动子可自供电的双励磁源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动子可自供电的双励磁源永磁直线电机及其优化设置方法。包括动子模块和定子模块，定子模块保持固定，动子模块相对于定子模块沿运动方向可直线运动；动子铁芯在朝向定子模块的一侧开设有多个开口齿槽并沿运动方向间隔布置，位于动子铁芯左右两个端部处的齿上绕制有自供电绕组，动子铁芯内侧剩余槽部的内端面均紧贴布置有动子永磁体；定子铁芯在朝向动子模块的一侧开设有多个半闭口齿槽并沿运动方向间隔布置，定子铁芯每间隔一个齿开设有凹槽，定子永磁体布置在凹槽内。本发明专利技术可同时利用两种励磁源，可有效提高电机的推力密度，动子模块的自供电绕组可以感应出电动势，实现长行程下动子模块的无线缆供电。实现长行程下动子模块的无线缆供电。实现长行程下动子模块的无线缆供电。

【技术实现步骤摘要】
动子可自供电的双励磁源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，具体涉及一种动子可自供电的双励磁源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]在长行程柔性输送系统领域，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永磁体的成本，因而通常采用长初级、短次级结构，即包含电枢绕组的长初级作为定子在整个行程范围内铺设，而包含永磁体的短次级作为动子进行直线运动。这种方式可以大幅降低永磁体的用量进而降低成本，但是由于动子仅包含永磁体无法进行供电，动子所能使用的应用场景较为有限。如专利CN108631540B、CN109217622B和CN113746298B所提出的结构，动子均无法供电。
[0005]在长行程柔性输送系统领域，另一种降低成本的办法是将永磁体和电枢均集中在初级一侧作为短动子，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。初级励磁型永磁直线电机主要有以下两种类型：1、开关磁链型永磁直线电机：如专利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；2、磁通反向型永磁直线电机：如专利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。上述两种类型的初级励磁型永磁直线电机的动子均需要利用线缆对电枢供电，在长行程下线缆供电较为复杂，且初级励磁型永磁直线电机的推力密度不如传统永磁直线电机。

