本發(fā)明涉及直線電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于功率分段的長(zhǎng)行程直線電機(jī)。

背景技術(shù)：

長(zhǎng)程直線電機(jī)用于航天飛機(jī)、空天飛機(jī)、單級(jí)入軌重復(fù)使用運(yùn)載器等空間運(yùn)載器的發(fā)射，具有發(fā)射成本低、發(fā)射過程可控性和安全性高、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。為節(jié)省運(yùn)載器推進(jìn)部分的質(zhì)量，降低成本，需盡量提高發(fā)射出口速度?？紤]到運(yùn)載器上設(shè)備的抗過載能力和瞬時(shí)大功率變頻器的功率限制，平均加速度不能過高，這就導(dǎo)致發(fā)射系統(tǒng)的加速距離很長(zhǎng)，通常達(dá)到數(shù)千米以上。因此，運(yùn)載器發(fā)射系統(tǒng)需要使用超長(zhǎng)行程直線電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。

長(zhǎng)程直線電機(jī)由若干個(gè)分段首尾銜接構(gòu)成，目前直線電機(jī)的設(shè)計(jì)中，每個(gè)分段電機(jī)的功率大小相等。當(dāng)直線電機(jī)以固定加速度發(fā)射運(yùn)載器時(shí)，整個(gè)發(fā)射過程中直線電機(jī)的推力F保持不變。發(fā)射起始階段，電機(jī)速度較低，由電機(jī)的輸出功率P＝Fv(v為電機(jī)的速度)可知，此時(shí)直線電機(jī)的輸出功率較低；隨著載荷速度的不斷提高，直線電機(jī)的輸出功率也隨之增大。按照目前直線的設(shè)計(jì)方式，每個(gè)分段電機(jī)的功率均相等，則需按照發(fā)射全程最大輸出功率進(jìn)行設(shè)計(jì)，這將使得發(fā)射全程多數(shù)分段電機(jī)均在遠(yuǎn)低于額定功率的工況下工作，造成有效功率的大量富余，額外增加了體積重量和建造成本。因此，迫切需要一種能夠充分使用有效功率的新型長(zhǎng)程直線電機(jī)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種基于功率分段的長(zhǎng)行程直線電機(jī)，用以解決現(xiàn)有直線電機(jī)不能有效利用電機(jī)功率的問題。

本發(fā)明的目的主要是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于功率分段的長(zhǎng)行程直線電機(jī)，該長(zhǎng)行程直線電機(jī)包括：初級(jí)定子、次級(jí)動(dòng)子、機(jī)座、固定架；

次級(jí)動(dòng)子設(shè)置在成對(duì)使用的初級(jí)定子之間；

初級(jí)定子與機(jī)座通過螺栓固定，次級(jí)動(dòng)子與固定架剛性固定連接；

機(jī)座上設(shè)有兩條滑軌，固定架通過滑輪沿滑軌移動(dòng)。

初級(jí)定子共有n對(duì)，n≥4，并依次由前至后排列成直線；

初級(jí)定子均由同尺寸的硅鋼片疊壓而成，且排在前面的初級(jí)定子的厚度小于排在后面的初級(jí)定子的厚度。

當(dāng)i≤n時(shí)，第i對(duì)初級(jí)定子包括：初級(jí)定子A_i、初級(jí)定子B_i；

初級(jí)定子A_i和初級(jí)定子B_i的形狀和位置關(guān)于次級(jí)動(dòng)子對(duì)稱，尺寸相同且均大于次級(jí)動(dòng)子。

初級(jí)定子A_i包括：初級(jí)鐵芯A_i、初級(jí)繞組A_i；

初級(jí)定子B_i包括：初級(jí)鐵芯B_i、初級(jí)繞組B_i；

初級(jí)鐵芯A_i和初級(jí)鐵芯B_i靠近次級(jí)動(dòng)子的一側(cè)均設(shè)有槽，槽的兩邊設(shè)有齒，且初級(jí)鐵芯A_i和初級(jí)鐵芯B_i除槽和齒以外的剩余部分均為軛。

初級(jí)鐵芯A_i和初級(jí)鐵芯B_i均設(shè)有至少1個(gè)極，每個(gè)極均設(shè)有3個(gè)相帶，每個(gè)相帶均包括至少1個(gè)槽；

初級(jí)繞組A_i由線圈連接而成，每個(gè)線圈有兩個(gè)線圈邊，初級(jí)繞組A_i的線圈邊均嵌入初級(jí)鐵芯A_i的槽中；

初級(jí)繞組B_i由線圈連接而成，每個(gè)線圈有兩個(gè)線圈邊，初級(jí)繞組B_i的線圈邊均嵌入初級(jí)鐵芯B_i的槽中。

同一個(gè)極內(nèi)對(duì)應(yīng)的相帶的范圍內(nèi)的初級(jí)繞組A_i和初級(jí)繞組B_i的線圈串聯(lián)，且同一個(gè)極內(nèi)的3個(gè)相帶形成3個(gè)相；

