CN102255471B - 一种低定位力高推力直线开关磁通永磁电动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直线平板型开关磁通永磁电动机，该电动机包括次级定子和初级动子，初级动子包括截面为U型结构的U型铁心、永磁体、非导磁体间隔、导磁桥和初级三相绕组；在相邻两U型铁芯之间设有厚度相同的非导磁体间隔，导磁桥设置在U型铁心的顶部，在同一相的两个U型铁芯与导磁桥之间安装有两块厚度相同、充磁方向相反的永磁体；次级定子在正对初级动子的面上设有可用正弦波电流驱动的控制器来进行精密定位控制的极和槽；在初级动子U型铁心与次级的动子之间设有气隙。本发明用于直驱型交流传动系统中，不需要中间传动结构和变速装置。可用作数控机床的进给驱动系统直驱电机，也可以应用于具有定位功能的平动传输系统中。
Description
技术领域
本发明用于具有定位要求的平动传输或机床进给驱动等领域，涉及一种新型直线平板型开关磁通永磁电动机，具体地说是一种低定位力高推力直线开关磁通永磁电动机。
背景技术
目前，采用直线电机作为进给驱动电机的高档数控机床越来越成为行业的技术热点。这是由于随着加工过程中速度、加速度、精度以及工作行程方面的需求越来越高，传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的进给方式在各性能的提高方面受到局限，而直线电机在各性能的提高方面具有极大的潜力。但是，因为直线电机边端效应的存在，运行时磁场不均匀造成了推力波动较大缺点。而且由于直线电机直接与加工刀具连接，外部负载的扰动、摩擦力会直接传给直线电机。这就要求包括直线电机在内的进给驱动系统具有更高的动态性能和稳定性，对直线电机的设计和制造提出了更高的要求。
由于正弦波直线永磁电机具有高功率密度以及快速、精确的高控制性能，使其成为进给驱动用直线电机的首选。但安放在长次级定子上面的永磁体数量较多，费用较高，不利于直线电机的推广应用，于是制造廉价的开关磁阻型直线电机也成为该领域的选择之一。开关磁阻型直线电机的缺陷也是很明显的，其运行时推力波动较大，机械噪声一直是一个难以解决的问题。近年来，带有永磁的双凸极电机得到了很好的发展，特别是磁通切换型永磁电机具有永磁同步电机和开关磁阻电机的优点，受到业界极大的关注。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、推力大、定位力低的直线平板型磁通切换永磁电动机。该电动机用于直驱型交流传动系统中，不需要中间传动结构和变速装置。可用作数控机床的进给驱动系统直驱电机，也可以应用于具有定位功能的平动传输系统中。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种直线平板型开关磁通永磁电动机，其特征在于：该电动机包括次级定子和初级动子，初级动子包括截面为U型结构的U型铁心、永磁体、非导磁体间隔、导磁桥和初级三相绕组；在相邻两U型铁芯之间设有厚度相同的非导磁体间隔，导磁桥设置在U型铁心的顶部，在同一相的两个U型铁芯与导磁桥之间安装有两块厚度相同、充磁方向相反的永磁体；次级定子在正对初级动子的面上设有可用正弦波电流驱动的控制器来进行精密定位控制的极和槽；在初级动子U型铁心与次级的动子之间设有气隙。
本发明中，初级齿距τ t与次级极距τ p之间、相间距ρ与次级极距τ p之间符合以下要求： 
其中，m为整数；
其中，n为整数，使得电机的出力大、定位力小、且使得该电机可用正弦波电流驱动的控制器来进行精密定位控制。
U型铁芯由硅钢片叠制而成。永磁体采用钕铁硼材料，其充磁方向使得同一相中永磁体磁势串联、相邻相的磁路磁通环绕方向相反。一组结构相同的极和槽均匀分布在次级定子上并朝向气隙一侧。
次级定子可由整块导磁性较好的合金加工而成；初级每相绕组占用两个绕线槽，采用单层集中绕组方式。
本发明中，整个电机为平板型结构，初级动子的U型铁心、非导磁体间隔和三相绕组位于动子的下方，同相的两个U型铁芯顶部和导磁桥的两端之间安放两个充磁方向相反、厚度相同的永磁体。次级定子与初级动子齿相对的一面为间隔相等的极，初级动子与次级定子之间留有气隙。
