CN101958633A - 一种基于组合铁芯初级的永磁同步直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于组合铁芯初级的永磁同步直线电机，包括次级和初级，初级由一个以上的铁芯模块构成，初级铁芯模块按依次两两间的机械角距差为mτ/k安放在次级模块上。每一初级铁芯模块和次级构成了一个模块电机，整体电机运行时相当于各模块电机按均匀的相差联合运行，多个铁芯的边端可消去边端磁阻力的谐波成分产生主要影响的低阶频率成分；当铁芯模块数为电源相数的整数倍时，各相绕组在边端具有对称轮序的特征，同时又消除电磁推力脉动。本发明除具有一般直线电机的优点外，又具有与旋转电机相当的本体特性和控制性能，为永磁同步直线电机提高应用效果、扩大应用领域提供了性能优越的电机本体。

Description

一种基于组合铁芯初级的永磁同步直线电机

技术领域

本发明涉及直线电机领域，具体涉及一种永磁同步直线电机。

背景技术

旋转电机三相绕组沿周向结构对称循环，三相绕组参数对称恒定，电磁转矩的谐波分量较小。直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线。直线电机包括初级和次级，初级由铁芯和绕组构成，由于初级铁芯不能像旋转电机那样具有闭合圆环的形状，而是长直、两端开断的铁芯，造成了很大的端部磁阻力，由于端部的气隙磁阻随运动位置发生急剧变化，造成端部磁阻力的值大幅度波动。初级铁芯边端开断，同时引起各相绕组参数不对称，造成较大幅度的电磁推力脉动，严重恶化了直线电机的控制特性。边端效应产生的磁阻力和电磁推力脉动是电机推力波动的主要成分，是电机推力波动幅度大的主要因素。对边端磁阻力问题，大量的研究积极探索消去其基频影响的方法，相对有效的手段是有限元数字仿真优化结合频谱分析，但针对基频削弱边端磁阻力的方法所能降低磁阻力波动幅度仍不能达到理想的要求，边端磁阻力由于波动幅值较大，仍然是目前存在的影响直线电机性能改善的主要因素之一。边端效应引起的电磁推力脉动在电机结构设计上尚无有效的方法，主要依靠电机控制方案抑制，影响了电机的控制效果、增加了控制耗费。由于边端效应问题本身的复杂性，已有的各种削弱边端效应影响的理论和方法在适用范围、应用效果均有较大局限，未能全面有效解决边端效应问题，直接影响了永磁同步直线电机的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于组合铁芯初级的永磁同步直线电机，可消除边端效应产生的推力波动。

一种基于组合铁芯初级的永磁同步直线电机，包括次级和初级，其特征在于，次级包含一个次级模块或一个以上的横向平行放置的次级模块，次级模块纵向上布置有交替等距排列的N极和S极磁钢；初级由一个以上的铁芯模块构成，初级铁芯模块按依次两两间的机械角距差为mτ/k安放在次级模块上，τ为极距，k为初级铁芯模块个数，m为不整除k的正整数。

作为优化，k为电机电源相数的整数倍。

作为优化，所述铁芯模块纵向安放在同一次级模块上，相邻铁芯模块的位置差为2nτ+mτ/k，n为正整数。

座位优化，所述初级铁芯模块横向对齐地安放在不同次级模块上，相邻次级模块的相同极性磁钢错位mτ/k。

作为优化，在I个次级模块上均纵向安放有J个铁芯模块，不同次级模块上的铁芯模块横向对齐，同一次级模块上的相邻铁芯模块的位置差为nτ+mτ/(I*J)，相邻次级模块的相同极性磁钢错位mτ/I。

作为优化，所述次级横向绕成筒形。

作为优化，所述m与k互为质数。

本发明的技术效果体现在：本发明直线电机包括组合铁芯初级和次级两大部分。每一初级铁芯模块和次级构成了一个模块电机，整体电机运行时相当于各模块电机按均匀的相差联合运行。由此构成的电机2k个铁芯边端可消去边端磁阻力的谐波成分产生主要影响的低阶频率成分；作为优化，当k等于电机电源相数或为电源相数的整数倍时，各相绕组在边端具有对称轮序的特征，同时又消除电磁推力脉动。本发明直线电机除具有一般直线电机具有的传动结构简单、系统加减速响应快、定位精确等优点外，因消除了直线电机边端效应产生的电机推力波动，使永磁同步直线电机具有了与旋转电机相当的本体特性和控制性能，为永磁同步直线电机提高应用效果、扩大应用领域提供了性能优越的电机本体。

