CN101814819A - 独立正弦驱动式永磁同步容错直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

独立正弦驱动式永磁同步容错直线电机

技术领域：

本发明涉及电工、电机、控制技术领域，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。

背景技术：

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。

发明内容：

本发明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。

本发明的技术解决方案是：

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。

本发明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。

本发明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，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，将检测结果传给控制器，由控制器确定绕组线圈电流大小及方向，与一般永磁同步直线电机相比，该电机具有高能量密度、高可靠性以及较高的容错能力等优点。

本发明一方面保留了永磁同步直线电机结构简单、效率高、推力体积比大等优点，另一方面借鉴halbach阵列布置方式以及容错电机绕组的连接方式，通过永磁体排列方式以及绕组连接方式的变化，引入容错齿结构，同时采用各相独立的单相全桥正弦功率逆变器供电，具有推力波动小、高能量密度、高可靠性以及高容错能力等优点，可用于对系统可靠运行有较高要求的高精密加工领域，特别是对连续运行有严格要求的野外采矿、军事、航空航天等应用场合。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的电机单相绕组的正弦驱动电流工作原理示意图；

图中实线：电机长定子局部halbach磁感应强度分布线；

虚线：电机单相绕组驱动电流工作特性。

图2为本发明电机主视图；

图3为本发明电机俯视图；

图4为本发明电机左视图；

图5为本发明电机电枢截面图；

以上附图是以动子四相、单边型永磁同步容错直线电机结构来说明的，根据电机运行原理，同样可适用于动子六相、八相、或其他相数的单边和双边型永磁同步容错直线电机。

具体实施方式

以四相单边型永磁同步容错直线电机为例，见附图2、3、4、5。本发明的永磁同步容错直线电机包括底座3，固定于底座3中央最下端的位置的扁平形非导磁长背铁11，固定于背铁11上的扁平形halbach永磁阵列长定子12，固定在长定子12上方的扁平形齿槽结构动子1，定子12与动子1之间具有很小的气隙18，固定于底座3两侧的直线导轨副5、22与位移传感器6、20，固定在直线导轨副两末端的挡块4，固定在位移传感器6、20两末端的限位开关7，固定在动子两端的挡块21，连接在动子1与位移传感器动尺6之间的连接块10，连接在位移传感器动尺6与直线导轨副动导轨22之间的连接块9，扁平形非导磁背铁2固定在动子1上方，动子1包括容错齿13及19、电枢齿15、绕在电枢齿上的集中绕组16以及位于电枢集中绕组下端的霍尔传感器17，动子槽14位于容错齿与电枢齿之间。

考虑到制造成本、功率驱动电路复杂度和容错运行性能，一般采用长度较长的halbach永磁阵列作为定子，相对静止不动；动子长度较短，在定子上方做相对平动；动子相数的合理选择范围为四相、六相和八相。

扁平形长定子12采用halbach永磁阵列(图5中箭头方向为S极指向N极方向)，使得定子永磁气隙磁场具有单边正弦性，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，且无需背铁引导磁路，简化了结构。

扁平形齿槽结构动子1由足够多的截面如图5所示的硅钢片冲片叠压而成，动子容错齿13与电枢齿15相互间隔排列，每个动子槽14中只有一套绕组。以本示例的四相单边型永磁同步容错直线电机来说，动子共有4个电枢齿及其相绕组，5个容错齿。

长定子halbach永磁阵列产生的单边正弦磁场在不同位置(相角度)磁感应大小和方向不同，为了使动子在运动过程中始终受到固定一方向的磁推力，应保证动子各相绕组线圈的极面长度为长定子halbach永磁阵列正弦波半波波长。

为了降低动子各相总合成电磁推力的脉动量，提高起动性能，动子相数n取为偶数，且n≥4，并使得与动子等长度的定子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(工作)，每相绕组都采用独立的单相全桥正弦功率逆变器供电。相绕组线圈5下端的霍尔传感器7用于检测线圈在不同位置所处的磁感应强度，以控制相绕组线圈通入电流情况。

底座3中的槽8用于动子各相绕组及长定子halbach永磁阵列的散热，并使得动子相绕组线圈不与底座相碰。

工作之前，动子处于某水平位置上，长定子halbach永磁阵列产生单边正弦磁场，各相绕组不通电，则动子不运动。此时，动子依靠直线导轨副支承。

工作时，各相绕组通电，与halbach永磁阵列单边正弦磁场相互作用产生正方向电磁推力(相绕组通电电流反向，即可获得负方向电磁推力)，带动动子向某一固定水平方向运动，动子运动到不同位置时，由相绕组线圈下端的霍尔传感器检测出线圈所处的磁场强度，确定线圈通电情况，直线导轨副的动导轨与位移传感器动尺一起随动子运动，用于动子在运动过程中的支承与位置检测。

工作结束后，各相绕组线圈断电或通入反向电流制动，动子逐渐停止运动，并由直线导轨副对其进行支承。

Claims (5)

1.一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。

2.根据权利要求1所述的独立正弦驱动式永磁同步容错直线电机，其特征是：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。

3.根据权利要求1或2所述的独立正弦驱动式永磁同步容错直线电机，其特征是：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。

4.根据权利要求1或2所述的独立正弦驱动式永磁同步容错直线电机，其特征是：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。

5.根据权利要求1或2所述的独立正弦驱动式永磁同步容错直线电机，其特征是：动子与两侧底座之间有间隔槽。

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