该直线平板型开关磁通永磁电动机的初级槽数与次级极数之间、初级齿距τ t与次级极距τ p之间、以及相间距ρ与次级极距τ p之间具有确定的数量关系，使得该电机的各项性能得到优化、适用于低速、高推力的精密传动系统中。
该直线电动机的永磁体采用钕铁硼材料，其充磁方向使得同一相中永磁体磁势串联、相邻相的永磁磁通环绕方向相反的充磁及安放方式。
本发明的有益效果如下：
1、直接连接驱动，无需中间传动结构，减少中间机械损耗，提高提高系统可靠性和稳定性。
2、与相同用途的直线永磁同步电动机比较，具有相当的推力密度，具有更低的制造成本；与相同用途的直线开关磁阻电机比较，具有更高的推力密度和相当的制造成本。
3、初级齿/槽和次级极/槽采用优化设计，减少了定位力，减少了磁场谐波，提高电机的定位精度。
4、永磁体和绕组安放于初级上，有利于散热和冷却，提高电机的出力和使用寿命，且永磁体的安放和加工简单。
5、次级为单一导磁体极/槽结构，结构简单、可靠，加工成本低廉。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2是电机的纵向截面图及尺寸标注示意图。其中，τ t为初级齿距，τ p为次级极距、ρ为相间距。
具体实施方式
一种本发明所述的新型直线平板型开关磁通永磁电动机，包括初级铁芯21、永磁体22、导磁桥24、非导磁间隔23、三相绕组3、次级动子1和气隙4，如图1。整个电机为平板型结构，两块充磁方向相反的永磁体安放于同相的两个U型铁心与导磁桥两端之间，形成闭合磁路。初级三相绕组以单层集中绕组方式嵌于初级铁芯的U型槽之内，气隙位于电机初级和次级之间。初级铁芯可由硅钢片叠制而成，次级定子气隙侧为间隔相同的U形极和槽结构，可由整块导磁性较好的合金加工而成。
为满足三相绕组互差120电角度的要求，初级动子的每相绕组在空间上的距离为
其中，n为整数，图2是电机的纵向截面图及尺寸标注示意图。其中，τ t为初级齿距，τ p为次级极距、ρ为相间距。在图2中n=6；τ p为次级极距，一个次级极距的长度相当于该电机的360电角度，即该电机的一个次级极相当于永磁同步电机的一对极。按照分数槽原理，如果初级槽数为6，则次级极数可选为1、5、7、11、13、17、19、23……。为得到较大的推力密度和较低的同步速度，该直线电机应采用少槽多极结构，图1所示电机为6槽/17极电机。工作速度范围由槽/极数和极距来决定，在实际应用中可根据实际要求来选择电机的槽/极数和次级的极距。
为了使得该直线电动机的定位力达到最小，采用磁导调制原理，对初级动子的齿距进行优化。图1所示电动的初级齿距τt与次级极距τp之间满足如下关系：
其中，m为整数，在图1所示电机中m=1。
满足以上尺寸关系的直线平板型开关磁通永磁动电机在驱动控制时，可使用正弦波电流控制方式的逆变器来进行驱动控制。该直线电机的运行原理可以等效为永磁同步直线电机的工作原理，由以上描述可知，该直线电机的极距极小，因此控制时可以达到更高的定位精度。
Claims (2)
1.一种直线平板型开关磁通永磁电动机，其特征在于：该电动机包括次级定子（1）和初级动子（2），初级动子（2）包括截面为U型结构的U型铁心（21）、永磁体（22）、非导磁体间隔（23）、导磁桥（24）和初级三相绕组（3）；在相邻两U型铁芯（21）之间设有厚度相同的非导磁体间隔（23），导磁桥（24）设置在U型铁心（21）的顶部，在同一相的两个U型铁芯（2.1）与导磁桥（24）之间安装有两块厚度相同、充磁方向相反的永磁体（22）；次级定子（1）在正对初级动子（2）的面上设有可用正弦波电流驱动的控制器来进行精密定位控制的极（11）和槽(12)；在初级动子（2）的U型铁心（21）与次级的动子（1）之间设有气隙（4）；初级齿距τ t与次级极距τ p之间、相间距ρ与次级极距τ p之间符合以下要求： 
其中，m为整数；
其中，n为整数，满足用正弦波电流驱动的控制器来进行精密定位控制。
2.根据权利要求1所述的直线平板型开关磁通永磁电动机，其特征在于：一组结构相同的极（11）和槽(12)均匀分布在次级定子（1）上并朝向气隙（4）一侧。
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