CN107086756A - 低推力波动独立绕组永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低推力波动独立绕组永磁直线电机，属电机技术领域。它包括初级组件、次级组件和气隙。初级组件包括电枢绕组、初级铁心和永磁体。初级铁心内部开大槽，槽内设置电枢绕组，初级铁心面向气隙轭部开小槽，小槽内安装永磁体或导磁铁心。对于三相电机，相邻相初级铁心齿顶宽度为(k±2/3)τ，K为奇数。次级组件为导磁的次级铁心及间隙组成。初级组件和次级组件之间形成气隙。多个初级大槽及其对应的次级、气隙结构，形成一个单元电机。单元电机之间设置宽度为τ的调磁结构，相邻单元电机中同相绕组的相位需反向设置。通过调磁结构设置，该电机相绕组中的偶数次谐波相互抵消，推力波动大幅度降低。

Description

低推力波动独立绕组永磁直线电机

技术领域

本发明属电机领域，特别涉及到一种低推力波动独立绕组永磁直线电机。

背景技术

基于直线电机的直接传动技术，省去了中间复杂传动机构，已在机床、电梯等直线运动场合应用，而且其应用领域正逐渐扩大到生产及生活的各领域。但是与旋转电机***不同，大部分工业应用中直线电机***不能采用高速度设计提高功率密度并减小体积质量，因此，要减小直线电机的体积质量，只能寄希望于提高电机的推力密度。提高电机的推力密度，可以从提高电负荷、磁负荷和磁场变化频率几个方面考虑，已有的永磁同步直线电机，存在几个特点：绕组绕制工艺复杂，绕组散热困难，限制了电负荷的提高；不管将初级或次级用作动子，动子质量均较大，使得电机一定输出推力情况下，电机的加速度和动态性能受到限制；永磁体用量大，使得永磁直线电机的成本增大。此外，直线电机常用于高精度直线运动控制场合，直线电机端部效应、齿槽效应及反电势谐波含量大，导致电机的推力波动普遍比较大，从而影响电机的控制性能。

发明内容

本发明为解决现有永磁同步直线电机推力密度低、永磁体用量大及推力波动大问题，提出低推力波动独立绕组永磁直线电机。

本发明的具体技术方案如下：

低推力波动独立绕组永磁直线电机，它包括初级组件、次级组件和气隙，可以采用平板型或者筒型结构。初级组件包括电枢绕组1、初级铁心2和永磁体3。初级铁心2内部开大槽7，相邻大槽之间为大齿2-3，大槽7的个数为相数M的整数倍，槽内设置电枢绕组1，初级铁心2在面向气隙4的初级铁心内轭2-3上开n个小槽8(n为整数，n≥1)，形成小槽8和初级铁心小齿2-4相间隔结构，小槽8内安装永磁体4。对于三相电机，相邻相初级铁心齿顶2-3宽度为(k±2/3)τ，K为奇数。次级组件为导磁的次级铁心5及次级间隙6组成。相邻次级铁心5之间的距离为2τ，即按照周期为2τ形成阵列。初级组件和次级组件之间形成气隙4。M个初级大槽7及其对应的次级、气隙结构，形成一个单元电机。初级铁心2上，相邻单元电机之间设置间距为(2N+1)τ(N＝0，1，2….)的调磁结构9，起到调节不同单元电机磁场谐波的作用，相邻单元电机中同相绕组1-1和1-2的相位需反向设置。

本发明的进一步设计在于：

低推力波动独立绕组永磁直线电机上，小槽8和永磁体3的宽度为(τ+a)，小齿2-4的宽度为(τ-a)，a的取值范围为：-τ/2≤a≤τ/2。

对于双边平板型结构电机，位于每个初级上的永磁体3的充磁方向相同，但两个初级上永磁体3-1与3-2的充磁方向彼此相反，垂直于气隙，但指向相反的方向。

低推力波动独立绕组永磁直线电机上，小槽8的个数和永磁体3的块数为奇数，小齿2-4的个数则为偶数。

低推力波动独立绕组永磁直线电机上，小槽8的个数和永磁体3的块数为偶数，小齿2-4的个数则为奇数。

低推力波动独立绕组永磁直线电机的调磁结构9可以采用导磁调磁结构9-1，导磁调磁结构9-1的宽度为(2N+1)τ(N＝0，1，2….)。

低推力波动独立绕组永磁直线电机的调磁结构9可以采用空气、非导磁合金等非导磁调磁结构9-2，非导磁调磁结构9-2的宽度为(2N+1)τ，调磁结构两边的单元电机成为磁路上完全独立的两个电机。

