CN102403872A - 定位力补偿型直线永磁同步电机 - Google Patents

定位力补偿型直线永磁同步电机 Download PDF

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Abstract

定位力补偿型直线永磁同步电机，属于电机技术领域。它解决了目前减小直线电机的推力波动的方法只能在一定程度上抑制电机的推力波动，同时又会降低电机有效推力的问题。它的初级与次级之间为气隙，初级包括电枢铁心和电枢绕组，初级为表贴式电枢绕组结构或齿槽结构，通过在初级电枢铁心两端的轭部增加补偿部件，并利用永磁体进行隔磁，使补偿部件与次级永磁体相互作用产生的磁阻力同初级铁心与次级永磁体相互作用产生的磁阻力相互抵消，进而使电机前后端部作用力相互抵消。本发明适用于直线永磁同步电机。

Description

定位力补偿型直线永磁同步电机
技术领域
本发明涉及一种定位力补偿型直线永磁同步电机，属于电机技术领域。
背景技术
推力波动是直线电机振动与噪音产生的原因，特别是在电机低速运行时，推力波动可能引起共振，从而恶化电机伺服运行特性，例如定位精度。
直线电机推力波动的产生有多种成因，其中包括由于端部效应和齿槽效应引起的推力波动，由于直线电机制造精度对直线电机推力输出的影响，以及相电流整流波形与线圈不匹配而引起的直线电机的推力输出发生变化。
对于永磁直线电机，由于初级铁心纵向端部及定子永磁体的存在，即使在电机绕组不通电的情况下，也存在着明显的纵向端部效应力，称为端部定位力Fend，它是引起推力特性波动的主要成分，如图13所示，在初级铁心两个端部存在明显的端部效应。端部定位力Fend与初级铁心几何尺寸和绕组结构、电机极距、永磁体极宽等诸多因素相关，是极距的周期函数，其幅值主要取决于极距与有效气隙的比值，与直线电机驱动电流无关。对于引起推力波动的端部定位力Fend，可以通过改变初级铁心的长度及端部形状，使得通过气隙进入绕组铁心的励磁磁通保持较好的一致性，从而使得端部定位力Fend降低。
永磁同步直线电机的初级铁心使用开槽硅钢叠片聚合磁路。导磁介质的不连续使电机的气隙磁场在空间上沿纵向分布不均匀，在不同的纵向位置上通过气隙进入电机初级铁心的磁通有所不同，从而产生齿槽定位力Fslot，并引起推力波动。Fslot与齿距密切相关，是齿距的周期函数，与直线电机驱动电流无关。对于引起推力波动的齿槽定位力Fslot，理论上可以通过合理选择极槽配合、初级斜槽、次级永磁体斜极、优化永磁体宽度与齿槽形状等方法使其减小。
上述方法只能在一定程度上抑制电机的推力波动。即使同时采用上述方法，也不可能完全消除由于电机结构带来的推力波动，同时还可能增加电机加工成本及降低电机有效推力。
发明内容
本发明是为了解决目前减小直线电机的推力波动的方法只能在一定程度上抑制电机的推力波动，同时又会降低电机有效推力的问题，提供一种定位力补偿型直线永磁同步电机。
本发明所提供的第一种技术方案：
定位力补偿型直线永磁同步电机，它包括初级和次级，所述初级与次级之间为气隙，初级包括电枢铁心和电枢绕组，所述电枢绕组为表贴结构，
所述初级还包括隔磁永磁体，电枢铁心沿其与次级相对运动方向的两端的电枢铁心内分别嵌入隔磁永磁体，该隔磁永磁体平行贯穿于所在电枢铁心。
本发明所提供的第二种技术方案：
定位力补偿型直线永磁同步电机，它包括初级和次级，所述初级与次级之间为气隙，初级包括电枢铁心和电枢绕组，所述初级为齿槽结构，
所述初级还包括隔磁永磁体和补偿齿，电枢铁心沿其与次级相对运动方向的两端分别设置有一个补偿齿，该电枢铁心两端的轭部均嵌入有隔磁永磁体，该隔磁永磁体平行贯穿于所在电枢铁心轭部。
本发明所提供的第三种技术方案：
定位力补偿型直线永磁同步电机，它包括初级和次级，所述初级与次级之间为气隙，初级包括电枢铁心和电枢绕组，所述初级为齿槽结构，
所述初级还包括隔磁永磁体和补偿齿，电枢铁心沿其与次级相对运动方向的两端分别设置有一个补偿齿，每个补偿齿的齿根部沿齿高方向嵌入有两块隔磁永磁体，该隔磁永磁体平行贯穿于所在补偿齿。
