独立正弦驱动式永磁同步容错直线电机制造技术

本发明专利技术公开了一种独立正弦驱动式永磁同步容错直线电机，底座中央位置的最下端设置扁平形非导磁长背铁，在扁平形非导磁长背铁上设置扁平形ｈａｌｂａｃｈ永磁阵列长定子，在扁平形ｈａｌｂａｃｈ永磁阵列长定子上方设置扁平形齿槽结构动子，在定子与动子之间设有气隙，在底座上、扁平形非导磁长背铁的两侧设置直线导轨副，在底座上、直线导轨副与扁平形非导磁长背铁之间设置位移传感器；动子包括容错齿、电枢齿、绕在电枢齿上的集中绕组及位于电枢集中绕组下端的霍尔传感器，容错齿与电枢齿间隔设置，动子槽位于容错齿与电枢齿之间。本发明专利技术结构简单、相与相之间独立性好、推力波动小，易于散热，集高能量密度、高可靠性以及较高的容错能力等优点于一身。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电工、电机、控制
，适用于对系统无故障连续运行性能有较高 要求的电机驱动领域的一种具有高可靠性、高容错性永磁同步容错直线电机结构。
技术介绍
与旋转电机驱动直线位移系统相比，直线电机是一种将电能直接转换成直线运动 机械能、而不需要任何中间转换机构的传动装置，具有起动推力大、动态响应快、定位精度 高、速度与加速度大、振动与噪声小、行程长度不受限制等优点，实现了结构简单、非线性环 节少和动态响应性能好的直接驱动，是一种实现高精度、高加速度和高可靠性的新技术。采 用直线电机取代传统“旋转电机+滚珠丝杠”进给传动方式，使得从电机到移动工作台之间 存在联轴节、丝杠、螺母、轴承等诸多中间环节，加大了定位机构的惯性质量，降低了响应速 度，使得进给单元具有响应速度快、推力平稳、加减速过程短、速度快、精度高、行程长度不 受限制等优点。永磁直线同步电机(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,简称PMLSM) 具有推力大、损耗低、电气时间常数小、响应速度快等特点，能提供很高的动态响应速度和 加速度、高的定位精度、平滑的无差运动，尤其力能指标高、体积小、重量轻，消除了由机械 传动带来的间隙、柔度以及与之相关的其它问题，是构成直接驱动直线伺服系统的首选电 机类型。目前，传统永磁同步直线电机三相绕组采用星型或三角型联接结构，使用三相正 弦逆变器驱动，消除了线电压中3次及3的倍数次谐波，增加了机电效率，降低了温升、振动 及噪声等不良影响，但由于绕组匝间短路、绕组开路、绕组出线端短路、绕组相间短路等原 因引起永磁同步直线电机中某一相或几相发生故障时，造成供电系统三相不平衡，电机运 行性能急剧恶化甚至停止运行，大大降低了设备的工作可靠性与运行安全性。因此，研究将 高能量密度、高可靠性以及较高的容错能力等优点集于一身的新型永磁同步容错直线电机 结构，成为相关领域的一个重要课题。美国劳伦斯伯克利国家实验室的Klaus Halbach教授在20世纪80年代提出 halbach永磁阵列的概念，通过将不同磁化方向的永磁体按照一定顺序排列，使得阵列一边 的磁场显著增强而另一边显著减弱，得到在空降较理想的正弦分布磁场。英国B. C. Mecrow 教授在1993年提出容错永磁(fault tolerant permanent magnet, FTPM)电机的概念，改 传统的旋转型永磁同步电机分布式绕组为集中式绕组，且每个定子槽中只有一套绕组，每 一绕组为一独立元件，没有绕组的电枢齿作为磁通回路，同时也起着隔离作用，并实现了相 与相之间电路、磁路以及温度的相对独立。将halbach永磁阵列与容错永磁电机相结合应 用在旋转电机中，即在转子表面安装永磁体，并采用halbach阵列安装在转子表面，提高了 气隙磁密的正弦性，增大了气隙磁通，在要求电机出力不变的情况下，减小了推力波动，较 一般永磁同步旋转电机有较大优势。目前永磁容错旋转电机主要在航空航天、军事、野外采 矿等国家大规模投资的特殊领域受到广泛关注，但由于其永磁体嵌在电机内部，不易散热，且数字控制系统相对较复杂等不利因素，使得其尚未得到广泛应用。目前，CN1886887, CN1937356A, CN101662256A, CN101667805 等专利均提出容错电 机的概念，但都将容错电机应用于旋转电机中，未见用于直线电动机中；西安交通大学学报 于2007年3月刊出文献《一种永磁直线电机的永磁体阵列设计》中采用多块永磁体构成分 段halbach阵列，但将电枢绕组作为定子，永磁体作为动子，增加了成本，电枢绕组未提及 集中绕组，且无容错齿，未提及永磁同步容错直线电机结构及概念。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结构合理，工作性能好的独立正弦驱动式永磁同步容 错直线电机。