一种自主换向电机

本发明涉及电机领域，尤其是涉及一种自主换向电机。

背景技术：

1、随着国民经济的不断发展，传统制造业正面临着一系列的新挑战。例如，对生产产品的种类要求更多，而批次更小，产品的生命周期越来越短，市场需求变化越来越难以预测。现有刚性输配系统依赖标准化和大批量生产，产线切换时间长、灵活性差，难以适应市场对多品种、小批量、快交付的需求。

2、为解决上述问题，柔性输配系统应运而生。其通常采用模块化设计方案，可灵活调整产线规模和结构，快速适应不同产品的生产需求，显著提升生产效率和设备利用率，成为实现“大规模定制”和“零库存生产”的关键支撑，推动传统制造业转型升级。在各类柔性输配系统中，搭载直线电机的线性磁驱系统凭借高速度、高精度、高响应、高效率等优点，得到了大量关注。

3、针对线性磁驱系统在分叉路口更改运行方向的需求，除采用机械变轨方案外，还可以对电机的电磁结构进行改进，使得电机只需通过电磁控制即可自主改变运行方向。如公开号为cn222966770u的实用新型专利公开了一种多向型电机，包括定子以及沿定子上表面发生运动的动子，动子包括永磁体和导磁背铁，动子为平板式直线结构，定子包括若干直线段定子模组以及若干曲线段定子模组，直线段定子模组包括导磁定子铁芯和直线段电枢绕组，导磁定子铁芯为直线结构，直线段电枢绕组绕制于导磁定子铁芯上，曲线段定子模组包括无磁线圈支架和曲线段电枢绕组，无磁线圈支架为曲线结构，曲线段电枢绕组绕制于无磁线圈支架上，直线段电枢绕组的中轴线和曲线段电枢绕组的中轴线均与动子的运动路径相重合，两个相邻的直线段定子模组之间设置有空隙，曲线段定子模组的一端位于空隙中，曲线段定子模组和两个相邻的直线段定子模组组合后呈“亻”字形。

4、上述多向型电机包括直线段有铁芯定子模组和曲线段无铁芯定子模组，通过直线段定子模组通电给动子加速，并利用惯性实现动子直线运行；通过曲线段定子模组通电引导动子转弯运行，从而实现动子运动方向的自主切换。然而，在直线段的惯性运行区间，无法对电机施加主动控制，若动子因异物阻挡等原因停止，则无法自主恢复运行；在曲线段，为避免法向吸力对动子运行轨迹的干扰，采用了无铁芯定子，这导致电机的电磁气隙显著增大，需要大幅增加电机的能耗才能产生足够的牵引力，电机效率降低。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种自主换向电机，所述自主换向电机在实现电机自主更改运行方向的同时，整个运行过程均可对动子施加主动控制，且动子与定子之间的电磁气隙保持不变，保障电机的牵引力和效率。

2、本发明所采用的技术方案是，一种自主换向电机，包括左定子、右定子以及位于左定子和右定子之间的动子；

3、左定子包括左定子直线段、左定子左转段以及左定子右转段，各段均由凸极铁芯及其上绕制的线圈构成；左定子直线段的外包络为直线，左定子左转段的外包络为向左弯曲的弧线，左定子右转段的外包络为向右弯曲的弧线；

4、右定子包括右定子直线段、右定子左转段以及右定子右转段，各段均由凸极铁芯及其上绕制的线圈构成；右定子直线段的外包络为直线，右定子左转段的外包络为向左弯曲的弧线，右定子右转段的外包络为向右弯曲的弧线；

5、左定子直线段以及右定子直线段沿同一方向并列延伸，形成直线段定子模组；

6、在所述直线段定子模组的延伸端形成有分叉点，所述分叉点处设置有左转分叉定子模组或右转分叉定子模组；

7、所述左转分叉定子模组中，右定子直线段经过分叉点继续直线延伸，左定子直线段在分叉点处断开，左定子左转段的一端与左定子直线段的断开处相接，左定子左转段(22)和右定子左转段相对设置且整体向左弯曲；

