一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机及其优化设置方法技术

本发明专利技术公开了一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机及其优化设置方法。包括初级模块和次级模块，次级模块保持固定，初级模块相对次级模块沿运动方向可运动，初级模块在两个次级模块之间并有气隙；初级铁芯中部为轭部，轭部两侧设有半闭口槽，电枢绕组绕制在半闭口槽的轭部上；初级铁芯两侧齿部外端面均布置永磁阵列；两个次级模块在朝向初级模块表面开设齿槽，齿槽沿运动方向间隔布置。本发明专利技术在相同永磁体用量下可产生较高幅值的两倍极对数的谐波磁动势，均衡利用基波磁动势和二次谐波磁动势，有效提高电机的推力密度，大幅降低空载定位力及负载推力波动，有效消除初级所受法向力，降低电机安装难度，且提高电机槽满率。且提高电机槽满率。且提高电机槽满率。

【技术实现步骤摘要】
一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机及其优化设置方法


[0001]本专利技术属于直线电机
的一种电机结构及其优化设置方法，具体涉及一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机及其优化设置方法。

技术介绍

[0002]永磁直线电机兼具永磁电机和直线电机的优势，能够直接将电能转换成直线运动的机械能而不需要中间机械传动部分。因此，永磁直线电机具有高推力密度、高速度、高精度、高效率等显著优点，在高档数控机床、半导体加工、垂直升降输送系统、高速物流系统等领域已得到广泛应用。
[0003]传统永磁直线电机的工作原理如下所述：当电枢绕组通入交流电时，会在气隙中产生电枢磁场。与此同时，永磁磁极在气隙中产生励磁磁场。上述电枢磁场与永磁励磁磁场共同构成气隙磁场。电机起动时拖动磁极或电枢，电枢行波磁场和永磁励磁磁场相对静止，从而电枢绕组中的电流在所述气隙磁场的作用下产生电磁推力。如果电枢固定，则磁极在推力作用下牵入同步做直线运动；反之，则电枢牵入同步做直线运动。
[0004]在高速物流系统领域，由于电机运动的行程较长(通常几十米至几百米)，传统永磁直线电机推广应用的一大制约在于成本，因为无论采用长电枢还是长磁极结构，整体成本都很高。为了降低成本，现有的办法是将永磁体和电枢均集中在电枢一侧作为短动子，而次级仅由叠片铁芯构成并作为长定子，即初级励磁型永磁直线电机。
[0005]初级励磁型永磁直线电机主要有以下两种类型：
[0006]1、开关磁链型永磁直线电机
[0007]如中国专利CN101355289B、CN108155775B所提出的开关磁链型永磁直线电机，该拓扑结构把永磁体夹在电枢铁芯齿的中间位置，其永磁体用量较小且电枢长度较短，在长行程应用场合可以大大降低成本，但也带来新的问题：(1)电枢铁芯由多个分立部件构成，加工及安装困难；(2)槽面积与永磁体互相制约，推力密度受到了限制；(3)永磁体被电枢绕组包围，散热条件较差。
[0008]2、磁通反向型永磁直线电机
[0009]如中国专利CN101552535B所提出的磁通反向型永磁直线电机，该拓扑结构把永磁体放置在电枢铁芯齿靠近气隙的表面，其永磁体用量较小且电枢长度较短，在长行程应用场合可以大大降低成本，但也带来新的问题：由于磁路串联，电枢磁路需经过永磁体，使得电枢磁路的等效气隙变大，推力密度受到限制。
[0010]上述两种类型的初级励磁型永磁直线电机均为对称励磁结构，即两种极性的永磁体所产生的励磁磁场相互对称，因而经过快速傅里叶变换后，只存在基波及奇数次的谐波磁动势分量，而不存在偶数次的谐波磁动势分量。对于初级励磁型永磁直线电机这一类依靠有效谐波磁场产生推力的电机而言，仅依靠基波及奇数次的谐波磁动势限制了电机推力密度的进一步提升。