附图说明

图1是永磁同步直线电机多模块铁芯移位组合图；

图2是三模块组合铁芯初级永磁同步直线电机绕组特性图；

图3是平板型次级磁钢移位组合铁芯初级永磁同步直线电机示意图，其中图3a是平面示意图，图3b是三维立体示意图；

图4是平板型多排多列铁芯模块组合初级永磁同步直线电机示意图；

图5是圆筒形三模块组合铁芯初级永磁同步直线电机示意图；

图6是圆筒型次级磁钢移位的组合铁芯初级永磁同步直线电机示意图；

图7是平板型六槽三模块组合铁芯初级永磁同步直线电机的示意图；

图8是平板型十二槽三模块组合铁芯初级永磁同步直线电机的示意图；

图9是六槽三模块组合铁芯初级和单模块初级推力曲线比较图(I＝4.5A)，其中，图9a是组合模块曲线，图9b是单模块曲线。

图10是6槽组合模块电机与单模块电机电磁力脉动曲线对比图，其中10a是组合模块曲线，图10b是单模块曲线。

图11是6槽组合模块电机与单模块电机边端磁阻力曲线对比图，其中，图11a是组合模块曲线，图11b是单模块曲线。

图12是12槽组合模块电机与单模块电机电机推力曲线对比图(I＝4.5A)，其中，图12a是组合模块曲线，图12b是单模块曲线。

图13是12槽组合模块电机与单模块电机边端磁阻力曲线对比图，其中，图13a是组合模块曲线，图13b是单模块曲线。

图14是12槽组合模块电机与单模块电机电磁力脉动曲线对比图，其中，图14a是组合模块曲线，图14b是单模块曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是采用多模块铁芯移位组合的平板型电机结构图，图中电机初级由k个铁芯模块沿次级纵向而移距nτ+τ/k后由非导磁材料刚性联接组合而成，相邻铁芯模块间的机械角距相差τ/k，τ为极距。该组合铁芯初级消除了k阶及其倍频以外的边端磁阻力全部频率成分，具体原理说明如下。

由于k个模块依次按机械角差移距组合，则第1，2，…，k个模块相对第一个模块的机械角距差依次为：

0， $\frac{\mathrm{\τ}}{K},$ $\frac{2\mathrm{\τ}}{K},......,$ $\frac{(K-2)\mathrm{\τ}}{K},$ $\frac{(K-1)\mathrm{\τ}}{K}$

由边端磁阻力计算式，第1个模块磁阻力表述为：

$F_{\mathrm{end}}^1\left(x\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n\sin \frac{2\mathrm{n\π}}{\mathrm{\τ}}x\sin {\mathrm{\δ}}_n$

式中x为第一个铁芯模块位移，Fn为n阶频率的幅值，δ_n为选取纵向(即X轴方向)座标原点对应的初相角。

则k个铁心模块组合初级的边端磁阻力为：

$F_{\mathrm{end}}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n\left[\sin \frac{2\mathrm{n\π}}{\mathrm{\τ}}(x+\frac{(i-1)\mathrm{\τ}}{k})\right]\sin {\mathrm{\δ}}_n$

$=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n\sin {\mathrm{\δ}}_n[\sin \frac{2\mathrm{n\π}}{\mathrm{\τ}}x\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\cos \frac{2(i-1)\mathrm{n\π}}{k}+\cos \frac{2\mathrm{n\π}}{\mathrm{\τ}}x\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\sin \frac{2(i-1)\mathrm{n\π}}{k}]$

所以，当n为k的整数倍时，

$\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\cos \frac{2(i-1)\mathrm{n\π}}{k}=k,$ $\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\sin \frac{2(i-1)\mathrm{n\π}}{k}=0;$

当n非为k的整数倍时，三角函数求和式均为零值。

由此得到k模块组合铁芯的边端磁阻力计算式：

$F_{\mathrm{end}}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}k{F}_{\mathrm{nk}}\sin \frac{2\mathrm{nk\π}}{\mathrm{\τ}}x\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{nk}}$