8、所述右转分叉定子模组中，当左定子直线段经过分叉点继续直线延伸，右定子直线段在分叉点处断开，定子右转段的一端与右定子直线段的断开处相接，左定子右转段和右定子右转段相对设置且整体向右弯曲。

9、本发明的有益效果是：上述自主换向电机的电磁部分由凸极铁芯和线圈构成，不存在永磁体，不通电的一侧的定子不会对动子产生电磁力，左定子的主磁路和右定子的主磁路相互独立。因此，在分叉行程中，当右定子不通电时，右定子不会对动子产生法向吸力和牵引力，此时通过调节左定子线圈的电流，即可调节动子受到的左定子法向吸力和牵引力，使动子沿左定子的铺设方向运行；反之，当左定子不通电时，左定子不会对动子产生法向吸力和牵引力，此时通过调节右定子线圈的电流，即可调节动子受到的右定子法向吸力和牵引力，使动子沿右定子的铺设方向运行。由此，在整个运行过程中，无论动子处于直线行程还是转弯行程，均可通过定子线圈电流的实时调节对动子的运行状态进行主动控制，不存在依赖惯性的无电滑行区间。同时，由于左定子和右定子分别位于动子两侧且均由凸极铁芯构成，任一侧通电时均能产生足够的法向吸力将动子吸附于通电侧，使转弯行程中的动子与通电侧定子之间的电磁气隙始终保持与直线段相同的正常设计值，避免了背景技术中曲线段因采用无铁芯定子而导致电磁气隙增大、牵引力下降和效率降低的问题。

10、分别以直线段定子模组、左转分叉定子模组和右转分叉定子模组为例，说明本发明电机的运行原理。

11、当动子运行至直线段定子模组时，动子和两侧定子之间的气隙都为正常值，此时同时向左定子和右定子通电，动子可以同时受到两侧定子产生的牵引力而直线前行，并且两侧定子对动子产生的法向吸力相互抵消，可以降低动子受到的摩擦力。

12、当动子运行至左转分叉定子模组时，即动子头部刚进入左转弧形通道（分叉口），此时只向左定子左转段通电，而不向右定子直线段通电，则动子只会受到左定子产生的法向吸力和牵引力，因此动子和左定子之间的气隙将保持为正常值，动子沿着左定子左转段的铺设方向左转前行，此时右定子左转段虽不通电，但其与左定子左转段相对设置，共同形成宽度恒定的弧形通道，为动子提供物理运行空间和气隙基准，当动子完全进入左转弧形通道时，右定子左转段和左定子左转段同时通电，动子会同时受到右定子左转段和左定子左转段的牵引力，使得动子沿弧形通道继续运动。反之，当动子运行至左转分叉定子模组时，若只向右定子直线段通电，而不向左定子通电，则动子只会受到右定子直线段产生的法向吸力和牵引力，因此动子和右定子直线段之间的气隙将保持为正常值，动子沿着右定子直线段的铺设方向直线前行。

13、当动子运行至右转分叉定子模组时，即动子头部刚进入右转弧形通道，此时只向右定子右转段通电，而不向左定子直线段通电，则动子只会受到右定子产生的法向吸力和牵引力，因此动子和右定子之间的气隙将保持为正常值，动子沿着右定子右转段的铺设方向右转前行，此时左定子右转段虽不通电，但其与右定子右转段相对设置，共同形成宽度恒定的弧形通道，为动子提供物理运行空间和气隙基准，当动子完全进入右转弧形通道时，左定子右转段和右定子右转段同时通电，动子会同时受到左定子右转段和右定子右转段的牵引力，使得动子沿弧形通道继续运动。反之，当动子刚运行至右转分叉定子模组时，此时只向左定子直线段通电，而不向右定子通电，则动子只会受到左定子直线段产生的法向吸力和牵引力，因此动子和左定子直线段之间的气隙将保持为正常值，动子沿着左定子直线段的铺设方向直线前行。