技术实现思路

[0011]针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机及其优化设置方法，通过构造永磁体的非对称励磁结构，在相同永磁体用量下可以产生较高幅值的两倍极对数的谐波磁动势。在此基础上，通过合理选择次级极数，可均衡利用基波磁动势和两次谐波磁动势，有效提高电机的推力密度。
[0012]本专利技术的技术方案如下：
[0013]一、一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机
[0014]包括初级模块和两个次级模块，次级模块保持固定，初级模块相对于次级模块沿运动方向可运动，初级模块安装在两个次级模块之间并初级模块分别和两个次级模块之间设有沿运动方向的气隙；
[0015]所述初级模块包括初级铁芯、永磁阵列和电枢绕组；初级铁芯布置在两个次级模块之间，初级铁芯中部为轭部，轭部的两侧均开设有多个半闭口槽，多个半闭口槽沿运动方向间隔布置，电枢绕组绕制在半闭口槽处的轭部上；初级铁芯两侧齿部的外端面均紧贴布置有永磁阵列；
[0016]两个所述次级模块各自在朝向初级模块的一侧表面开设齿槽，齿槽沿运动方向间隔布置。
[0017]所述的初级铁芯轭部的两侧为齿部，两侧的齿部关于轭部对称布置，每侧齿部中相邻两齿之间形成半闭口槽。
[0018]所述的初级铁芯主要由多个十字形初级铁芯模块沿运动方向依次相扣连接而成，十字形初级铁芯模块主要由两个条形部交叉构成十字，其中一个条形部作为轭部，相邻十字形初级铁芯模块的轭部两端之间通过卯榫结构连接扣接，且在扣接处的轭部外绕制电枢绕组；另一个条形部的两端作为齿。
[0019]所述的永磁阵列由多个永磁单元组成，每个永磁单元贴于初级铁芯的齿的外端面，多个永磁单元沿运动方向并排依次布置，每个永磁单元沿运动方向单方向由永磁体A和永磁体B并排依次紧贴构成，永磁体A和永磁体B沿运动方向的宽度不同且极性相反；永磁体A固定布置在初级铁芯的一个齿外端面的中间，永磁体B固定布置在初级铁芯的相邻两个齿外端面的之间。
[0020]所述的永磁体A和永磁体B均采用矩形结构，充磁方向为垂直于运动方向，其中永磁体A的几何中心线对准十字形初级铁芯模块的齿的几何中心线，位于初级铁芯两侧的永磁阵列排布相同。
[0021]所述的十字形初级铁芯模块由硅钢片沿垂直于运动方向且垂直于初级铁芯的齿方向叠压而成。
[0022]所述次级模块为整体冲片式齿槽结构的叠片铁芯，叠片铁芯的叠方向是沿垂直于运动方向和垂直于初级铁芯的齿方向，所述次级模块的齿槽所在表面和所述初级铁芯的齿所在表面之间存在气隙。
[0023]两侧次级模块齿的中心线沿着运动方向错开二分之一极距而形成不对称结构，极距是指次级模块相邻齿之间的周期间距。
[0024]位于初级铁芯单侧的所述永磁单元的数目与初级铁芯单侧的齿数相同，且次级模块的齿槽数按照以下方式设置：单个次级模块的齿数设置为(kN
ph
+2N
ph
)
±
1，其中kN
ph
表示
初级铁芯单侧的齿数，k表示槽数系数，N
ph
为永磁直线电机的相数。
[0025]二、永磁直线电机的优化设置方法：
[0026]所述方法在永磁基波磁动势和二次谐波磁动势之间寻求平衡，针对非对称多谐波励磁的永磁直线电机的永磁体宽度最佳比例和次级铁芯齿宽度的最佳比例进行设置，方法包括以下步骤：
[0027]步骤1：根据永磁直线电机的相数预先设置槽数系数k，不同相数下具有不同的槽数系数k。初级铁芯单侧的齿数设置为kN
ph
，单个次级模块的齿数设置为(kN
ph
+2N
ph
)
±
1；N
ph
为永磁直线电机的相数；
[0028]步骤2：在仅区别设置次级模块不设有齿和齿槽情况下，建立次级模块无齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度解析模型，表示为：
[0029][0030]其中，α为永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例，g为初级模块和次级模块之间的气隙长度，μ
r