本发明所提供的第四种技术方案：
定位力补偿型直线永磁同步电机，它包括初级和次级，所述初级与次级之间为气隙，初级包括电枢铁心和电枢绕组，
所述初级还包括隔磁环、补偿铁心和机壳，
电枢铁心为圆筒形，
电枢铁心的气隙侧表面沿其与次级的相对运动方向均匀开有环形槽，电枢绕组为环形绕组，电枢绕组嵌放在环形槽中；
或者电枢绕组为环形绕组，电枢绕组粘贴在电枢铁心的气隙侧表面上；
电枢铁心轴向的两端均依次设置一个隔磁环和一个补偿铁心；
所述隔磁环、补偿铁心及电枢铁心的外圆表面均与机壳的内环表面固定；
所述隔磁环由低电阻率材料制成；
所述机壳由非磁性材料制成。
本发明的优点是：本发明通过在电枢铁心两端的轭部增加补偿部件，并利用永磁体进行隔磁，使补偿部件与次级永磁体相互作用产生的磁阻力同初级铁心与次级永磁体相互作用产生的磁阻力相互抵消，达到电机前后端部作用力相互抵消的目的，从而从原理上抑制了电机的端部定位力，并且不会影响电机有效推力的输出；同时，还可以减小初级端部磁场与中间磁场的不平衡，使得初级两端绕组产生的电动势与中间绕组差异减小，从而减小了电磁力波动。
本发明的定位力小、振动与噪声低，电机效率高、定位精度高。
附图说明
图1为本发明实施方式一所述电机的结构示意图；
图2为本发明实施方式三所述电机的结构示意图，其初级为齿槽结构，隔磁永磁体为一个，隔磁永磁体的充磁方向垂直于所述电机的运动方向；
图3为本发明实施方式三所述电机的结构示意图，其初级为齿槽结构，隔磁永磁体为两个，隔磁永磁体的充磁方向垂直于所述电机的运动方向，并且隔磁永磁体的横截面为圆形；
图4为本发明实施方式三所述电机的结构示意图，其初级为齿槽结构，隔磁永磁体为两个，隔磁永磁体的充磁方向垂直于所述电机的运动方向，并且隔磁永磁体的横截面为方形；
图5为本发明实施方式四所述电机的结构示意图，其初级为齿槽结构，隔磁永磁体为两个，隔磁永磁体的充磁方向平行于所述电机的运动方向，并且隔磁永磁体的横截面为方形；
图6为本发明实施方式四所述电机的结构示意图，其初级为齿槽结构，隔磁永磁体为两个，隔磁永磁体的充磁方向平行于所述电机的运动方向，并且隔磁永磁体的横截面为半圆形；
图7为本发明实施方式四所述电机的结构示意图，其初级为齿槽结构，隔磁永磁体为两个，嵌放在一个电枢铁心的一个通孔中，并且隔磁永磁体的充磁方向平行于所述电机的运动方向，并且隔磁永磁体的横截面为形；
图8为本发明实施方式六所述电机的结构示意图，其初级为齿槽结构，隔磁永磁体为两个，隔磁永磁体的充磁方向平行于所述电机的运动方向，并且隔磁永磁体的横截面为方形；
图9为本发明实施方式七所述电机的结构示意图，其初级为齿槽结构，隔磁永磁体为两个，隔磁永磁体的充磁方向垂直于所述电机的运动方向，并且隔磁永磁体的横截面为方形；
图10为本发明实施方式七所述电机的结构示意图，其初级为齿槽结构，隔磁永磁体为两个，嵌放在一个电枢铁心的一个通孔中，并且隔磁永磁体的充磁方向垂直于所述电机的运动方向，并且隔磁永磁体的横截面为方形；
图11为本发明实施方式九所述电机的结构示意图；
图12为本发明实施方式十所述电机的结构示意图；
图13为现有永磁直线电机存在端部效应的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述定位力补偿型直线永磁同步电机，它包括初级和次级，所述初级与次级之间为气隙，初级包括电枢铁心1-1和电枢绕组1-2，所述电枢绕组1-2为表贴结构，
所述初级还包括隔磁永磁体1-3，电枢铁心1-1沿其与次级相对运动方向的两端的电枢铁心1-1内分别嵌入隔磁永磁体1-3，该隔磁永磁体1-3平行贯穿于所在电枢铁心1-1。
本实施方式所述次级由次级永磁体2-1和次级磁轭2-2构成。电枢绕组1-2粘贴固定在电枢铁心1-1的气隙侧表面上。隔磁永磁体1-3的横截面可以为圆形、半圆形、方形或其它形状。
本实施方式所述电机可以为平面永磁电机或横向磁通直线电机。
具体实施方式二：下面结合图2至图7说明本实施方式，本实施方式所述定位力补偿型直线永磁同步电机，它包括初级和次级，所述初级与次级之间为气隙，初级包括电枢铁心1-1和电枢绕组1-2，所述初级为齿槽结构，