14、作为优选，所述左定子直线段包括左定子直线段凸极铁芯以及左定子直线段线圈，所述左定子左转段包括左定子左转段凸极铁芯以及左定子左转段线圈，所述左定子右转段包括左定子右转段凸极铁芯以及左定子右转段线圈；所述右定子直线段包括右定子直线段凸极铁芯以及右定子直线段线圈，所述右定子左转段包括右定子左转段凸极铁芯以及右定子左转段线圈，所述右定子右转段包括右定子右转段凸极铁芯以及右定子右转段线圈。

15、采用该结构，左定子直线段、左定子左转段、左定子右转段、右定子直线段、右定子左转段以及右定子右转段均由独立的凸极铁芯及线圈构成，各段可分别独立通电控制，通过选择性地向不同区段的定子线圈通电，即可灵活切换动子的运行方向，实现直线、左转和右转的自主换向；同时，各段均采用凸极铁芯结构，任一段通电时均能产生足够的法向吸力将动子吸附于该侧，使动子与定子之间的电磁气隙保持与直线段相同的正常设计值，避免了传统方案中曲线段采用无铁芯结构导致气隙增大、效率降低的问题，在全运行方向上兼顾了主动可控性和高效率。

16、作为优选，所述左定子直线段线圈包括左定子励磁线圈以及左定子电枢线圈，所述右定子直线段线圈包括右定子励磁线圈以及右定子电枢线圈。

17、采用该结构，由于所述电机不包含永磁体，因此需要向励磁线圈通入直流电流以产生主磁场，同时需要向电枢线圈通入交流电流以产生电枢磁场，主磁场和电枢磁场相互作用才能产生牵引力和法向吸力。并且，将励磁线圈和电枢线圈都布置在定子的优点是，无需向动子通电，可以省去动子电池或电缆，使得动子可以更方便地装卸货物和运行。

18、作为优选，所述左定子直线段线圈包括左定子复合线圈，所述右定子直线段线圈包括右定子复合线圈。

19、采用该结构，与上面描述的分立式的励磁线圈和电枢线圈不同，复合线圈是将励磁绕组和电枢绕组集成为单个线圈绕组，其结构更紧凑，可简化定子加工和绕线工艺。对所述复合线圈通入带有直流偏置的交流电流，即可同时产生主磁场和电枢磁场，实现与分立方案相同的牵引力和法向吸力输出，同时减少了线圈骨架和绝缘材料用量，有利于降低电机成本和体积。

20、作为优选，所述左定子直线段凸极铁芯包括多个左定子主齿，每个所述左定子主齿的顶部设有多个左定子分裂小齿，所述左定子分裂小齿沿所述左定子主齿的宽度方向间隔排列；所述右定子直线段凸极铁芯包括多个右定子主齿，每个所述右定子主齿的顶部设有多个右定子分裂小齿，所述右定子分裂小齿沿所述右定子主齿的宽度方向间隔排列。

21、采用该结构，可使所述动子凸极铁芯的齿数也相应增加，在相同的长度范围内，动子凸极铁芯的齿数和定子分裂小齿的齿数大致接近，这有助于进一步降低由齿槽效应导致的牵引力波动，保障电机的平稳运行。

22、作为优选，所述动子包括动子凸极铁芯以及动子线圈。

23、采用该结构，动子铁芯为凸极结构，相邻铁芯齿之间存在空间浪费，动子凸极铁芯上增设动子线圈后，动子线圈产生的磁场和定子线圈产生的磁场相互作用，可以进一步增大电机的牵引力，提高电机的功率密度。同时，当定子线圈故障时，可以通过动子线圈产生牵引力，使动子运行至非故障区间，提高电机的可靠性。