低推力波动独立绕组永磁直线电机的实心调磁结构9可以采用开槽9-3结构，以减轻电机质量。

本发明可以采用单边平板型结构方案，对于单边平板型低推力波动独立绕组永磁直线电机，位于初级上的所有永磁体3的充磁方向均相同，为垂直于气隙方向。

本发明可以采用圆筒型结构，对于圆筒型低推力波动独立绕组永磁直线电机，位于初级上的永磁体3的充磁方向相同，为垂直于气隙，指向半径方向。

本发明的优点是：

1、本发明的低推力波动独立绕组永磁直线电机，绕组和永磁体均位于初级上，独立绕组结构使绕组绕制工艺简单，易于实现冷却，有利于提高电磁负荷，从而提搞推力密度。

2、本发明的低推力波动独立绕组永磁直线电机上，通过两个单元电机之间的调磁结构设计，使电机特殊磁极结构产生的偶数次电磁和磁势谐波得以抵消，较之于无调磁结构，可以使电机的推力波动率由30％以上下降到4％以内；

3、本发明的低推力波动独立绕组永磁直线电机，次级结构简单，易于加工，采用双初级结构时，理想情况下次级上无单边磁拉力，采用单边结构时，单边磁拉力远小于传统永磁同步直线电机。次级质量轻，用作动子时，相同的输出推力下，可以获得更大的加速度和速度。

3、本发明的低推力波动独立绕组永磁直线电机，每个大槽下，通过永磁体及相邻的铁心形成N-S交替的磁场，较之于传统两块充磁方向相反永磁体形成N-S磁场结构，永磁体用量减半，且永磁体的块数与电机的过载性能相关，可以灵活设置不同块数的永磁体，以满足不同应用场合对电机输出性能及成本要求；

4、本发明的低推力波动独立绕组永磁直线电机，易于实现各单元电机及各相绕组模块化设计及应用，各单元电机相对独立，各相之间的磁耦合也很小，当某个单元电机或某相绕组故障时，不影响其它单元电机及其它相，易于实现容错控制，有利于提高电机的可靠性。

附图说明

图1为实施方式一双边平板型低推力波动独立绕组永磁直线电机结构示意图。

图2为单个初级铁心结构示意图

图3为次级铁心结构示意图

图4为最大磁链位置处磁力线示意图。

图5为最小磁链位置处磁力线示意图。

图6为实施方式二每个槽下采用奇数个永磁体单个齿槽结构示意图。

图7为实施方式三每个槽下采用偶数个永磁体单个齿槽结构示意图。

图8为实施方式四调磁结构采用导磁调磁结构示意图。

图9为实施方式五调磁结构为非导磁调磁结构示意图。

图10为实施方式六调磁结构上开槽的电机结构示意图。

图11为实施方式七单边平板型低推力波动独立绕组永磁直线电机结构示意图。

图中：1-电枢绕组；2-初级铁心；2-1-初级铁心轭；2-2-初级铁心大齿；2-3-初级铁心内轭；2-4-初级铁心小齿；3-永磁体；4-气隙，5-次级铁心；6-次级间隙；7-大槽；8-小槽，9-调磁结构，9-1-导磁调磁结构，9-2-非导磁调磁结构；9-2-开槽。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明

实施方式一：

如图1、2、3所示，本实施例为双边平板型低推力波动独立绕组永磁直线电机。它包括两个初级组件、一个次级组件和两个气隙。单个初级组件包括电枢绕组1、初级铁心2和永磁体3。初级铁心2内部开大槽7，相邻大槽之间为大齿2-3，大槽7的个数为相数M的整数倍，槽内设置电枢绕组1，初级铁心2在面向气隙4的初级铁心内轭2-3上开n个小槽8(n为整数，n≥1)，形成小槽8和初级铁心小齿2-4相间隔结构，小槽8内安装永磁体4。对于三相电机，相邻相初级铁心齿顶2-3宽度为(k±2/3)τ，K为奇数。次级组件为导磁的次级铁心5及次级间隙6组成。相邻次级铁心5之间的距离为2τ，即按照周期为2τ 形成阵列。初级组件和次级组件之间形成气隙4。M个初级大槽7及其对应的次级、气隙结构，形成一个单元电机。初级铁心2上，相邻单元电机之间设置间距为(2N+1)τ(N＝0，1，2….)的调磁结构9，起到调节不同单元电机磁场谐波的作用，相邻单元电机中同相绕组1-1和1-2的相位需反向设。该电机的每个初级上，永磁体3充磁方向为同一方向，但不同初级组件上永磁体3-1与3-2方向相反，为垂直于气隙，但指向相反的方向。为改善磁场分布，永磁体3和小齿的宽度可以分别设计为τ+a，τ-a，a的取值为-0.5τ≤a≤0.5τ