此式表明，边端磁阻力中只包含k阶倍频成分，其余频率成分均得到消去。从以上推导过程可进一步得出，当k个铁芯模块在其对应次级的磁片上的位置相互间按机械角距相差mτ/k布置，τ为极距，m为不整除k的任一正整数，若m与k互质时，则得到与机械角距相差τ/k布置的组合铁芯相同的边端磁阻力计算式，具有完全相同的消除磁阻力的效果；若m与k有公约数q时，边端磁阻力中将只包含k/q阶倍频成分，其余频率成分均得到消去。

为了更好的说明本发明工作原理，图2给出了一个实例，该实例采用三模块组合铁芯初级。图中组合铁芯初级为三相电源，单模块为对称均布六槽双极电机初级铁芯结构，相邻两模块间相距

即电相差4τ/3，则对应图中三模块槽的绕组接线相序如下：

|A Y C X B Z|，|B Z A Y C X|，|C X B Z AY|。其中，A、B、C为绕组的三相电流相序，X、Y、Z分别对应其反相电流相序。按图2方式的组合铁芯不仅消除了3阶及其倍频以外的边端磁阻力全部频率成分，而且由于初级结构各相绕组具有边端对称轮序特征，同时还可消除边端效应造成电磁推力脉动。对其原理说明如下。

将组合铁芯初级的磁链向量记为Ψ，三相绕组的电流记为i_a、i_b、i_c，自感系数和互感系数分别为L_a、L_bb、Lcc和M_ab、M_ba、M_ca、M_ac、M_cb、M_bc；永磁体等效电流为i_f，三相绕组和励磁绕组间的互感系数为M_af，M_bf，M_cf。对应不同模块电感参数再加入相应模块编号1、2、3作为上标加以区分，不加模块编号的参数为组合铁芯初级的参数。

由磁链方程可给出组合铁芯初级与每一模块的各相绕组电感参数关系式：

$\mathrm{\ψ}=\left[\begin{array}{ccc}{L}_{\mathrm{aa}}& M_{\mathrm{ab}}& M_{\mathrm{ac}}\\ M_{\mathrm{ba}}& L_{\mathrm{bb}}& M_{\mathrm{bc}}\\ M_{\mathrm{ca}}& M_{\mathrm{cb}}& L_{\mathrm{cc}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{M}_a\\ M_b\\ M_c\end{array}\right]i_f$

$=\left[\begin{array}{ccc}\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{aa}}^{\left(i\right)}& \underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{ab}}^{\left(i\right)}& \underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{ac}}^{\left(i\right)}\\ \underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{ba}}^{\left(i\right)}& \underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{bb}}^{\left(i\right)}& \underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{bc}}^{\left(i\right)}\\ \underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{ca}}^{\left(i\right)}& \underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{cb}}^{\left(i\right)}& \underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{cc}}^{\left(i\right)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{M}_a\\ M_b\\ M_c\end{array}\right]i_f$

单模块中各相绕组间的自感和互感参数为位置的函数，均含有高次谐波，可分别由Fourier级数形式表述如下。

自感系数：

$L_{\mathrm{aa}}^{\left(1\right)}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=L_{\mathrm{aa}1}+L_{\mathrm{aa}2}\cos 2{\mathrm{\θ}}_1+L_{\mathrm{aa}2}3\cos 4{\mathrm{\θ}}_1+L=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{aan}}\cos 2(n-1){\mathrm{\θ}}_1$

$L_{\mathrm{bb}}^{\left(1\right)}\left({\mathrm{\θ}}_2\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{bbn}}\cos 2(n-1){\mathrm{\θ}}_2$

$L_{\mathrm{cc}}^{\left(1\right)}\left({\mathrm{\θ}}_3\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ccn}}\cos 2(n-1){\mathrm{\θ}}_3$

互感系数为：

$M_{\mathrm{ab}}^{\left(1\right)}=M_{\mathrm{ba}}^{\left(1\right)}=M_{\mathrm{ab}1}+M_{\mathrm{ab}2}\cos 2{\mathrm{\θ}}_3+M_{\mathrm{ab}3}\cos 4{\mathrm{\θ}}_3+L$

$=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{abn}}\cos 2(n-1){\mathrm{\θ}}_3$

$M_{\mathrm{bc}}^{\left(1\right)}=M_{\mathrm{cb}}^{\left(1\right)}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{bcn}}\cos 2(n-1){\mathrm{\θ}}_1$

$M_{\mathrm{ca}}^{\left(1\right)}=M_{\mathrm{ac}}^{\left(1\right)}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{can}}\cos 2(n-1){\mathrm{\θ}}_2$

