对轨磁差电机的制作方法

1.本发明公开一套磁差电机有轨应用时改善电磁动力的综合技术方案，特别涉及轨道电机领域，包括直线电机、盘式电机、管轨电机及曲轨电机等。


背景技术：

2.磁差电机是一种新原理电机，理论成熟于中国专利申请cn2019100076075、cn2019112854439和cn2020107922369，利用了空间规范化多路动态磁通的和差变化来实现电机功能，并通过磁极和电枢的连对双排提升电机能效。在中国专利申请cn202110225043x中，指出磁差电机拓扑反相可以造成感应电动势反相，可以用来抑制载流畸变，改善了电磁动力。
3.在施用旋转电机情况下，磁差电机是高效的单相交流同步电机，按上述专利技术要求，已能满足工业应用要求。但是在应用轨道推进的情景下，磁差电机的磁体会对轨道施加强大的吸附力，电枢工作时候也会对轨道施加波动吸附力，这种固定和波动力矩的合力不仅造成沿轨道切向推进粘滞阻涩，还会造成轨道与主体结构间距产生波动，发出强大噪音。这种单面受力结构，稳定性也很差，会造成额外的制造和安全维护成本。
4.磁差电机轨道结构仅为软磁材料，无磁极和电枢，无需控制，简单轻便，适合长距离铺设，而主体结构又可以小电流大功率，磁差电机本身拥有轨道推进的最多优势。所以解决磁体对轨道吸附造成推进阻力增大和振动噪音问题，磁差电机必然会是最佳轨道推进电机。