本发明的低推力波动独立绕组永磁直线电机的工作过程和原理如下：

如图4、5所示，初级永磁体发出的磁通，经气隙4、次级铁心5、初级铁心小齿2-4、初级铁心大齿2-3，形成串联磁通闭合回路，并与电枢绕组1匝链，随着动子运动，次级和初级相对位置变化，与电枢绕组匝链的磁通大小和方向发生变化，从而在电枢绕组1中产生感应电势。在电枢绕组中通入相应的电流，电机即产生水平方向的推力。

实施方式二：

如图6所示，本实施例与实施例一的区别是：每个槽下设置多块永磁体，奇数个永磁体3和偶数个小齿2-4交替布置。

实施方式三：

如图7所示，本实施例与实施例二的区别是：每个槽下设置多块永磁体，偶数个永磁体3和奇数个小齿2-4交替布置。。

实施方式四：

如图8所示，本实施例与实施例一、六的区别是：调磁结构9采用导磁调磁结构9-1，可以与初级铁心成为一体化结构，导磁调磁结构9-1的宽度为(2N+1)τ(N＝0，1，2….)。

实施方式五：

如图9所示，本实施例与实施例一的区别是：调磁结构9采用空气、非导磁合金等非导磁调磁结构9-2，非导磁调磁结构9-2的宽度为(2N+1)τ，调磁结构两边的单元电机成为磁路上完全独立的两个电机。

实施方式六：

如图10所示，本实施例与实施例一、六、七的区别是：采用实心的调磁结构9上可以采用开槽9-3结构，以减轻电机质量。

实施方式七：

如图11所示，本实施例与实施例一的区别是：电机采用单边平板型结构，位于初级上的所有永磁体3的充磁方向均相同，为垂直于气隙方向。

Claims (10)

1.低推力波动独立绕组永磁直线电机，它包括初级组件、次级组件和气隙，可以采用平板型或者筒型结构。初级组件包括电枢绕组1、初级铁心2和永磁体3。初级铁心2内部开大槽7，相邻大槽之间为大齿2-3，大槽7的个数为相数M的整数倍，槽内设置电枢绕组1，初级铁心2在面向气隙4的初级铁心内轭2-3上开n个小槽8(n为整数，n≥1)，形成小槽8和初级铁心小齿2-4相间隔结构，小槽8内安装永磁体4。对于三相电机，相邻相初级铁心齿顶2-3宽度为(k±2/3)τ，K为奇数。次级组件为导磁的次级铁心5及次级间隙6组成。相邻次级铁心5之间的距离为2τ，即按照周期为2τ形成阵列。初级组件和次级组件之间形成气隙4。M个初级大槽7及其对应的次级、气隙结构，形成一个单元电机。初级铁心2上，相邻单元电机之间设置间距为(2N+1)τ(N＝0，1，2....)的调磁结构9，起到调节不同单元电机磁场谐波的作用，相邻单元电机中同相绕组1-1和1-2的相位需反向设置。

2.根据权利要求1所述的低推力波动独立绕组永磁直线电机，其特征在于，小槽8和永磁体3的宽度为(τ+a)，小齿2-4的宽度为(τ-a)，a的取值范围为：-τ/2≤a≤τ/2。

3.根据权利要求1所述的低推力波动独立绕组永磁直线电机，其特征在于，对于双边平板型结构的电机，位于每个初级上的永磁体3的充磁方向相同，但两个初级上永磁体3-1与3-2的充磁方向彼此相反，垂直于气隙，但指向相反的方向。

4.根据权利要求1所述的低推力波动独立绕组永磁直线电机，其特征在于，小槽8的个数和永磁体3的块数为奇数，小齿2-4的个数则为偶数。

5.根据权利要求1所述的低推力波动独立绕组永磁直线电机，其特征在于，小槽8的个数和永磁体3的块数为偶数，小齿2-4的个数则为奇数。

6.根据权利要求1所述的低推力波动独立绕组永磁直线电机，其特征在于，调磁结构9可以采用导磁调磁结构9-1，导磁结构的宽度为(2N+1)τ(N＝0，1，2....)。

7.根据权利要求1所述的低推力波动独立绕组永磁直线电机，其特征在于，调磁结构9可以采用空气、非导磁合金等非导磁调磁结构9-2，非导磁调磁结构9-2的宽度为(2N+1)τ，调磁结构两边的单元电机成为磁路上完全独立的两个电机。

8.根据权利要求1、6、7所述的低推力波动独立绕组永磁直线电机，其特征在于，实心的调磁结构9上可以采用开槽9-3方案，以减轻电机质量。

9.根据权利要求1所述的低推力波动独立绕组永磁直线电机，其特征在于，对于单边平板型结构的电机，位于初级上的所有永磁体3的充磁方向均相同，为垂直于气隙方向。

10.根据权利要求1所述的低推力波动独立绕组永磁直线电机，其特征在于：对于圆筒型结构的电机，位于初级上的永磁体3的充磁方向相同，为垂直于气隙，指向半径方向。