24、作为优选，所述动子凸极铁芯包括动子主齿，所述动子主齿的齿数记为m，左定子直线段凸极铁芯的左定子主齿的齿数记为l，右定子直线段凸极铁芯的右定子主齿的齿数记为r，满足：l=r=3k，2k≤m≤4k且m≠3k，其中k为正整数。

25、采用该结构，在此情况下，动子和定子的铁芯齿数较为接近，有利于提高集中绕组的绕组系数。当定子线圈采用集中绕组结构时，每个定子齿及其上绕制的线圈可以作为一个基本单元进行生产，然后依次排列形成整个定子，这有助于简化电机的生产过程，降低电机维护成本。另一方面，动子和定子的铁芯齿数较为接近也有利于降低由齿槽效应导致的牵引力波动，保障电机的平稳运行。需要注意，m不能和l、r取值相同，否则电机变为单相电机，牵引力波动极大，无法稳定运行。

26、作为优选，所述动子线圈包括动子励磁线圈和动子电枢线圈。

27、采用该结构，由于动子和定子的铁芯结构相同，仅齿数不同，因此动子线圈和定子线圈的通电策略可以相同。向动子励磁线圈通入直流电流以加强定子励磁线圈产生的主磁场，向动子电枢线圈通入交流电流以产生动子电枢磁场，动子电枢磁场和主磁场相互作用可产生额外的牵引力。

28、作为优选，所述动子线圈包括动子复合线圈。

29、采用该结构，和定子类似，动子线圈也可采用复合线圈。由于定子线圈已产生主磁场和电枢磁场，因此动子复合线圈可以有多种通电形式。首先，可以只向动子复合线圈通入直流电流以加强定子励磁线圈产生的主磁场，定子电枢磁场和增强后的主磁场相互作用，可增大动子受到的牵引力；其次，可以只向动子复合线圈通入交流电流以产生动子电枢磁场，动子电枢磁场和定子励磁线圈产生的主磁场相互作用，可产生额外的牵引力；最后，可以同时向动子复合线圈通入带有直流偏置的交流电流，不仅能加强定子励磁线圈产生的主磁场，而且能产生动子电枢磁场，使得动子受到的牵引力进一步提升。

30、作为优选，所述动子还包括上顶板、下底板、位于下底板下方的主轮、位于上顶板和下底板左侧的左引导轮以及位于上顶板和下底板右侧的右引导轮；所述动子凸极铁芯夹持固定于所述上顶板和所述下底板之间；所述自主换向电机还包括基座，所述左定子和所述右定子分别固定安装于所述基座上；所述基座的左侧设有沿所述左定子的铺设方向延伸的左引导轮护轨，所述基座的右侧设有沿所述右定子的铺设方向延伸的右引导轮护轨，所述左引导轮护轨与所述左引导轮滚动配合，所述右引导轮护轨与所述右引导轮滚动配合；所述基座上还设有主轮护轨，所述主轮护轨位于所述主轮的下方且与所述主轮滚动配合。

31、采用该结构，动子通过上顶板和下底板将凸极铁芯夹持固定，稳固牢靠，保障了动子运行的结构强度；主轮与主轮护轨滚动配合，承载动子重量并引导其沿轨道方向运行；左引导轮和右引导轮分别与基座两侧的引导轮护轨滚动配合，在动子受到法向吸力时，通过引导轮与护轨的机械限位作用，将动子与左定子、右定子之间的气隙约束在预设的安全范围内，防止动子因法向吸力而与定子发生碰撞，确保电磁气隙保持正常值；同时，护轨沿定子铺设方向连续延伸，在直线段和转弯段均能提供可靠导向，从而保障电机安全、稳定、高效的运行。

32、需要说明的是，本发明电机的左定子直线段、左定子左转段和左定子右转段的电磁结构基本相同，仅外包络形状不同，即电磁原理完全相同。因此上述左定子直线段的优选结构也适用于左定子左转段和左定子右转段。右定子同理。