CN101496265B - 具有推力波动补偿的直线电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电机(1)的初级部件(2)，其中，该初级部件(2)由至少一个叠片铁芯(3)构成，且在叠片铁芯(3)的一个或两个端面(S1，S2)上具有至少一个用于减少推力波动的元件(11)，其中，所述元件(11)导电(κ_el＞0)，具有可以忽略不计的低磁导率(μ_r≌1)。

Description

具有推力波动补偿的直线电动机

技术领域

本发明涉及一种用于电机的初级部件，该初级部件由至少一个叠片铁芯构成，且在叠片铁芯的一个或两个端面上各自具备至少一个用于减少推力波动的元件。此外，本发明还涉及一种带有上述类型的初级部件的直线电动机。

背景技术

直线电动机具有初级部件和次级部件。次级部件特定而言置于初级部件的对面。初级部件设计用于激励电流。次级部件具有(例如)永磁体或可通电的绕组。无论初级部件还是次级部件均具有用于产生磁场的有源磁构件。

永磁直线电动机具有与结构相关的力的波动现象，这会对平稳运行和动力产生不利影响。

为了传导来自次级部件的励磁场和初级部件的主磁场的磁通，通常会在电动机的有源部分——即具有绕组的有源部分(初级部件)——中使用齿状叠片。励磁极与初级部件的齿状结构之间发生磁相互作用，导致产生寄生齿槽力，又称无源推力波动。其结果是加工过程中出现颤振、运行不稳定等现象及跟踪误差。此外，由于磁通量回路的缺乏，初级部件的端面上起始线圈和末端线圈内的感应电压——即电动势(EMK)——通常会小于中间线圈内的感应电压。其结果是，电动机的感应电压无法构成对称体系，而且除了力的损失外，还会产生额外的与电流相关的推力波动，这种推力波动又称有源推力波动。

发明内容

本发明的目的是开发一种能在减小齿槽力的同时平衡电动势的直线电动机。

这个目的通过权利要求1和8的特征而达成。有利的改进方案可从从属权利要求中获得。

与旋转电机不同的是，直线电动机具有固有的末端区域，电动机的电磁部分终止于这个末端区域。举例而言，如果将直线电动机设计成短定子结构，初级部件就具有两个末端区域，而这两个末端区域处于次级部件的影响范围内。初级部件的末端与次级部件相互作用，这对有源推力波动和无源推力波动产生重要影响。

根据本发明，所述直线电动机具有初级部件和次级部件，其中，初级部件和次级部件通过气隙彼此间隔布置。次级部件具有一组由永磁体构成的磁极。初级部件包括一个以上的叠片铁芯，其中，所述叠片铁芯由多个叠片构成。初级部件具有多个槽和齿，其中，这些槽用于容纳初级部件的绕组或线圈。例如，所述绕组可用作三相电网或三相交流电的三相绕组。

直线电动机的初级部件中特定而言建构有分数槽绕组和绕齿线圈，其中，初级部件的槽距与次级部件的极距不相等。例如，槽距与极距之比(槽距/极距)＝8/12、10/12、11/12、13/12、14/12、16/12。

电动机或叠片铁芯的一个或两个端面上布置有至少一个用于减少推力波动的元件，该元件设计为有源涡流阻尼元件，且在所有情况下均位于初级部件的最后一个槽或最后一个绕线齿上或旁边。

所述元件(下称“阻尼元件”)导电(κ_el＞0)，且具有低磁导率，即μ_r≌1。

电导率κ_el是表示物质导电能力的物理量。电导率κ_el与比电阻ρ之间存在关联，其中，电导率是比电阻的倒数(κ_el＝1/ρ)。

根据导电率可将物质划分成以下几种：

-导体(特定而言包括全部金属，κ_el＞0)，

-绝缘体或非导体(大部分非金属，κ_el≌0)，

-半导体(例如硅、锗)，其中，电导率处于导体和非导体之间的范围内，以及

-超导体，在低于与材料相关的转变温度的情况下，超导体的电导率为准“无穷大”。

磁导率μ确定的是物质传导磁场的能力，也可表示为磁通密度B与磁场强度H之比(μ＝B/H)，其中，μ等于物质的磁常数μ₀与相对磁导率μ_r的乘积(μ＝μ₀μ_r)。渗透系数μ_r