同一個(gè)極內(nèi)的3個(gè)相對(duì)應(yīng)的初級(jí)繞組A_i和初級(jí)繞組B_i分別與三相電源的3個(gè)相連接。

長(zhǎng)行程直線電機(jī)的第i對(duì)初級(jí)定子對(duì)應(yīng)的部分的輸出功率P滿足：

P＝P_i＝F·v_i

其中，F(xiàn)為次級(jí)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)全程長(zhǎng)行程直線電機(jī)的恒定推力，v_i為次級(jí)動(dòng)子在第i對(duì)初級(jí)定子的末端的速度。

2條滑軌分別設(shè)置在初級(jí)定子的外側(cè)；滑輪設(shè)置在固定架的外側(cè)。

一種該長(zhǎng)行程直線電機(jī)的工作方法，其特征在于，該工作方法為：

安裝長(zhǎng)行程直線電機(jī)，將被發(fā)射設(shè)備與固定架連接并固定；

將三相對(duì)稱電流的三相分別接入長(zhǎng)行程直線電機(jī)的3個(gè)相，三相對(duì)稱電流將產(chǎn)生合成磁場(chǎng)，通有電流的初級(jí)繞組字合成磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電磁推力，驅(qū)動(dòng)次級(jí)動(dòng)子直線運(yùn)動(dòng)，完成被發(fā)射設(shè)備的發(fā)射。

本發(fā)明有益效果如下：

常規(guī)直線電機(jī)的每個(gè)分段輸出功率設(shè)計(jì)值相等，在長(zhǎng)程勻加速度驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合，由于加速初始階段，載荷的速度較低，電機(jī)的輸出功率很小，遠(yuǎn)沒有達(dá)到額定輸出功率，故而造成電機(jī)功率的極大浪費(fèi)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積質(zhì)量偏大。本發(fā)明采用功率分段技術(shù)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的驅(qū)動(dòng)需求，合理設(shè)計(jì)長(zhǎng)程直線電機(jī)每一分段的額定功率，在滿足應(yīng)用要求的條件下，大幅降低長(zhǎng)程直線電機(jī)的體積重量與制造成本。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說明

附圖僅用于示出具體實(shí)施例的目的，而并不認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制，在整個(gè)附圖中，相同的參考符號(hào)表示相同的部件。

圖1為一種基于功率分段的長(zhǎng)行程直線電機(jī)的初級(jí)定子和次級(jí)動(dòng)子的示意圖；

圖2為一種基于功率分段的長(zhǎng)行程直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為一種基于功率分段的長(zhǎng)行程直線電機(jī)，第i對(duì)初級(jí)定子對(duì)應(yīng)的一段的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1-初級(jí)定子A₁、2-初級(jí)定子B₁、3-初級(jí)定子A₂、4-初級(jí)定子B₂、5-初級(jí)定子A_i、6-初級(jí)定子B_i、7-初級(jí)定子A_n、8-初級(jí)定子B_n、9-次級(jí)動(dòng)子、10-機(jī)座、11-滑輪、12-固定架、13-滑軌、14-初級(jí)鐵芯A_i、15-初級(jí)繞組A_i、16-初級(jí)繞組B_i、17-初級(jí)鐵芯B_i、18-齒、19-槽。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中，附圖構(gòu)成本申請(qǐng)一部分，并與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于闡釋本發(fā)明的原理。

一種基于功率分段的長(zhǎng)行程直線電機(jī)，該長(zhǎng)行程直線電機(jī)包括：初級(jí)定子、次級(jí)動(dòng)子9、機(jī)座10、固定架12；

次級(jí)動(dòng)子9設(shè)置在成對(duì)使用的初級(jí)定子之間；

初級(jí)定子與機(jī)座10通過螺栓固定，次級(jí)動(dòng)子9與固定架12剛性固定連接；

機(jī)座10上設(shè)有兩條滑軌13，固定架12通過滑輪11沿滑軌13移動(dòng)。

初級(jí)定子共有n對(duì)，n≥4，并依次以由前至后排列成直線；

初級(jí)定子均由同尺寸的硅鋼片疊壓而成，且排在前面的初級(jí)定子的厚度小于排在后面的初級(jí)定子的厚度。

當(dāng)i≤n時(shí)，第i對(duì)初級(jí)定子包括：初級(jí)定子Ai 5、初級(jí)定子Bi 6；

初級(jí)定子Ai 5和初級(jí)定子Bi 6的形狀和位置關(guān)于次級(jí)動(dòng)子9對(duì)稱，尺寸相同且均大于次級(jí)動(dòng)子9。

即初級(jí)定子的尺寸關(guān)系如下：

初級(jí)定子A₁ 1＝初級(jí)定子B₁ 2＜初級(jí)定子A₂ 3＝初級(jí)定子B₂ 4＜初級(jí)定子A_i 5＝初級(jí)定子B_i 6＜初級(jí)定子A_n 7＝初級(jí)定子B_n 8。