所述初级还包括隔磁永磁体1-3和补偿齿1-4，电枢铁心1-1沿其与次级相对运动方向的两端分别设置有一个补偿齿1-4，该电枢铁心1-1两端的轭部均嵌入有隔磁永磁体1-3，该隔磁永磁体1-3平行贯穿于所在电枢铁心1-1轭部。
本实施方式所述次级由次级永磁体2-1和次级磁轭2-2构成。隔磁永磁体1-3的横截面可以为圆形、半圆形、方形或其它形状。
本实施方式所述电机可以为平面永磁电机或横向磁通直线电机。
具体实施方式三：下面结合图2至图4说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述电枢铁心1-1每一端的隔磁永磁体1-3为一个或两个，该隔磁永磁体1-3的充磁方向垂直于所述运动方向，并且所有隔磁永磁体1-3的充磁方向均相同。
具体实施方式四：下面结合图5至图7说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述电枢铁心1-1每一端的隔磁永磁体1-3为两个，该隔磁永磁体1-3的充磁方向与所述运动方向平行，位于电枢铁心1-1同一端的两个隔磁永磁体1-3的充磁方向相反，电枢铁心1-1两端的隔磁永磁体1-3的充磁方向呈镜向对称。
具体实施方式五：下面结合图8至图10说明本实施方式，本实施方式所述定位力补偿型直线永磁同步电机，它包括初级和次级，所述初级与次级之间为气隙，初级包括电枢铁心1-1和电枢绕组1-2，所述初级为齿槽结构，
所述初级还包括隔磁永磁体1-3和补偿齿1-4，电枢铁心1-1沿其与次级相对运动方向的两端分别设置有一个补偿齿1-4，每个补偿齿1-4的齿根部沿齿高方向嵌入有两块隔磁永磁体1-3，该隔磁永磁体1-3平行贯穿于所在补偿齿1-4。
本实施方式所述次级由次级永磁体2-1和次级磁轭2-2构成。隔磁永磁体1-3的横截面可以为圆形、半圆形、方形或其它形状。
本实施方式所述电机可以为平面永磁电机或横向磁通直线电机。
具体实施方式六：下面结合图8说明本实施方式，本实施方式为对实施方式五的进一步说明，所述隔磁永磁体1-3的充磁方向与所述运动方向平行，并且所有隔磁永磁体1-3的充磁方向均相同。
具体实施方式七：下面结合图9至图10说明本实施方式，本实施方式为对实施方式五的进一步说明，所述隔磁永磁体1-3的充磁方向与所述运动方向垂直，位于同一补偿齿1-4上的两块隔磁永磁体1-3的充磁方向相反，两个补偿齿1-4上相应的隔磁永磁体1-3的充磁方向相同。
具体实施方式八：本实施方式为对实施方式二或五的进一步说明，它还包括补偿绕组，电枢铁心1-1沿其与次级相对运动方向的两端轭部分别缠绕补偿绕组，所述补偿绕组为短路绕组。
具体实施方式九：下面结合11说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二或五的进一步说明，它还包括补偿绕组，补偿齿1-4的根部缠绕有补偿绕组，所述补偿绕组为短路绕组。
具体实施方式十：下面结合图12说明本实施方式，本实施方式定位力补偿型直线永磁同步电机，它包括初级和次级，所述初级与次级之间为气隙，初级包括电枢铁心1-1和电枢绕组1-2，
所述初级还包括隔磁环1-6、补偿铁心1-7和机壳1-5，
电枢铁心1-1为圆筒形，
电枢铁心1-1的气隙侧表面沿其与次级的相对运动方向均匀开有环形槽，电枢绕组1-2为环形绕组，电枢绕组1-2嵌放在环形槽中；
或者电枢绕组1-2为环形绕组，电枢绕组1-2粘贴在电枢铁心1-1的气隙侧表面上；
电枢铁心1-1轴向的两端均依次设置一个隔磁环1-6和一个补偿铁心1-7；
所述隔磁环1-6、补偿铁心1-7及电枢铁心1-1的外圆表面均与机壳1-5的内环表面固定；
所述隔磁环1-6由低电阻率材料制成；
所述机壳1-5由非磁性材料制成。
本实施方式所述次级由次级永磁体2-1和次级磁轭2-2构成；隔磁环1-6由低电阻率材料制成。
本实施方式所述电机可以为横向磁通电机。
本发明中，所有电机的次级永磁体2-1可以采用表面永磁体结构、内嵌永磁体结构、Halbach永磁体阵列结构或其它次级永磁体结构。