本专利技术的技术解决方案是一种独立正弦驱动式永磁同步容错直线电机，其特征是包括底座，底座中央位置 的最下端设置扁平形非导磁长背铁，在扁平形非导磁长背铁上设置扁平形halbach (译文 哈尔巴赫)永磁阵列长定子，在扁平形halbach永磁阵列长定子上方设置扁平形齿槽结构 动子，在定子与动子之间设有气隙，在底座上、扁平形非导磁长背铁的两侧设置直线导轨 副，在底座上、直线导轨副与扁平形非导磁长背铁之间设置位移传感器，在直线导轨副两端 设置挡块，在位移传感器两端设置限位开关，在扁平形非导磁长背铁两端设置动子挡块，动 子与位移传感器的动尺之间设置第一连接块，在位移传感器动尺与直线导轨副动导轨之间 设置第二连接块，有扁平形非导磁背铁固定在动子上方；动子包括容错齿、电枢齿、绕在电 枢齿上的集中绕组及位于电枢集中绕组下端的霍尔传感器，容错齿与电枢齿间隔设置，动 子槽位于容错齿与电枢齿之间。动子各相绕组线圈的极面长度为长定子halbach永磁阵列正弦磁场半波波长。动子相数n为偶数，且n > 4，与动子等长度的长定子halbach永磁阵列区间上的 正弦波磁场的波头数为2 (n+1)或2(n+2)个。动子各相绕组独立驱动，每相绕组都采用独立的单相全桥正弦功率逆变器供电。动子与两侧底座之间有间隔槽。本专利技术克服永磁同步直线电机由于气隙磁密正弦性不良引起的推力波动，避免永 磁同步直线电机某相开路造成其他相过载，解决永磁同步直线电机短路电流导致的温升对 相邻非故障相的影响，使得电机运行能力降低或无法正常运行等缺点，实现了电机相与相 之间电路、磁路以及温度的相对独立，同时开放的扁平形电机定、动子结构，易于散热，适于 高速大推力工作要求。本专利技术将容错概念与永磁同步直线电机的绕组结构设计相结合，电机结构简单、 相与相之间独立性好、推力波动小，易于散热，是集高能量密度、高可靠性以及较高的容错 能力等优点集于一身的新型永磁同步容错直线电机结构。永磁同步容错直线电机采用扁平形halbach永磁阵列构成定子，得到了较理想的 单边正弦磁场，提高了气隙磁密的正弦性，增大了气隙磁通，在要求电机出力不变的情况 下，减小了推力波动，提高了电机运行的稳定性。动子的容错齿与电枢齿相互间隔布局，动 子两端均为容错齿，电枢齿上绕有集中绕组，每套集中绕组单独构成一相，无需像分布绕组 一样将空间相对的极串联，简化了电机嵌线制作；动子相数n取为偶数，且n > 4，并使得与4动子等长度的长定子halbach永磁阵列区间上的正弦波磁场的波头数为2(n+l)或2 (n+2) 个，以降低转矩脉动，提高平均出力；每相绕组采用独立的单相全桥正弦功率逆变器提供正 弦驱动电压，当某相绕组或其逆变器故障时，切除该相，不会影响到其他相的正常工作，同 时，控制器通过提高正常工作相的功率输出来弥补因切除故障相而带来的功率减小量，使 得故障运行态的直线电机整体输出性能基本保持不变；每相绕组之间相隔一个容错齿，避 免了相邻相绕组物理上的接触，抑制了相邻相间绕组短路故障的发生，提高了驱动系统的 可靠性；同时，各相绕组产生的热量很难传递到相邻相绕组的线圈上，避免了短路相绕组所 产生的热量对相邻相绕组的影响，解决了各相绕组间的磁耦合问题，并为短路绕组所产生 的磁场提供了闭合磁路。霍尔传感器置于绕组线圈下端，用于检测线圈在不同位置的磁感 应强度，将检本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种独立正弦驱动式永磁同步容错直线电机，其特征是：包括底座，底座中央位置的最下端设置扁平形非导磁长背铁，在扁平形非导磁长背铁上设置扁平形ｈａｌｂａｃｈ永磁阵列长定子，在扁平形ｈａｌｂａｃｈ永磁阵列长定子上方设置扁平形齿槽结构动子，在定子与动子之间设有气隙，在底座上、扁平形非导磁长背铁的两侧设置直线导轨副，在底座上、直线导轨副与扁平形非导磁长背铁之间设置位移传感器，在直线导轨副两端设置挡块，在位移传感器两端设置限位开关，在扁平形非导磁长背铁两端设置动子挡块，动子与位移传感器的动尺之间设置第一连接块，在位移传感器动尺与直线导轨副动导轨之间设置第二连接块，有扁平形非导磁背铁固定在动子上方；动子包括容错齿、电枢齿、绕在电枢齿上的集中绕组及位于电枢集中绕组下端的霍尔传感器，容错齿与电枢齿间隔设置，动子槽位于容错齿与电枢齿之间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：茅靖峰，廖萍，马苏扬，吴国庆，吴爱华，倪红军，易龙芳，华亮，曹阳，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]