初級(jí)定子A_i 5包括：初級(jí)鐵芯A_i 14、初級(jí)繞組A_i 15；

初級(jí)定子B_i 6包括：初級(jí)鐵芯B_i 17、初級(jí)繞組B_i 16；

初級(jí)定子A_i 5和初級(jí)定子B_i 6固定不動(dòng)，初級(jí)定子A_i 5和初級(jí)定子B_i 6均與機(jī)座10螺栓連接；

初級(jí)鐵芯A_i 14和初級(jí)鐵芯B_i 17靠近次級(jí)動(dòng)子9的一側(cè)均設(shè)有槽19，槽19的兩邊設(shè)有齒18，且初級(jí)鐵芯A_i 14和初級(jí)鐵芯B_i 17除槽19和齒18以外的剩余部分均為軛。

初級(jí)鐵芯A_i 14和初級(jí)鐵芯B_i 17均設(shè)有至少1個(gè)極，每個(gè)極均設(shè)有3個(gè)相帶，每個(gè)相帶均包括至少1個(gè)槽19；

初級(jí)繞組A_i 15由線圈連接而成，每個(gè)線圈有兩個(gè)線圈邊，初級(jí)繞組A_i 15的線圈邊均嵌入初級(jí)鐵芯A_i 14的槽19中；

初級(jí)繞組Bi 16由線圈連接而成，每個(gè)線圈有兩個(gè)線圈邊，初級(jí)繞組Bi 16的線圈邊均嵌入初級(jí)鐵芯B_i 17的槽19中。

同一個(gè)極內(nèi)對(duì)應(yīng)的相帶的范圍內(nèi)的初級(jí)繞組A_i 15和初級(jí)繞組B_i 16的線圈串聯(lián)，且同一個(gè)極內(nèi)的3個(gè)相帶形成3個(gè)相；

同一個(gè)極內(nèi)的3個(gè)相對(duì)應(yīng)的初級(jí)繞組A_i 15和初級(jí)繞組B_i 16分別與三相電源的3個(gè)相連接。

初級(jí)定子A_i 5和初級(jí)定子B_i 6的各段有若干個(gè)極，每個(gè)極又分為三個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段稱為一個(gè)相帶，每?jī)蓚€(gè)相鄰極構(gòu)成一個(gè)極對(duì)，每一對(duì)極共有六個(gè)相帶，依次命名為A、Z、B、X、C、Y，每個(gè)相帶內(nèi)包括一個(gè)或者幾個(gè)槽19。將各對(duì)極下屬于A和X相帶的線圈依次串聯(lián)構(gòu)成A相，屬于B和Y相帶的線圈依次串聯(lián)構(gòu)成B相，屬于Z和C相帶的線圈依次串聯(lián)構(gòu)成C相。電機(jī)供電時(shí)，初級(jí)定子A_i 5和初級(jí)定子B_i 6的三相繞組A、B、C接入對(duì)稱的三相電源上。

長(zhǎng)行程直線電機(jī)的第i對(duì)初級(jí)定子對(duì)應(yīng)的部分的輸出功率P滿足：

P＝P_i＝F·v_i

其中，F(xiàn)為次級(jí)動(dòng)子9運(yùn)動(dòng)全程長(zhǎng)行程直線電機(jī)的恒定推力，v_i為次級(jí)動(dòng)子9在第i對(duì)初級(jí)定子的末端的速度。

2條滑軌13分別設(shè)置在初級(jí)定子的外側(cè)；滑輪11設(shè)置在固定架12的外側(cè)。

一種該長(zhǎng)行程直線電機(jī)的工作方法，其特征在于，該工作方法為：

安裝長(zhǎng)行程直線電機(jī)，將被發(fā)射設(shè)備與固定架12連接并固定；

將三相對(duì)稱電流的三相分別接入長(zhǎng)行程直線電機(jī)的3個(gè)相，三相對(duì)稱電流將產(chǎn)生合成磁場(chǎng)，并與永磁體磁場(chǎng)共同作用產(chǎn)生合成磁場(chǎng)，通有電流的初級(jí)繞組字合成磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電磁推力，驅(qū)動(dòng)次級(jí)動(dòng)子9直線運(yùn)動(dòng)，完成被發(fā)射設(shè)備的發(fā)射。

三相對(duì)稱電流的三相中，頻率、幅值均相等，相位相差120°電角度。

上述工作原理以三相永磁同步直線電機(jī)為例進(jìn)行說明，但對(duì)其他類型的直線電機(jī)同樣適用；同樣，本發(fā)明并不局限于三相電機(jī)，采用本發(fā)明形式的其它相數(shù)電機(jī)同樣在保護(hù)范圍內(nèi)

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于功率分段的長(zhǎng)行程直線電機(jī)，本發(fā)明采用功率分段技術(shù)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的驅(qū)動(dòng)需求，合理設(shè)計(jì)長(zhǎng)程直線電機(jī)每一分段的額定功率，在滿足應(yīng)用要求的條件下，大幅降低長(zhǎng)程直線電機(jī)的體積重量與制造成本。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。