梯形线圈型永磁无铁直线电机制造技术

梯形线圈型永磁无铁直线电机包括定子基体、定子绕组、动子基体、海尔贝克永磁阵列。动子位于定子正上方并留有气隙，在定子基体上缠绕有定子绕组，定子绕组由梯形线圈互连构成，梯形线圈是两条元件边截面均为梯形的线圈，在动子基体下表面安装海尔贝克永磁阵列，定子基体和动子基体由铝合金材料制成。采用梯形线圈替代现有海尔贝克永磁无铁直线电机的薄层线圈后，可以大幅降低采用薄层线圈时电机产生的5次、9次脉动力，进而提高了电机的出力平滑性，在半导体加工产业等超高精度伺服领域中具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种可以应用于高精度伺服领域的永磁无铁直线电机，特别涉及一种采 用梯形线圈的永磁无铁直线电机。
技术介绍
直线电机直接驱动不存在传动机构的齿隙、不确定的滚珠运动、粉尘、润滑等影响 定位精度的难题，不存在传动机构的附加质量，响应更快。和旋转电机类似，直线电机主要 分为变磁阻型、永磁同步型、感应型3大类，其中永磁同步型在结构设计和控制精度等方面 具有明显优势。本专利技术涉及的永磁无铁直线电机指的是具有以下特点的永磁同步型直线电 机永磁阵列无背铁，绕组芯采用非铁磁材料制成。永磁无铁直线电机虽然出力密度比有铁 电机要低，但完全消除了永磁体对定子铁芯的磁吸力和齿槽力，从而进一步提高了高精度 定位能力，其定位精度和重复定位精度可达到亚微米级，甚至纳米级，在半导体加工产业等 超高精度伺服领域中具有广阔的应用前景。根据麦克斯韦应力张量法可知在无铁直线电机中，只有当永磁阵列和绕组磁场 的第《次谐波分量都存在时，力的《次谐波分量才存在，且力的该次分量的幅值与磁场的该 次分量的幅值成正比。可知，如果想要消除高次脉动力，则应该尽可能消除永磁阵列和绕组 产生的磁场的高次谐波分量。海尔贝克永磁阵列的磁场呈现单边性，可在没有背铁的情况下产生较大的磁场， 而且其强侧的磁场具有优良的正弦性能，只含有基波、5次、9次等谐波分量，以上特点使得 海尔贝克永磁阵列被广泛应用于无铁直线电机领域。现有的海尔贝克永磁无铁直线电机 多采用薄层线圈构成的绕组，薄层线圈元件边的截面为矩形(在旋转电机中，元件边指的是 线圈安放在槽中的部分；在无铁直线电机中，元件边指的是线圈产生有效电磁力的部分)， 具有容易使用模具加工和安装简单的特点，这种线圈产生的磁场包含基波、5次、9次等谐 波分量。综上所述，如果采用海尔贝克永磁阵列和薄层线圈结构，则该无铁直线电机含有5 次、9次等脉动力分量。
技术实现思路
技术问题本专利技术提供一种采用梯形线圈和海尔贝克永磁阵列的无铁直线电机，该直 线电机具有高次脉动力极小的特点。技术方案本专利技术的梯形线圈型永磁无铁直线电机包括定子基体、定子绕组、动子 基体、海尔贝克永磁阵列。动子位于定子正上方并留有气隙，在定子基体上缠绕有定子绕 组，定子绕组由梯形线圈互连构成，梯形线圈是两条元件边的截面均为梯形的线圈，在动子 基体下表面安装海尔贝克永磁阵列，定子基体和动子基体由铝合金材料制成。所述的定子基体在一个周期内从左至右分别由第一线圈芯、第二线圈芯、第三线 圈芯、第四线圈芯组成；定子绕组在一个周期内由第一梯形线圈 第八梯形线圈构成，其 中，第一梯形线圈套装在第一线圈芯的上下两侧，第二梯形线圈套装在第二线圈芯的左右 两侧，第三梯形线圈套装在第三线圈芯的上下两侧，第四梯形线圈套装在第四线圈芯的左右两侧，第五梯形线圈套装在第一线圈芯的左右两侧，第六梯形线圈套装在第二线圈芯的 上下两侧，第七梯形线圈套装在第三线圈芯的左右两侧，第八梯形线圈套装在第四线圈芯 的上下两侧；第一梯形线圈、第二梯形线圈、第三梯形线圈、第四梯形线圈互连构成A相定 子绕组，其中第一梯形线圈的上侧元件边与第二梯形线圈的右侧元件边互连，第二梯形线 圈的左侧元件边与第三梯形线圈的上侧元件边互连，第三梯形线圈的下侧元件边与第四梯 形线圈的左侧元件边互连，第四梯形线圈的右侧元件边与下一周期的第一梯形线圈的下侧 元件边互连；第五梯形线圈、第六梯形线圈、第七梯形线圈、第八梯形线圈互连构成B相定 子绕组，其中第五梯形线圈的右侧元件边与第六梯形线圈的下侧元件边互连，第六梯形线 圈的上侧元件边与第七梯形线圈的右侧元件边互连，第七梯形线圈的左侧元件边与第八梯 形线圈的上侧元件边互连，第八梯形线圈的下侧元件边与下一周期的第五梯形线圈的左侧 元件边互连。