一种可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机

本发明涉及一种开关磁阻直线电机，具体的说，涉及了一种可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机。

背景技术：

1、直线开关磁阻电机具有结构简单坚固、散热好、鲁棒性好、可靠性高的优点，被广泛使用在各个需要直线驱动力领域，如军事防御、高速磁悬浮列车、铁路通道、高精度机床、起重机、煤炭机械、自动绘图机、电梯等。

2、常见的直线开关磁阻电机属于单边开关磁阻直线电机和双边开关磁阻直线电机，双边开关磁阻直线电机是在单边开关磁阻直线电机的基础上增加了一侧定子形成双边结构，定子对称分布在电机动子两侧，并通过为绕组施加电流激励实现与动子单元的相互作用，具体的，两侧定子产生的推力遵循“磁阻最小原理”，且由于具有两个定子，增加了磁场的作用面积，因此产生的有效推力要大于单边开关磁阻直线电机；此外两个定子与动子产生的法向吸引力相抵消，使得电机在运动时更加平衡，运行更平滑，受磁吸力的影响更小，进一步提高了电机运行稳定性‌。

3、矿井电梯存在电梯空载运行和负载运行的情况，前者不承载任何重量，后者承载正常载重；目前当直线开关磁阻电机应用到矿井电梯时，不管是什么运行状态，为保证矿井电梯的顺利运载，直线开关磁阻电机均按照负载运行情况正常运转；但理想情况下,处于空载状态的电梯比负载或者满载状态的电梯所消耗的能量要少，因此若直线开关磁阻电机选用单边开关磁阻直线电机，则可以减少矿井电梯空载运行下输出功率的浪费，但有可能无法满足矿井电梯负载运行情况正常运转；若直线开关磁阻电机选用双边开关磁阻直线电机，则虽然能满足矿井电梯负载状态下的运行，但会导致电梯空载运行状态下，直线开关磁阻电机输出功率的浪费，成本高。

4、为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机，可在m相和2m相间进行自由变换。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机，包括动子；

3、分设在所述动子两侧的固定定子和滑动定子，所述固定定子和所述滑动定子均包括均匀设置的n个定子单元，n为正整数；每个定子单元均包括m相线圈绕组，其中m≥3为相数；

4、与所述滑动定子固定连接的滑动机构，通过直线运动带动所述滑动定子在第一位置和第二位置间切换；

5、电机功率变换器，包括拓扑结构切换器以及分别与拓扑结构切换器连接的n个并联的子电机功率变换单元，第j个子电机功率变换单元与所述滑动定子上的第j个定子单元的m相线圈绕组和所述固定定子上的第j个定子单元的m相线圈绕组连接；每个子电机功率变换单元具有第一励磁拓扑结构和第二励磁拓扑结构，第一励磁拓扑结构下电机m相运行，第二励磁拓扑结构下电机2m相运行；

6、所述拓扑结构切换器控制所述子电机功率变换单元在第一励磁拓扑结构和第二励磁拓扑结构之间切换。

7、优选的，每个定子单元均包括m个u型定子模块，每个u型定子模块均包括2个极性相反的定子磁极，每个定子磁极上绕设有线圈绕组，同一个u型定子模块的两个定子磁极上的线圈绕组缠绕方向相反；

8、任意两个相邻的u型定子模块之间的间距为，其中，x为定子磁极的宽度值，y为动子的宽度值。

9、优选的，所述第一位置为滑动定子与固定定子对齐设置；所述第二位置为滑动定子沿动子运动方向相对于固定定子位移y/2。

10、优选的，当所述滑动定子位于第一位置时，所述拓扑结构切换器控制所述子电机功率变换单元切换至第一励磁拓扑结构；

11、当所述滑动定子位于第二位置时，所述拓扑结构切换器控制所述子电机功率变换单元切换至第二励磁拓扑结构。

12、优选的，每个子电机功率变换单元包括3m个开关管和3m个二极管，每三个开关管和三个二极管与一相线圈绕组连接，其中三个开关管和三个二极管分别表示为第零开关管s[(j-1)*m+i]0、第零二极管d[(j-1)*m+i]0、第一开关管s[(j-1)*m+i]1、第一二极管d[(j-1)*m+i]1、第二开关管s[(j-1)*m+i]2以及第二二极管d[(j-1)*m+i]2，i=[1,m]，j=[1,n]；

13、第一励磁拓扑结构下，所述固定定子上的第j个定子单元的第i相线圈绕组与所述滑动定子上的第j个定子单元的第i相线圈绕组串联，组成串联绕组；电源正极通过第一开关管s[(j-1)*m+i]1、串联绕组以及第二开关管s[(j-1)*m+i]2连接电源负极，其中，第一开关管s[(j-1)*m+i]1和串联绕组的连接处还连接第一二极管d[(j-1)*m+i]1的阴极，第一二极管d[(j-1)*m+i]1的阳极连接电源负极；第二开关管s[(j-1)*m+i]2和串联绕组的连接处还连接第二二极管d[(j-1)*m+i]2的阳极，第二二极管d[(j-1)*m+i]2的阴极连接电源正极；