为永磁体的相对磁导率，永磁体是指永磁体A/永磁体B，均相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，包括初级模块(1)和两个次级模块(2)，其特征在于：次级模块(2)保持固定，初级模块(1)相对于次级模块(2)沿运动方向可运动，初级模块(1)安装在两个次级模块(2)之间并设有沿运动方向的气隙；所述初级模块(1)包括初级铁芯(11)、永磁阵列(12)和电枢绕组(13)；初级铁芯(11)布置在两个次级模块(2)之间，初级铁芯(11)中部为轭部，轭部的两侧均开设有多个半闭口槽，多个半闭口槽沿运动方向间隔布置，电枢绕组(13)绕制在半闭口槽处的轭部上；初级铁芯(11)两侧齿部的外端面均紧贴布置有永磁阵列(12)；两个所述次级模块(2)各自在朝向初级模块(1)的一侧表面开设齿槽，齿槽沿运动方向间隔布置。2.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述的初级铁芯(11)轭部的两侧为齿部，两侧的齿部关于轭部对称布置，每侧齿部中相邻两齿之间形成半闭口槽。3.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述的初级铁芯(11)主要由多个十字形初级铁芯模块(111)沿运动方向依次相扣连接而成，十字形初级铁芯模块(111)主要由两个条形部交叉构成十字，其中一个条形部作为轭部，相邻十字形初级铁芯模块(111)的轭部两端之间通过卯榫结构连接扣接，且在扣接处的轭部外绕制电枢绕组(13)；另一个条形部的两端作为齿。4.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述的永磁阵列(12)由多个永磁单元(121)组成，每个永磁单元(121)贴于初级铁芯(11)的齿的外端面，多个永磁单元(121)沿运动方向并排依次布置，每个永磁单元沿运动方向单方向由永磁体A和永磁体B并排依次紧贴构成，永磁体A和永磁体B沿运动方向的宽度不同且极性相反；永磁体A固定布置在初级铁芯(11)的一个齿外端面的中间，永磁体B固定布置在初级铁芯(11)的相邻两个齿外端面的之间。5.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述的永磁体A和永磁体B均采用矩形结构，充磁方向为垂直于运动方向，其中永磁体A的几何中心线对准十字形初级铁芯模块(111)的齿的几何中心线，位于初级铁芯(11)两侧的永磁阵列(12)排布相同。6.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述的十字形初级铁芯模块(111)由硅钢片沿垂直于运动方向且垂直于初级铁芯(11)的齿方向叠压而成。7.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述次级模块(2)为整体冲片式齿槽结构的叠片铁芯，叠片铁芯的叠方向是沿垂直于运动方向和垂直于初级铁芯(11)的齿方向，所述次级模块(2)的齿槽所在表面和所述初级铁芯(11)的齿所在表面之间存在气隙。8.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：两侧次级模块(2)齿的中心线沿着运动方向错开二分之一极距而形成不对称结构，极距是指次级模块(2)相邻齿之间的周期间距。9.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：位于初级铁芯(11)单侧的所述永磁单元(121)的数目与初级铁芯(11)单侧的齿数相同，且次级模
块(2)的齿槽数按照以下方式设置：单个次级模块(2)的齿数设置为(kN
ph
+2N
ph
)
±
...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈燚明，曹彦飞，阎彦，史婷娜，夏长亮，
申请(专利权)人：浙江大学先进电气装备创新中心，
类型：发明
国别省市：