θ₁，θ₂，θ₃分别为a、b、c三相绕组的电相角。各相电流相差有如下关系：

${\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{\θ}}_1-\frac{2\mathrm{\π}}{3},$ ${\mathrm{\θ}}_3={\mathrm{\θ}}_1+\frac{2\mathrm{\π}}{3}.$

由于各模块结构相同，不同模块中相同空间位置的线圈具有相同的电感表达式，只是相位不同。由此，上式中由各模块同相电流绕组参数求和得到的组合铁芯初级的电感矩阵元素全部可代换成模块1内的对应位置绕组参数求和得到，同时注意到电感参数以π为周期，故组合铁芯初级的自感元素计算式可推导如下：

$L_{\mathrm{aa}}=L_{\mathrm{aa}}^{\left(1\right)}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+L_{\mathrm{aa}}^{\left(2\right)}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+L_{\mathrm{aa}}^{\left(3\right)}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)$

$=L_{\mathrm{aa}}^{\left(1\right)}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+L_{\mathrm{cc}}^{\left(1\right)}({\mathrm{\θ}}_3+\frac{4\mathrm{\π}}{3})+L_{\mathrm{bb}}^{\left(1\right)}({\mathrm{\θ}}_2+\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

$=L_{\mathrm{aa}}^{\left(1\right)}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+L_{\mathrm{bb}}^{\left(1\right)}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+L_{\mathrm{cc}}^{\left(1\right)}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)$

$=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(L_{\mathrm{aan}}^{\left(1\right)}+L_{\mathrm{bbn}}^{\left(1\right)}+L_{\mathrm{ccn}}^{\left(1\right)})\cos 2(n-1){\mathrm{\θ}}_1$

同理，

$L_{\mathrm{bb}}=L_{\mathrm{bb}}^{\left(1\right)}\left({\mathrm{\θ}}_2\right)+L_{\mathrm{bb}}^{\left(2\right)}\left({\mathrm{\θ}}_2\right)+L_{\mathrm{bb}}^{\left(3\right)}\left({\mathrm{\θ}}_2\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(L_{\mathrm{aan}}^{\left(1\right)}+L_{\mathrm{bbn}}^{\left(1\right)}+L_{\mathrm{ccn}}^{\left(1\right)})\cos 2(n-1){\mathrm{\θ}}_2$

$L_{\mathrm{cc}}=L_{\mathrm{cc}}^{\left(1\right)}\left({\mathrm{\θ}}_3\right)+L_{\mathrm{cc}}^{\left(2\right)}\left({\mathrm{\θ}}_3\right)+L_{\mathrm{cc}}^{\left(3\right)}\left({\mathrm{\θ}}_3\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(L_{\mathrm{aan}}^{\left(1\right)}+L_{\mathrm{bbn}}^{\left(1\right)}+L_{\mathrm{ccn}}^{\left(1\right)})\cos 2(n-1){\mathrm{\θ}}_3$

同样可推导出组合铁芯初级的互感元素计算式。由

$M_{\mathrm{bc}}^{\left(2\right)}=M_{\mathrm{cb}}^{\left(2\right)}=M_{\mathrm{ab}}^{\left(1\right)}({\mathrm{\θ}}_3+\frac{4\mathrm{\π}}{3})$

$M_{\mathrm{ab}}^{\left(2\right)}=M_{\mathrm{ba}}^{\left(2\right)}=M_{\mathrm{ac}}^{\left(1\right)}({\mathrm{\θ}}_2+\frac{4\mathrm{\π}}{3})$

$M_{\mathrm{ac}}^{\left(2\right)}=M_{\mathrm{ca}}^{\left(2\right)}=M_{\mathrm{cb}}^{\left(1\right)}({\mathrm{\θ}}_1+\frac{4\mathrm{\π}}{3})$

$M_{\mathrm{bc}}^{\left(3\right)}=M_{\mathrm{cb}}^{\left(3\right)}=M_{\mathrm{ac}}^{\left(1\right)}({\mathrm{\θ}}_2+\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

$M_{\mathrm{ab}}^{\left(3\right)}=M_{\mathrm{ba}}^{\left(3\right)}=M_{\mathrm{cb}}^{\left(1\right)}({\mathrm{\θ}}_1+\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

$M_{\mathrm{ac}}^{\left(3\right)}=M_{\mathrm{ca}}^{\left(3\right)}=M_{\mathrm{ab}}^{\left(1\right)}({\mathrm{\θ}}_3+\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