14、第二励磁拓扑结构下，所述固定定子上的第j个定子单元和所述滑动定子上的第j个定子单元的所有线圈绕组均为并联结构，电源正极通过第一开关管s[(j-1)*m+i]1、所述滑动定子的第j个定子单元的第i个线圈绕组lh(j-1)*m+i以及第二开关管s[(j-1)*m+i]2连接电源负极；电源正极通过第零开关管s[(j-1)*m+i]0、所述固定定子的第j个定子单元的第i个线圈绕组ld(j-1)*m+i以及第二开关管s[(j-1)*m+i]2连接电源负极；第一开关管s[(j-1)*m+i]1和所述滑动定子的第j个定子单元的第i个线圈绕组lh(j-1)*m+i的连接处还连接第一二极管d[(j-1)*m+i]1的阴极，第一二极管d[(j-1)*m+i]1的阳极连接电源负极；第零开关管s[(j-1)*m+i]0和所述固定定子上的第i个线圈绕组ld(j-1)*m+i的连接处还连接第零二极管d[(j-1)*m+i]0的阴极，第零二极管d[(j-1)*m+i]0的阳极连接电源负极；所述滑动定子的第j个定子单元的第i个线圈绕组lh(j-1)*m+i、所述固定定子的第j个定子单元的第i个线圈绕组ld(j-1)*m+i与所述第二开关管s[(j-1)*m+i]2的连接处还连接有第二二极管d[j*m+i]2的阳极，第二二极管d[(j-1)*m+i]2的阴极连接电源正极。

15、优选的，所述拓扑结构切换器包括开关k(j-1)*m+i以及二选一开关y(j-1)*m+i，所述开关k(j-1)*m+i的第一端连接所述滑动定子的第j个定子单元的第i个线圈绕组lh(j-1)*m+i；所述开关k(j-1)*m+i的第二端连接第零二极管d[(j-1)*m+i]0与开关管s[(j-1)*m+i]0的连接点；

16、所述二选一开关y(j-1)*m+i的活动端连接所述固定定子的第j个定子单元的第i个线圈绕组ld(j-1)*m+i，所述二选一开关y(j-1)*m+i的第一静止端连接所述第二开关管s[(j-1)*m+i]2与第二二极管d[(j-1)*m+i]1的连接点，所述二选一开关y(j-1)*m+i的第二静止端连接所述滑动定子的第j个定子单元的第i个线圈绕组lh(j-1)*m+i与所述开关k(j-1)*m+i的连接点；

17、当需要将第二励磁拓扑结构切换至第一励磁拓扑结构时，切换所述二选一开关y(j-1)*m+i的活动端连接所述开关y(j-1)*m+i的第二静止端，并断开所述开关k(j-1)*m+i；

18、当需要将第一励磁拓扑结构切换至第二励磁拓扑结构时，切换所述二选一开关y(j-1)*m+i的活动端连接所述开关y(j-1)*m+i的第一静止端，并关闭所述开关k(j-1)*m+i。

19、第二方面提供一种矿井电梯，使用第一方面所述的可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机作为驱动电机；

20、在所述矿井电梯负载运行时执行2m相运行模式，在所述矿井电梯空载运行时执行选择m相运行模式。

21、本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明提供了可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机，具体包括动子以及分设在所述动子两侧的固定定子和滑动定子，所述滑动定子通过滑动机构在第一位置和第二位置间切换；还包括与固定定子和滑动定子上的m相线圈绕组电性连接的电机功率变换器，所述电机功率变换器具有第一励磁拓扑结构和第二励磁拓扑结构，利用所述拓扑结构切换器控制所述电机功率变换器在第一励磁拓扑结构和第二励磁拓扑结构之间切换，实现电机的m相运行和2m相运行；结构简单，且由于需要通过所述拓扑结构切换器和所述滑动机构即可进行m相运行和2m相运行的切换，因此控制方式也简单。

22、进一步，基于该可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机设计了一种矿井电梯，在矿井电梯的不同运行状态下选择m相运行或2m相运行，从而既满足矿井电梯负载状态下的运行，又不会造成矿井电梯空载运行状态下的输出功率浪费。

技术特征：

1.一种可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机，其特征在于：所述第一位置为滑动定子与固定定子对齐设置；所述第二位置为滑动定子沿动子运动方向相对于固定定子位移y/2。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的一种可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机，其特征在于：每个子电机功率变换单元包括3m个开关管和3m个二极管，每三个开关管和三个二极管与一相线圈绕组连接，其中三个开关管和三个二极管分别表示为第零开关管s[(j-1)*m+i]0、第零二极管d[(j-1)*m+i]0、第一开关管s[(j-1)*m+i]1、第一二极管d[(j-1)*m+i]1、第二开关管s[(j-1)*m+i]2以及第二二极管d[(j-1)*m+i]2，i=[1,m]，j=[1,n]；

6.根据权利要求5所述的一种可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机，其特征在于：

7.一种矿井电梯，其特征在于：使用权利要求1-5中任一项所述的可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机作为驱动电机；

技术总结
本发明提供一种可变相模块化定子双边开关磁阻直线电机，包括动子；分设在所述动子两侧的固定定子和滑动定子，所述固定定子和所述滑动定子均包括均匀设置的多个U型定子模块；每个U型定子模块包括定子磁极以及绕设在定子磁极上的线圈绕组；滑动机构，通过直线运动带动所述滑动定子在第一位置和第二位置间切换；电机功率变换器，包括第一励磁拓扑结构和第二励磁拓扑结构，当所述滑动定子位于第一位置时，所述电机功率变换器采用第一励磁拓扑结构与所述固定定子和所述滑动定子上的线圈绕组连接，实现m相运行；当所述滑动定子位于第二位置时，所述电机功率变换器采用第二励磁拓扑结构与所述固定定子和所述滑动定子上的线圈绕组连接，实现2m相运行。

技术研发人员：聂瑞,司纪凯,冯海洋,王培欣,徐帅,廖晓辉,魏彦企,刘成成,梁静,陈延
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5