Claims (10)

1.一种定位力补偿型直线永磁同步电机，它包括初级和次级，所述初级与次级之间为气隙，初级包括电枢铁心(1-1)和电枢绕组(1-2)，所述电枢绕组(1-2)为表贴结构，其特征在于：
所述初级还包括隔磁永磁体(1-3)，电枢铁心(1-1)沿其与次级相对运动方向的两端的电枢铁心(1-1)内分别嵌入隔磁永磁体(1-3)，该隔磁永磁体(1-3)平行贯穿于所在电枢铁心(1-1)。
2.一种定位力补偿型直线永磁同步电机，它包括初级和次级，所述初级与次级之间为气隙，初级包括电枢铁心(1-1)和电枢绕组(1-2)，所述初级为齿槽结构，其特征在于：
所述初级还包括隔磁永磁体(1-3)和补偿齿(1-4)，电枢铁心(1-1)沿其与次级相对运动方向的两端分别设置有一个补偿齿(1-4)，该电枢铁心(1-1)两端的轭部均嵌入有隔磁永磁体(1-3)，该隔磁永磁体(1-3)平行贯穿于所在电枢铁心(1-1)轭部。
3.根据权利要求1或2所述的定位力补偿型直线永磁同步电机，其特征在于：所述电枢铁心(1-1)每一端的隔磁永磁体(1-3)为一个或两个，该隔磁永磁体(1-3)的充磁方向垂直于所述运动方向，并且所有隔磁永磁体(1-3)的充磁方向均相同。
4.根据权利要求1或2所述的定位力补偿型直线永磁同步电机，其特征在于：所述电枢铁心(1-1)每一端的隔磁永磁体(1-3)为两个，该隔磁永磁体(1-3)的充磁方向与所述运动方向平行，位于电枢铁心(1-1)同一端的两个隔磁永磁体(1-3)的充磁方向相反，电枢铁心(1-1)两端的隔磁永磁体(1-3)的充磁方向呈镜向对称。
5.一种定位力补偿型直线永磁同步电机，它包括初级和次级，所述初级与次级之间为气隙，初级包括电枢铁心(1-1)和电枢绕组(1-2)，所述初级为齿槽结构，其特征在于：
所述初级还包括隔磁永磁体(1-3)和补偿齿(1-4)，电枢铁心(1-1)沿其与次级相对运动方向的两端分别设置有一个补偿齿(1-4)，每个补偿齿(1-4)的齿根部沿齿高方向嵌入有两块隔磁永磁体(1-3)，该隔磁永磁体(1-3)平行贯穿于所在补偿齿(1-4)。
6.根据权利要求5所述的定位力补偿型直线永磁同步电机，其特征在于：所述隔磁永磁体(1-3)的充磁方向与所述运动方向平行，并且所有隔磁永磁体(1-3)的充磁方向均相同。
7.根据权利要求5所述的定位力补偿型直线永磁同步电机，其特征在于：所述隔磁永磁体(1-3)的充磁方向与所述运动方向垂直，位于同一补偿齿(1-4)上的两块隔磁永磁体(1-3)的充磁方向相反，两个补偿齿(1-4)上相应的隔磁永磁体(1-3)的充磁方向相同。
8.根据权利要求2或5所述的定位力补偿型直线永磁同步电机，其特征在于：它还包括补偿绕组，电枢铁心(1-1)沿其与次级相对运动方向的两端轭部分别缠绕补偿绕组，所述补偿绕组为短路绕组。
9.根据权利要求2或5所述的定位力补偿型直线永磁同步电机，其特征在于：它还包括补偿绕组，补偿齿(1-4)的根部缠绕有补偿绕组，所述补偿绕组为短路绕组。
10.一种定位力补偿型直线永磁同步电机，它包括初级和次级，所述初级与次级之间为气隙，初级包括电枢铁心(1-1)和电枢绕组(1-2)，其特征在于：
所述初级还包括隔磁环(1-6)、补偿铁心(1-7)和机壳(1-5)，
电枢铁心(1-1)为圆筒形，
电枢铁心(1-1)的气隙侧表面沿其与次级的相对运动方向均匀开有环形槽，电枢绕组(1-2)为环形绕组，电枢绕组(1-2)嵌放在环形槽中；
或者电枢绕组(1-2)为环形绕组，电枢绕组(1-2)粘贴在电枢铁心(1-1)的气隙侧表面上；
电枢铁心(1-1)轴向的两端均依次设置一个隔磁环(1-6)和一个补偿铁心(1-7)；
所述隔磁环(1-6)、补偿铁心(1-7)及电枢铁心(1-1)的外圆表面均与机壳(1-5)的内环表面固定；
所述隔磁环(1-6)由低电阻率材料制成；
所述机壳(1-5)由非磁性材料制成。
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