进一步得出：

$M_{\mathrm{ab}}=M_{\mathrm{ab}}^{\left(1\right)}+M_{\mathrm{ab}}^{\left(2\right)}+M_{\mathrm{ab}}^{\left(3\right)}$

$=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[M_{\mathrm{abn}}^{\left(1\right)}\cos 2(n-1){\mathrm{\θ}}_3+M_{\mathrm{can}}^{\left(1\right)}\cos 2(n-1)({\mathrm{\θ}}_2+\frac{\mathrm{\π}}{3})+M_{\mathrm{cbn}}^{\left(1\right)}\cos 2(n-1)({\mathrm{\θ}}_1+\frac{2\mathrm{\π}}{3})]$

$=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[M_{\mathrm{abn}}^{\left(1\right)}+M_{\mathrm{bcn}}^{\left(1\right)}+M_{\mathrm{can}}^{\left(1\right)}]\cos 2(n-1){\mathrm{\θ}}_3$

同理可得，

$M_{\mathrm{bc}}=M_{\mathrm{bc}}^{\left(1\right)}+M_{\mathrm{bc}}^{\left(2\right)}+M_{\mathrm{bc}}^{\left(3\right)}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[M_{\mathrm{abn}}^{\left(1\right)}+M_{\mathrm{bcn}}^{\left(1\right)}+M_{\mathrm{can}}^{\left(1\right)}]\cos 2(n-1){\mathrm{\θ}}_1$

$M_{\mathrm{ca}}=M_{\mathrm{ac}}^{\left(1\right)}+M_{\mathrm{ac}}^{\left(2\right)}+M_{\mathrm{ac}}^{\left(3\right)}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[M_{\mathrm{abn}}^{\left(1\right)}+M_{\mathrm{bcn}}^{\left(1\right)}+M_{\mathrm{can}}^{\left(1\right)}]\cos 2(n-1){\mathrm{\θ}}_2$

从以上推导结果可以看到，组合铁芯初级各相绕组具有完全相同的自感和互感参数，各相对应磁链对称循环。由此证明了组合铁芯初级具有各相绕组参数的空间对称和恒定性。

进一步考察组合铁芯直线电机的电磁推力波动特性，参照旋转电机，由于组合铁芯初级具备了三相绕组参数对称恒定特性，参数可改写为如下形式：

自感

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{aa}}={\lg }_1+{\lg }_2\cos 2{\mathrm{\θ}}_1\\ L_{\mathrm{bb}}={\lg }_1+{\lg }_2\cos 2{\mathrm{\θ}}_2\\ L_{\mathrm{cc}}={\lg }_1+{\lg }_2\cos 2{\mathrm{\θ}}_3\end{array}\right.$

互感

$\left\{\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{ab}}=M_{\mathrm{ba}}=-M_{\mathrm{ab}1}+{\lg }_2\cos 2{\mathrm{\θ}}_3\\ M_{\mathrm{bc}}=M_{\mathrm{cb}}=-M_{\mathrm{ab}1}+{\lg }_2\cos 2{\mathrm{\θ}}_1\\ M_{\mathrm{ca}}=M_{\mathrm{ac}}=-M_{\mathrm{ab}1}+{\lg }_2\cos 2{\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right.$

当采用电流矢量控制时，由于电感参数对称且为常数，即可以得到d、q轴间完全解耦的理想磁链方程，直线电机的推力与伺服电流成线性关系，边端效应引起的推力谐波成分将被消除。

通过对图2所示的三模块组合铁芯初级绕组特性的分析，可进一步得到以下结论：按本发明提出的技术方案得到的k铁芯模块组合初级，当k等于电机电源相数或为电源相数的整数倍时，各相绕组在边端将具有对称轮序的特征，各相绕组具有完全对称恒定的参数，则可消除由边端效应引起的电磁推力脉动；消除边端效应后的永磁同步直线电机，与旋转电机具有相当的推力特性和控制性能，可直接引用旋转电机的相关技术和方法处理直线电机进一步的技术问题，如电源谐波和励磁谐波发生的推力波动抑制。