通常又称为相对磁导率(relative

)。

根据相对磁导率μ_r可将物质划分成以下几种：

-铁磁性物质(例如铁、钴、镍，μ_r＞＞1)，可显著增强磁场；

-顺磁性物质(例如铝、空气，μ_r≌1)，对磁场具有极小的增强作用；以及

-抗磁性物质(例如银、铜，μ_r＜1)，对磁场具有极小的削弱作用。

阻尼元件的阻尼作用通过涡流而实现，当初级部件在次级部件的磁道上运动时，阻尼元件的导电性会在阻尼元件中感应出涡流。涡流在初级部件中起到“反作用制动”(reaktive Bremse)的作用。借此使电动机的运行平稳性得到显著地改善。

阻尼作用与频率或速度相关。初级部件的运动速度越快，产生在阻尼元件中的涡流就越多，阻尼作用就越大。因此，速度大，阻尼作用就大；速度较小，阻尼作用就相应较小。

借助有源涡流阻尼元件可以改善直线电动机的推力波动。通过本发明的阻尼元件可以获得空间最优化和更加经济的解决方案。

阻尼元件有利地布置在用于机械耦合和热粘合的支承元件上。

支承元件的作用是将阻尼元件机械固定以及热粘合到初级部件的叠片铁芯上。整个初级部件通常借助叠片铁芯进行固定和冷却。因此，借助叠片铁芯来实现对阻尼元件的机械连接和热粘合是有利的，其优选实现方案是将支承元件与电动机的磁致激活叠片设计成一个整体。从支承元件为叠片铁芯的组成部分这一事实出发，由于叠片铁芯具有导磁性，因此，支承元件必须也具有导磁性(μ_r＞＞1)。

然而，为避免电动机磁通和推力的产生受到支承元件的影响，支承元件不应伸入次级部件磁体的磁致激活区域内，而是应与次级部件的磁体表面之间保持足够大的距离。该距离应大于叠片铁芯到磁体表面的距离，即大于初级部件与次级部件之间的气隙的距离。这样一个足够大的距离是自动达到的，因为阻尼元件自身即位于磁体附近的所述磁致激活区内，以便在次级部件磁体的强磁场中运动时，通过感应涡流实现期望的阻尼作用。与此同时，阻尼元件必须具备较低的磁导率，以免电动机的磁通发生畸变，从而使电动机推力的产生免受不利影响。

阻尼元件可以优选采用动力啮合、材料粘合或联锁的方式安装在支承结构或支承元件上，而该支承元件优选地设计成叠片的齿。阻尼元件通过适当的连接方式(例如粘接、旋接、带钩卡接或燕尾接合)安装在支承元件上，支承元件设计成叠片铁芯的支承齿。支承元件也可夹紧或压紧在叠片铁芯上。

阻尼元件优选采用可以使支承元件与阻尼元件之间进行热交换的布置方式。阻尼元件与电动机的叠片铁芯或单独的叠片之间存在热结合或热耦合，因为电机钢板和支承元件特定而言设计成一个整体。阻尼元件中的感应涡流会产生热量，应进行合理散热，否则就会出现过于剧烈的发热现象，从而令部件受损。

叠片铁芯与支承元件有利地设计成了一个整体。在制备叠片时就对支承元件进行建构，也就是说，由于可以采用简单和更加经济的方式制备带有支承元件的单个叠片，多个叠片可切割成一整块。