技术实现要素：

5.单轨磁差电机轨道推进时，磁极对轨道吸附力造成阻力增大和振动噪音，是个一体两面问题，都源于磁体对轨道吸附力及其波动，所以只要平衡掉这个力矩就可以了。利用两套功能完整的磁差电机组合，就可以相互平衡掉主体结构对轨道结构的正面吸附力，减轻力矩波动，增强结构稳定性。
6.这样做首先要保证两电机磁序循环各自独立，不能相互干扰，那么两套电机空间上必须间隔适当的距离。根据样机经验，硅钢材料相距6mm以上就可阻挡磁路串联。两套磁差电机最接近的就是轨道，所以两轨道边缘间隔应该大于上述数值。两轨道结构需要固定形成组合，弓面向背、平滑面向外，两外表平滑面和组合轨道中心线必须两两平行，可以称这样的组合轨道称为对轨。
7.然后是力矩平衡。由于磁体对轨道的吸附力由固定力矩和波动力矩合成，轨道两侧的力矩平衡就必须要同时满足空间上的对等和时间上的相等，也即，空间上两套主体结构和对轨三者用同一平面截取的横截面的体心必须在同一条直线上，时间上也必须同步，使用同一时序。而且，在单位长度内，对轨两边的磁极和电枢数量及规格参数必须相同，否则力矩很难大小相等。对轨两侧采用同一时序控制的电枢视为同一功能单位，驱动电流只能是同频同相或同频反相的，电流方向由磁极排列顺序决定。建议对轨两侧的磁极序列完
全一样，而电枢拓扑完全则相反，这样就可以利用cn202110225043x中的技术抑制载流畸变，否则大功率应用情景将是破坏性的。这是因为对轨两侧都是同极性磁体，不会产生磁通串联，相互干扰可能性较小，稳定性较高。而采用两侧电枢拓扑相同、磁极序列完全相反，会增加额外麻烦，可能会在工作时串联两侧磁路，造成磁序紊乱，力矩波动和电路污染。
8.磁差电机在设计之初就有较高的结构自由度，尤其用于轨道推进，主体结构沿着轨迹线索进即可，不过这类结构稳定性很差。对轨结构牺牲部分结构自由度，不仅保证了侧向或周向稳定性，而且没有减少推进方向的灵活性，能很好地适用轨道电机。像一般磁差电机，对轨磁差电机的磁极和电枢端面平行贴近对轨外表平滑面，不过轨道结构变成并排平行的两根，不妨害前进方向得延递，自然也可以是直线对轨、管状对轨、盘式对轨和曲线连续轨道等。直线对轨和曲线连续轨道的两轨道外表平滑面平行即可，而管状对轨外表平滑面需在同一圆周面上且以中心旋转对称。盘式对轨对结构稳定性意义不大，因为无论同心柱面或同心平行环面都是中心对称结构，稳定性很好，但是采用对轨结构还是可以抑制震动和噪音，及消弭载流畸变。盘式对轨则分作两种结构，一种是两外表平滑面呈同心柱面，磁极和电枢布局在半径上，整体共同呈辐射状；另一种两外表平滑面在不同层次的高度上，呈同心平行环面，磁极和电枢布局在圆柱母线上，这样的环面还可以大小不一，磁极和电枢布局在圆锥的母线上。
9.不同于旋转电机，轨道电机一般都有很大的结构冗余量，某时刻工作的只是一小部分结构，为拼装和提高工作效率，有必要把轨道电机的结构分割成若干个小部分。另外为了变频调速和散热，也有必要分割电机结构，使得功能单元效率提升。从磁差电机磁序循环和时序控制两方面来看，有必要在对轨上磁极和电枢之间可以留出间断空隙。尤其在轨道电机结构尺寸较大或者电机磁极和电枢数量很多的时候，为了使得共轨的若干功能单元能独立调控，每个磁极两侧都应该留出磁轭空隙，这样就能抑制临近单元之间不协同磁序的干扰。当然，磁轭空隙间隔不宜大于磁极与轨道面距离，否则因小失大，干扰了主磁通循环。正常情况下，磁差电机一个完整的磁序循环需要4个磁极配合，那么功能单元之间应该空出至少4个磁极间距的长度，空出的这些磁极和电枢可以替换为导磁材料或以之直接填充。调速过程中，除了每个功能单元在时间连续上时序频率规律地、、单调地递增或递减，在空间分布上，所有功能单元是时序控制频率也应该规律地、单调地递增或递减，合理利用物体运动规律，可以实现电机无级变速和连续工作。
10.对轨结构的目的是利用两侧向力矩相互平衡，实现了结构稳定，那么也可以反过来利用力矩失衡制动。轨道电机的制动除了反向调速，还可以通过增加轨道结构和主体结构之间的摩擦力，这可以通过侧向力矩失衡实现。这两种制动方式不是很兼容的，主要是指空间不兼容，有可能占用同一个电磁体。但对于对轨结构，没有问题，两种制动方式可以同时工作。让轨道一侧的电磁体工作，反向制动，而另一边的电磁体不工作，那么电机主体结构就会偏向工作的一侧，那么工作的一侧主动调速制动，而电磁体不工作的一侧则是摩擦制动。被动制动是轨道电机的最后保险，对轨磁差电机两侧的永磁体最好数量不等，这样的设计在电机突然断电后依然可以摩擦制动或减速，这对高层电梯或高速载客运输具有极其重要的安全意义。
11.图1是对轨直线磁差电机原理示意图。图中阴影线部分为对轨，两侧磁极序列相同，只有绕组缠绕方向相反。图1可以看作为直轨、曲轨及盘轨或环轨的局部结构示意图。
12.图2是管轨磁差电机示意图，是半剖面侧视图。图2中已经把电枢绕组解构为沿着磁轭凸柱根部缠绕的一对线圈，磁极和线圈布局都是同心圆。图2为了清楚勾画结构关系，没有画出磁极和电枢之间磁轭可能存在的间隙。
13.管轨结构径向受力是中心对称的，本身结构稳定性较好，可以做单管磁差电机，只要把电枢如图2所示改成沿磁轭凸柱根部铺设的线圈即可。图2的管轨电机，磁极可以完整的一个径向励磁磁环，也可以是极性中心对称的磁体拼接起来，这样的电机能适用大功率大电流加速或发射。不过这样的设计在爆发性功率输出时，反向电动势也会很大，有可能对电源设备造成损害。如果为了利用cn202110225043x中的反相拓扑电枢抑制载流畸变，那么有必要把单管轨道看成是旋转对称的轨道，即管轨是两个或以上直线轨道绕中心线旋转拼接的，那么过直径两端的磁极可以设计成极性相反。这样做的目的是尽量减少管轨电机中大电流线圈弯折，增加系统安全性。如图2中的磁极，一侧需要反向，另一侧保持图中所示。这种同一圆周上排布异名磁极的做法，需要管轨直径有足够的尺寸，不至于磁通在任何情况下穿过圆心。同样，异名磁极间周向间距也足够重要，防止周向直接建立磁通回路。为了应对周向可能的漏磁通，可以在管轨的周向合理角度留下较大间隙，增加周向磁阻。事实上，当管轨工作时，周向磁通还是波动的，尤其变频调速时候，波动更为剧烈，可能会产生周向驱动力。所以与其他对轨磁差电机不同，管轨电机中可能的周向漏磁反而是有益的，可以合理设计管轨和主体结构的周向间隙大小，使得管轨可以同时获得周向和轴向推动力，获得陀螺运动惯性稳定。
14.轨道电机结构尺寸较大，适当在对轨结构和磁轭上的间断空隙都填充抗磁和散热材料，有利于缩小电机体积和提高电机运行效率。需要指出的是，磁差电机磁序循环复杂严苛，磁轭和轨道上的孔洞缝隙位置设计及填充都需要精心计算，不能随便在磁通循环路径上设计安装孔洞，应在非磁路循环空间以非导磁材料为主设计安装固定结构。