下面给出几个具体实施例：

实施例一：

图3a和图3b为平板型次级磁钢移位的组合铁芯初级永磁同步直线电机示意图，是图1和图2所示电机的铁芯模块组合型式的一种变化。该实施例由横向布置的铁芯模块1、2、3，用25％Ni钢7刚性联接形成组合铁芯初级，与之对应有次级模块4、5、6。铁芯模块1、2、3其在次级上的纵向相对位置相同，次级模块4、5、6依次纵向移距τ/3布置即通过磁片移位使得相邻次级模块的N或S级磁片在纵向上错位τ/3，由此构成了平板型次级磁钢移位的组合铁芯初级永磁同步直线电机。该电机等同于初级铁芯模块1、2、3与次级模块4、5、6分别组成的3个电相差为∏/3的单元电机移相联合运行，具有与图1和图2所示的电机相同的消除边端效应的特性。

实施例二：

图4为平板型多排多列铁芯模块组合的初级永磁同步直线电机示意图，是图3所示电机的铁芯模块组合型式的一种变化。该实施例所示电机，其次级包含三个横向布置的次级模块，初级为3排3列共9个铁芯模块组合。在次级模块7上按两两间角距差为τ/9纵向布置有铁芯模块1、2、3，次级模块7、8、9间按角距差τ/3两两移相，各次级模块上布置的铁芯模块横向对齐，由此得到了各铁芯模块间机械角距差均为τ/9。该电机等同于9个电相差为π/9的单元电机移相联合运行，与图3所示的电机一样，具有消除边端效应的特性。

在本实施例得到的均匀相差布置方式的基础上，当一个次级模块相对其它次级模块保持纵向平行的条件下，该次级模块及其上的初级模块整体在空间移动或转动而获得的新的布置方式，均不影响各单元电机间依就保持π/9的相差的特性。

本实施例给出的是铁芯模块为三排三列，但不局限于此安放方式，比如次级模块7、8、9上分别安放五、三、一个铁芯模块，同一次级上的铁芯模块间移距仍将分别为τ/9，而次级模块8相对次级模块7错位5τ/9，次级模块9相对次级模块7错位8τ/9，保证次级模块8的第一个铁芯模块与次级模块7的最后一个铁芯模块机械角距差为τ/9，次级模块9的第一个铁芯模块与次级模块8的最后一个铁芯模块机械角距差也为τ/9。

实施例三：

图5为圆筒形三模块组合铁芯初级永磁同步直线电机，相当于由图2所示的电机沿横向绕成筒形得到。该电机其初级由圆环形铁芯模块1、2、3构成，铁芯模块间依次纵向间距nτ+τ/3(n为正整数，以模块间电磁影响小为原则选取，须保证间距大于τ+L，L为铁芯长度)，用含Mn12％～18％的高锰无磁钢15刚性联接形成组合铁芯初级。次级铁芯为与初级铁芯模块同轴心的轴状结构，其纵向按极距τ依次循环排列有环状N、S极磁钢。

实施例四：

图6为圆筒型次级磁钢移位的组合铁芯初级永磁同步直线电机示意图。是图3a和图3b所示电机的铁芯模块组合型式的一种变化，相当于由图3a和图3b所示电机沿横向绕成筒形得到。该实施例由同轴圆周上均匀布置的铁芯模块1、2、3，用18Cr-8Ni系奥氏体不锈钢4刚性联接形成组合铁芯初级，次级模块5、6、7与初级铁芯模块对应，在同轴心的圆柱面上周向均匀分布，纵向按极距τ交替排列有圆弧形N、S极磁钢。铁芯模块1、2、3具有相同的纵向相对位置，次级5、6、7的同极性磁钢依次纵向错位τ/3，由此构成了圆筒型次级磁钢移位的组合铁芯初级永磁同步直线电机。该电机具有与图3所示电机相同的消除边端效应的特性。

实施例五：

图7为六槽三铁芯模块组合初级永磁直线电机。该实施例中，初级为三铁芯模块组合，三相交流电源。初级铁芯模块，2极，槽数为6，铁芯模块的长度L＝83.4mm、高H＝44mm，宽W＝50mm，槽距t＝9.2mm，线圈匝数为100、电流4.5A，极距τ＝32mm，磁隙δ＝1，各铁芯模块纵向间移距3τ+2τ/3＝117.33mm。对应图中各模块槽的绕组接线相序如下：