叠片铁芯和支承元件也可设计成两个部分，其中，支承元件可以通过动力啮合、材料接合或联锁的方式安装在叠片铁芯上。

阻尼元件有利地用固体铝(Al)或铜(Cu)制成。这些材料电导率高，价格低廉，并且容易加工。

有源阻尼元件设计为实心元件，这样当初级部件在次级部件的磁体上运动时，就可以借助阻尼元件中的感应涡流实现阻尼作用。与此同时，阻尼元件必须具有较低的磁导率，以免电动机的磁通发生畸变，从而使电动机的推力的产生免受不利影响。

在另一个实施例中，支承元件设计为至少部分或全部抵靠在相邻的线圈上，以便进行热交换。借此可改善线圈的冷却效果。

阻尼元件朝向气隙的表面优选地采用倒圆处理。例如，阻尼元件具有按规定半径进行倒圆的棱角。该措施有利于减小齿槽力。

无需为每个叠片配备支承元件。例如，每隔一个叠片设置一个支承元件。当初级部件为一体式初级部件时，即在初级部件仅具有一个叠片铁芯的情况下，可以在每个叠片的一个末端区域上只设置一个支承元件。随后单独的叠片可组装成叠片铁芯，例如，以便通过转动单个叠片，将支承元件向左或向右对齐。借此可使支承元件具有足够大的刚度。

阻尼元件也可采用使叠片铁芯的第一个和最后一个叠片分别具有支承元件的布置方式，这些支承元件的长度与叠片铁芯的主齿长度相符。较长的外侧叠片分别具有开口或孔，通过所述开口或孔，可以借助例如销钉将阻尼元件布置在外侧叠片之间。这两个带有较长支承元件的外侧叠片只会对初始的电动机磁通和电动机的推力的形成产生较为轻微的干扰。

为实现一种优化安装空间的直线电动机设计，尽量采用最小宽度，以及在支承齿(支承元件)与初级部件的电磁有效部分(绕组和叠片铁芯)之间使用尽可能小的距离。

此外，阻尼元件与相邻的叠片铁芯的绕线齿彼此间隔布置。

阻尼元件和相邻齿之间的距离有利地选定为与次级部件的极距相符，借此可与最后一个线圈实现程度尽可能大的磁链，进而使最后一个线圈的感应电压得到预期的提高。

为实现一种优化安装空间的直线电动机设计，尽量采用最小宽度，阻尼元件的间隔距离也应该尽可能地小。借此可给出阻尼元件与相邻的绕线齿之间的最佳距离，该距离小于次级部件的极距。然而，阻尼元件的间隔距离也可大于次级部件的极距。

直线电动机的初级部件可由多个在运动方向上前后布置的叠片铁芯构成。相应地，根据本发明，置于中部的叠片铁芯不具有阻尼元件，而只在初级部件的各末端(即初级部件的端面)上布置阻尼元件。其中，例如，通过旋转可将带有右侧元件的叠片变成带有左侧元件的叠片，以便在这些初级部件的端面上配置有无间隙元件。对于只带有一个叠片铁芯的初级部件的情况，即一体式初级部件，就在每个末端上都设置有阻尼元件。

根据本发明的另一实施例，有源阻尼元件和/或相应的支承元件并不延伸到叠片铁芯的整个宽度。叠片铁芯的宽度延伸方向垂直于初级部件的运动方向。就此举例而言，阻尼元件只在叠片铁芯的部分区域内延伸，其中，阻尼元件可以布置在叠片铁芯的中部。通过建构局部式阻尼元件，可以按照直线电动机的特定需求在无源推力波动和有源推力波动之间进行匹配。

