边均穿过上、下、左、右的初级组件对的之间的气隙中；本电机结构紧凑，电机尺寸和质量小；同时利用了环形绕组的两条有效边，且取消了两条无用的端部绕组，端部绕组的损耗减小，电机效率提高。高。高。


技术研发人员：周炜昶 孙兆龙 卯寅浩 贾光勇 曾溶涛 岳非弘 郑方正 钱翰宁 鲁梦昆
受保护的技术使用者：中国人民解放军海军工程大学
技术研发日：2022.05.27
技术公布日：2022/11/1