|A Y C X B Z|，|Z A Y C X B|，|B Z A Y CX|。其中，A、B、C为绕组的三相电流相序，X、Y、Z分别对应其反相电流相序。

应用大型商用电磁仿真软件对本实施例进行仿真计算，仿真结果曲线分别为六槽组合模块电机推力曲线(I＝4.5A)图9a、单模块电机推力曲线(I＝4.5A)图9b、组合模块电机电磁力脉动曲线图10a、单模块电机电磁力脉动曲线图10b、组合模块电机边端磁阻力曲线图11a、单模块电机边端磁阻力曲线图11b。比较图9a和图9b表明，若电机推力波动幅度按推力波动幅值除以推力平均值衡量，推力波动幅度由单模块电机的30.6％下降到组合模块电机的7.8％，推力波动性下降3.9倍；比较图10a和图10b表明，若边端磁阻力幅度按边端磁阻力幅值除以推力平均值衡量，边端磁阻力幅度由单模块电机的28％下降到组合模块电机的1.8％，边端磁阻力影响下降15.6倍；比较图11a和图11b表明，若电磁推力脉动幅度按电磁推力脉动幅值除以推力平均值衡量，电磁推力脉动幅度由单模块电机的16.0％下降到组合模块电机的1.0％，电磁推力脉动影响下降16倍。

实施例六

图8为十二槽三铁芯模块组合初级永磁同步直线电机。该实施例中，初级为三铁芯模块组合，3相交流电源。初级铁芯模块，4极，槽数12，铁芯的长度L＝149.5mm，高H＝44mm，宽W＝50mm，槽距t＝9.8mm，线圈匝数100、电流4.5A，极距τ＝32mm，磁隙δ＝1，各铁芯模块间间移距6τ+τ/3＝202.67mm。对应图8中各模块槽的绕组接线相序如下：|A Y C X B Z A Y C X B Z |，|Y C X B Z A Y C X B Z A |，|CX B Z A Y C X B Z A Y |。其中，A、B、C为绕组的三相电流相序，X、Y、Z分别对应其反相电流相序。

运用仿真软件对其进行仿真，仿真结果曲线分别为十二槽组合模块电机推力曲线(I＝4.5A)图12a、单模块电机推力曲线(I＝4.5A)图12b、组合模块电机电磁力脉动曲线图13a、单模块电机电磁力脉动曲线图13b、组合模块电机边端磁阻力曲线图14a、单模块电机边端磁阻力曲线图14b。比较图12a和图12b表明，若电机推力波动幅度按推力波动幅值除以推力平均值衡量，推力波动幅度由单模块电机的17.8％下降到组合模块的2.8％，推力波动性下降6.4倍；比较图13a和图13b表明，若边端磁阻力幅度按边端磁阻力幅值除以推力平均值衡量，边端磁阻力幅度由单模块电机的13.0％下降到组合模块电机的1.0％，边端磁阻力影响下降13倍。比较图14a和图14b表明，若电磁推力脉动幅度按电磁推力脉动幅值除以推力平均值衡量，磁推力脉动幅度由单模块电机的10.9％下降到组合模块电机的1.6％，电磁推力脉动影响下降6.8倍。

Claims (7)

1.一种基于组合铁芯初级的永磁同步直线电机，包括次级和初级，其特征在于，

次级包含一个次级模块或一个以上的横向平行放置的次级模块，次级模块纵向上布置有交替等距排列的N极和S极磁钢；

初级由一个以上的铁芯模块构成，初级铁芯模块按依次两两间的机械角距差为mτ/k安放在次级模块上，τ为极距，k为初级铁芯模块个数，m为不整除k的正整数。

2.根据权利要求1所述的永磁同步直线电机，其特征在于，k为电机电源相数的整数倍。

3.根据权利要求1所述的永磁同步直线电机，其特征在于，所述铁芯模块纵向安放在同一次级模块上，相邻铁芯模块的位置差为2nτ+mτ/k，n为正整数。

4.根据权利要求1所述的永磁同步直线电机，其特征在于，所述初级铁芯模块横向对齐地安放在不同次级模块上，相邻次级模块的相同极性磁钢错位mτ/k。

5.根据权利要求1所述的永磁同步直线电机，其特征在于，在I个次级模块上均纵向安放有J个铁芯模块，不同次级模块上的铁芯模块横向对齐，同一次级模块上的相邻铁芯模块的位置差为nτ+mτ/(I*J)，相邻次级模块的相同极性磁钢错位mτ/I。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的永磁同步直线电机，其特征在于，所述次级横向绕成筒形。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的永磁同步直线电机，其特征在于，所述m与k互为质数。

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