A相定子绕组所通电流相位超前B相定子绕组所通电流90度，用于形成定子 行波磁场。有益效果与现有技术相比，本专利技术具有如下优点根据麦克斯韦应力张量法可知在无铁直线电机中，只有当永磁阵列和绕组磁场的第 η次谐波分量都存在时，力的次谐波分量才存在，且力的该次分量的幅值与磁场的该次分 量的幅值成正比。可知，如果想要消除高次脉动力，则应该尽可能消除永磁阵列和绕组产生 的磁场的高次谐波分量。现有的海尔贝克永磁无铁直线电机多采用薄层线圈构成的绕组，其中，海尔贝克 永磁阵列的强侧磁场含有基波、5次、9次等谐波分量，薄层线圈元件边的截面为矩形，这种 线圈产生的磁场包含基波、5次、9次等谐波分量。可见，如果无铁直线电机采用海尔贝克永 磁阵列和薄层线圈结构，则该电机含有5次、9次等脉动力分量。新型的由梯形线圈构成的绕组结构被提出并应用于海尔贝克无铁直线电机。分析 和仿真表明，梯形线圈型绕组产生的磁场正弦性极好，高次谐波几乎可以完全忽略，进而可 以大幅降低采用薄层线圈所产生的5次、9次脉动力。本专利技术在半导体加工产业等超高精度 伺服领域中具有广阔的应用前景。附图说明图1是本专利技术的结构简图图2是现有的海尔贝克永磁无铁直线电机采用的薄层线圈型绕组结构，其中，图加是 2相薄层线圈型绕组结构，图2b是3相薄层线圈型绕组结构。图3是本专利技术的定子绕组的结构示意图。图4是本专利技术的梯形线圈拓扑结构和绕组磁场基波比例的关系图。图5是本专利技术的磁场谐波分析结果，其中，图fe是海尔贝克永磁阵列的磁场谐波 分析结果，图恥是梯形线圈型2相绕组的磁场谐波分析结果，图5c是体积与梯形线圈型绕 组相同的薄层线圈型2相绕组的磁场谐波分析结果，图5d是体积与梯形线圈型绕组相同的 薄层线圈型3相绕组的磁场谐波分析结果。附图中的主要标号有定子基体1、定子绕组2、动子基体3、海尔贝克永磁阵列4、第一 线圈芯11 第四线圈芯14、第一梯形线圈21 第八梯形线圈28、直线电机一个周期的长权利要求1.一种梯形线圈型永磁无铁直线电机，其特征在于该电机包括定子基体(1 )、定子绕 组(2)、动子基体(3)、海尔贝克永磁阵列(4)；动子位于定子正上方并留有气隙，在定子基 体(1)上缠绕有定子绕组(2)，定子绕组(2)由多个梯形线圈互连构成，梯形线圈是两条元 件边的截面均为梯形的线圈，在动子基体(3)下表面安装海尔贝克永磁阵列(4)，定子基体 (1)和动子基体(3)由铝合金材料制成。2.根据权利要求1所述的梯形线圈型永磁无铁直线电机，其特征在于所述的定子基体 (1)在一个周期内从左至右分别由第一线圈芯(11)、第二线圈芯(12)、第三线圈芯(13)、第 四线圈芯(14)组成；定子绕组(2)在一个周期内由第一梯形线圈(21) 第八梯形线圈(28) 构成，其中，第一梯形线圈(21)套装在第一线圈芯(11)的上下两侧，第二梯形线圈(22)套 装在第二线圈芯(12)的左右两侧，第三梯形线圈(23)套装在第三线圈芯(13)的上下两侧， 第四梯形线圈(24)套装在第四线圈芯(14)的左右两侧，第五梯形线圈(25)套装在第一线 圈芯(11)的左右两侧，第六梯形线圈(26)套装在第二线圈芯(12)的上下两侧，第七梯形线 圈(27)套装在第三线圈芯(13)的左右两侧，第八梯形线圈(28)套装在第四线圈芯(14)的 上下两侧；第一梯形线圈(21)、第二梯形线圈(22)、第三梯形线圈(23)、第四梯形线圈(24) 互连构成A相定子绕组，即第一梯形线圈本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种梯形线圈型永磁无铁直线电机，其特征在于该电机包括定子基体（１）、定子绕组（２）、动子基体（３）、海尔贝克永磁阵列（４）；动子位于定子正上方并留有气隙，在定子基体（１）上缠绕有定子绕组（２），定子绕组（２）由多个梯形线圈互连构成，梯形线圈是两条元件边的截面均为梯形的线圈，在动子基体（３）下表面安装海尔贝克永磁阵列（４），定子基体（１）和动子基体（３）由铝合金材料制成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周赣，黄学良，蒋浩，程永飞，谭力，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84