本发明的初级部件优选用于直线电动机。所述初级部件也可用于旋转电机，其中，定子像例如分段式旋转电动机那样具有末端区域。

附图说明

下面联系附图并借助实施例对本发明另外的特征和技术细节进行详细说明，不过个别变体中所说明的各种特征和关联原则上也可以转用于所有实施例，其中：

图1为本发明的直线电动机的侧视图。

具体实施方式

图1为以原理形式示出的同步直线电动机1的侧视图，该电动机具有一个以上的叠片铁芯3，这些叠片铁芯构成了初级部件2，其叠片平行于绘图平面进行叠装。直线电动机1的运动方向如箭头R所示。初级部件2还具备线圈4。线圈4以不同的线圈4置于同一个槽6中的方式包围初级部件2的齿5。此外，直线电动机1还具备带有永磁体8的次级部件7。次级部件7定位于一个附图未详细示出的机身上。永磁体8以极距τ_M进行布置。极距τ_M也可通过布置在次级部件7中的激励绕组的电激励形成。初级部件2和次级部件7通过气隙δ彼此间隔布置。

初级部件2的槽距τ_N优选与次级部件的极距τ_M不相等。

叠片铁芯3的端面S1和S2上分别布置有用于减少推力波动的元件11。元件11(又称阻尼元件)导电，并具有尽可能小的磁导率。阻尼元件11由实心材料构成，以便于在阻尼元件11中产生涡流。阻尼元件11固定在支承元件10上，所述支承元件优选设计为叠片铁芯3的齿。

此外，带有支承齿10的阻尼元件11还具备与主齿5的长度L₅相符的长度L₁₀。

为了对电动机1实现一种优化安装空间的设计，尽量采用最小宽度B₁₀，以及使得带有阻尼元件11的支承元件10与初级部件2的最后一个线圈4之间的距离尽可能小，即小于极距τ_M。借此在最后一个线圈4与支承元件10之间建立良好的热接触，从而使最后一个线圈4得到有效冷却。

Claims (8)

1.一种用于直线电机(1)的初级部件(2)，其中，所述初级部件(2)包括至少一个叠片铁芯(3)，且在所述直线电机(1)的运动方向(R)上具有两个端面(S1，S2)，而在叠片铁芯(3)的一个端面或两个端面(S1，S2)上布置有至少一个用于减少推力波动的元件(11)，所述元件(11)导电(κ_el＞0)，且具有低磁导率，即μr≌1，

其特征在于，

所述叠片铁芯(3)的宽度垂直于所述直线电机(1)的运动方向(R)延伸，其中，所述元件(11)只在所述叠片铁芯(3)的宽度的部分区域内延伸。

2.根据权利要求1所述的初级部件(2)，其特征在于，

所述元件(11)布置在一个用于机械耦合和热粘合的支承元件(10)上。

3.根据权利要求2所述的初级部件(2)，其特征在于，

所述支承元件(10)布置在所述叠片铁芯(3)上，其中，所述支承元件(10)与所述叠片铁芯(3)一起建构成一个整体。

4.根据权利要求2或3所述的初级部件(2)，其特征在于，

所述元件(11)可以通过动力啮合、材料接合或联锁的方式安装在所述支承元件(10)上。

5.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的初级部件(2)，其特征在于，

所述元件(11)由实心的铝或铜制成。

6.根据权利要求2或3所述的初级部件(2)，其特征在于，

所述支承元件(10)至少部分抵靠在一个相邻的绕组或线圈(4)上。

7.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的初级部件(2)，其特征在于，

所述元件(11)朝向气隙(δ)的面和/或棱角设计成按规定半径经倒圆处理。

8.一种直线电动机(1)，具有至少一个初级部件(2)和至少一个次级部件(7)，其中，所述初级部件(2)和所述次级部件(7)通过气隙(δ)彼此间隔布置，且所述初级部件(2)由至少一个叠片铁芯(3)构成，而在叠片铁芯(3)的一个或两个端面(S1，S2)上具有至少一个用于减少推力波动的元件(11)，

其特征在于，

所述直线电动机(1)具有根据权利要求1至7中任意一项权利要求所述的初级部件(2)。

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