技术实现思路

[0006]针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提出了动子可自供电的双励磁源永磁直线电机及其优化设置方法，通过构造动定子双励磁源共同励磁及设置动子自供电绕组，可以实现动子的无线缆供电。与此同时，通过合理选择动子极数，可均衡利用双励磁源下的基波磁动势和谐波磁动势，有效提高电机的推力密度。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一、一种动子可自供电的双励磁源永磁直线电机：
[0009]包括动子模块和定子模块，动子模块和定子模块平行间隔布置，定子模块保持固定，动子模块相对于定子模块沿运动方向可直线运动；
[0010]所述动子模块包括动子铁芯，动子铁芯在朝向定子模块的一侧沿运动方向间隔开设有多个齿，相邻齿之间形成开口齿槽；
[0011]所述定子模块包括定子铁芯和电枢绕组，定子铁芯在朝向动子模块的一侧沿运动方向间隔开设有多个齿，相邻齿之间形成半闭口齿槽，定子永磁体的齿上均绕制有电枢绕组；
[0012]所述动子模块还包括动子永磁体和自供电绕组，动子铁芯上除了左右两个端部所在的齿槽以外的剩余齿槽内设置有动子永磁体，且动子永磁体和齿槽的内端面紧贴布置，位于动子铁芯左右两个端部处的齿上绕制有自供电绕组；
[0013]所述定子模块还包括定子永磁体，定子铁芯每间隔一个齿的齿端面上开设有一个凹槽，凹槽内设置定子永磁体。
[0014]所述的动子铁芯和定子铁芯均由硅钢片层叠构成且为整体冲片式齿槽结构，硅钢片沿垂直于运动方向且垂直于动子铁芯和定子铁芯的齿方向叠压而成。
[0015]所述的动子永磁体和定子永磁体均采用矩形结构且两者充磁方向相同，充磁方向均垂直于运动方向，其中动子永磁体的几何中心线位于动子铁芯的齿槽的几何中心线，定子永磁体的几何中心线位于定子铁芯的齿的几何中心线。
[0016]位于定子模块上的定子永磁体的数目是定子铁芯齿槽数的一半。
[0017]所述的动子模块上的动子铁芯的齿数设置为(kN
ph
+2N
ph
+3)
±
1，动子永磁体的个数设置为(kN
ph
+2N
ph
)
±
1，其中kN
ph
表示定子铁芯的齿槽数，k表示齿槽数系数，N
ph
为永磁直线电机的相数。
[0018]位于动子模块上的自供电绕组外接同位于动子模块上的单相不控整流电路模块的输入端，自供电绕组的输出端和动子模块连接，单相不控整流电路模块将自供电绕组感应的交流电整流成直流电进行存储并为动子模块进行供电。
[0019]包括多个定子模块，多个所述定子模块沿着运动方向沿同一直线方向拼接布置。
[0020]二、永磁直线电机的优化设置方法，方法包括以下步骤：
[0021]步骤1：在设置动子模块不设有齿槽和动子永磁体的情况下，建立定子模块的无槽气隙磁通密度解析模型B
stator
(x)，表示为：
[0022][0023]其中，B
stator
(x)表示定子模块的无槽气隙磁通密度，α为定子永磁体的宽度占定子铁芯齿宽的比例，g为动子模块和定子模块之间的气隙长度，μ
r
为永磁体的相对磁导率，B
r
为永磁体的剩磁，h
m1
为定子永磁体在充磁方向上的长度，l
p
为定子铁芯中的相邻半闭口齿槽之间的周期槽距，定子铁芯齿宽设置为0.8倍的l
p
，N
pm
为定子永磁体的个数，N
p
为定子铁芯的槽数，x表示定子模块沿运动方向移动的距离，i表示各次谐波倍数；
[0024]步骤2：以极对数等于定子永磁体个数下的气隙磁通密度B
stator
(x)作为基波幅值，同时以极对数等于两倍和三倍定子永磁体个数的气隙磁通密度B
stator
(x)作为二次和三次
谐波幅值，以二次和三次谐波幅值之和最大为优化目标，优化求解获得定子永磁体的宽度占定子铁芯齿宽的比例α最佳值；
[0025]步骤3：在设置动子模块设有齿和齿槽情况下，根据永磁直线电机的相数N
ph
预先设置齿槽数系数k，定子铁芯的齿槽数设置为kN
ph
，进而设置动子铁芯的齿数设置为(kN
ph
+2N
ph
+3)
±
1，动子永磁体的个数设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动子可自供电的双励磁源永磁直线电机，包括动子模块(1)和定子模块(2)，动子模块(1)和定子模块(2)平行间隔布置，定子模块(2)保持固定，动子模块(1)相对于定子模块(2)沿运动方向可直线运动；所述动子模块(1)包括动子铁芯(11)，动子铁芯(11)在朝向定子模块(2)的一侧沿运动方向间隔开设有多个齿，相邻齿之间形成开口齿槽；所述定子模块(2)包括定子铁芯(21)和电枢绕组(23)，定子铁芯(21)在朝向动子模块(1)的一侧沿运动方向间隔开设有多个齿，相邻齿之间形成半闭口齿槽，定子永磁体(22)的齿上均绕制有电枢绕组(23)；其特征在于：所述动子模块(1)还包括动子永磁体(12)和自供电绕组(13)，动子铁芯(11)上除了左右两个端部所在的齿槽以外的剩余齿槽内设置有动子永磁体(12)，且动子永磁体(12)和齿槽的内端面紧贴布置，位于动子铁芯(11)左右两个端部处的齿上绕制有自供电绕组(13)；所述定子模块(2)还包括定子永磁体(22)，定子铁芯(21)每间隔一个齿的齿端面上开设有一个凹槽，凹槽内设置定子永磁体(22)。2.根据权利要求1所述的一种动子可自供电的双励磁源永磁直线电机，其特征在于：所述的动子铁芯(11)和定子铁芯(21)均由硅钢片层叠构成且为整体冲片式齿槽结构，硅钢片沿垂直于运动方向且垂直于动子铁芯(11)和定子铁芯(21)的齿方向叠压而成。3.根据权利要求1所述的一种动子可自供电的双励磁源永磁直线电机，其特征在于：所述的动子永磁体(12)和定子永磁体(22)均采用矩形结构且两者充磁方向相同，充磁方向均垂直于运动方向，其中动子永磁体(12)的几何中心线位于动子铁芯(11)的齿槽的几何中心线，定子永磁体(22)的几何中心线位于定子铁芯(21)的齿的几何中心线。4.根据权利要求1所述的一种动子可自供电的双励磁源永磁直线电机，其特征在于：位于定子模块(2)上的定子永磁体(22)的数目是定子铁芯(21)齿槽数的一半。5.根据权利要求1所述的一种动子可自供电的双励磁源永磁直线电机，其特征在于：所述的动子模块(1)上的动子铁芯(11)的齿数设置为(kN
ph
+2N
ph
+3)
±
1，动子永磁体(12)的个数设置为(kN
ph
+2N
ph
)
±
1，其中kN
ph
表示定子铁芯(21)的齿槽数，k表示齿槽数系数，N
ph
为永磁直线电机的相数。6.根据权利要求1所述的一种动子可自供电的双励磁源永磁直线电机，其特征在于：位于动子模块(1)上的自供电绕组(13)外接单相不控整流电路模块的输入端，自供电绕组(13)的输出端和动子模块(1)连接，单相不控整流电路模块将自供电绕组(13)感应的交流电整流成直流电进行存储并为动子模块(1)进行供电。7.根据权利要求1所述的一种动子可自供电的双励磁源永磁直线电机，其特征在于：包括多个定子模块(2)，多个所述定子模块(2)沿着运动方向沿同一直线方向拼接布置。8.应用于权利要求1
‑
7任一所述永磁直线电机的优化设置方法，其特征在于：方法包括以下步骤：步骤1：在设置动子模块(1)不设有齿槽和动子永磁体(12)的情况下，建立定子模块(2)的无槽气隙磁通密度解析模型B
stator
(x)，表示为：
其中，B
stator
(x)表示定子模块(2)的无槽气隙磁通密度，α为定子永磁体(22)的宽度占定子铁芯(21)齿宽的比例，g为动子模块(1)和定子模块(2)之间的气隙长度，μ
r
为永磁体的相对磁导率，B
r
为永磁体的剩磁，h
m1
为定子永磁体(22)在充磁方向上的长度，l
p
为定子铁芯(21)中的相邻半闭口齿槽之间的周期槽距，N
pm
为定子永磁体(22)的个数，N
p
为定子铁芯(21)的槽数，x表示定子模块(2)沿运动方向移动的距离，i表示各...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈燚明，李焱鑫，卢琴芬，方攸同，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：