CN102412700B

CN102412700B - 低速高推力密度直线电机

Info

Publication number: CN102412700B
Application number: CN 201110443116
Authority: CN
Inventors: 樊英; 於锋; 邹国棠; 程明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: CN102412700A

Abstract

本发明涉及一种低速高推力密度直线电机，该装置包括电机短初级、与电机短初级相对设置且隔一条气隙(5)的电机长次级；电机短初级包括定子铁芯(1)、均匀分布在定子铁芯(1)外周的定子齿(3)、定子绕组(2)、定子永磁体(4)；定子铁芯(1)采用开口槽定子结构，即定子铁芯（1）上开设有定子槽（8），定子永磁体(4)均匀分布在相邻的两个定子齿(3)之间，定子绕组(2)嵌入定子槽(8)内；电机长次级包括动子轭(7)，动子永磁体(6)；动子永磁体(6)沿水平方向间隔地且等距离地嵌放在动子轭(7)上。本发明采用定子齿代替磁齿轮中的调磁环，简化加工工艺，提高装置的可靠性，减小系统制造成本。

Description

低速高推力密度直线电机

技术领域

本发明涉及一种新型磁场调制式永磁直驱直线电机，可实现低速高推力密度，属于直线电机技术。

背景技术

永磁同步直线电机具有结构简单、反应速度快、随动性好、免维护等突出优点，在高性能直线驱动系统获得广泛应用。然而，其也存在推力波动幅值大的明显缺点，直接影响定位和轨迹跟踪精度，带来低速时的运动平稳性问题。通常的调速措施只能获得低速，并不增加转矩，限制了永磁同步直线电机性能的提高和应用领域的扩大。传统采用齿轮箱作为中间环节进行调速，以增加电机次级速度，而齿轮箱使整个传动系统体积和重量增加，同时还有噪声、磨损、响应慢等问题。磁场调制式永磁电机是一种最近提出的直驱式电机，它的核心部分是磁齿轮的应用，磁齿轮是一种新型的齿轮结构，它具有噪声低、可靠性高、转矩传输能力大、过载保护等优点。然而，也存在结构复杂，需较高的工艺水平。因此，有必要提出一种新型磁场调制式永磁直线电机。

发明内容

技术问题：本发明针对传统直线电机在低速时推力密度相对较低的问题，提出一种低速高推力密度直线电机，解决现有传动装置中的机械增速齿轮箱功率密度低、机械磨损和噪音等问题，同时对新型磁齿轮复合电机双气隙机构进行改进，省去由导磁块和非导磁材料构成的调磁固定部件，并在定子齿间上嵌入永磁体，本发明的内容是围绕直线电机具有低速高推力密度运行性能而进行设计的。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种低速高推力密度直线电机，该装置包括电机短初级、与电机短初级相对设置且隔一条气隙的电机长次级；

电机短初级包括定子铁芯、均匀分布在定子铁芯外周的定子齿、定子绕组、定子永磁体；定子铁芯采用开口槽定子结构，即定子铁芯上开设有定子槽，定子永磁体均匀分布在相邻的两个定子齿之间，定子绕组嵌入定子槽内；

电机长次级包括动子轭，动子永磁体；动子永磁体沿水平方向间隔地且等距离地嵌放在动子轭上。

优选的，该电机只有一层气隙，分布在定子铁芯与动子轭之间。

优选的，定子永磁体材料和动子永磁体材料均为稀土钕铁硼，每块永磁体均采用径向充磁，定子永磁体和动子永磁体在气隙两侧的极性相反。

优选的，定子齿与定子槽组合用于进行磁场调制，且满足长度均为L的短初级定子齿个数

Figure 2011104431169100002DEST_PATH_IMAGE002

等于长次级动子永磁体极对数与短初级电枢绕组极对数

之和。

优选的，定子绕组是由三相电枢绕组组成，每相由若干个集中绕组线圈组成。

优选的，定子铁芯和动子轭的材料均为硅钢片。

有益效果：

（1） 省去了机械增速齿轮箱，基于磁场调制的游标式结构提高了装置可靠性，特别适用于低速高推力密度的工况，减小了电机的体积、重量和制造成本。

（2） 电机中有更多的磁力线通过气隙，实现大幅度提高气隙磁密，因此气隙磁密的有效谐波成份值比普通磁场调制式永磁直线电机高，从而提高了电机的推力密度、快速响应。

（3） 动子永磁体之间通过铁心隔离，阻断了各永磁体中涡流电流的相互流动，降低了转子永磁体中的涡流损耗。

（4） 电机为紧凑型单气隙结构，有效减小磁阻阻抗，加工工艺简单，稳定性及可靠性得到提高。

（5） 单气隙两侧的永磁体设计，使电机漏磁减少，从而减少了损耗。

（6） 动子永磁体采用高磁能积钕铁硼励磁，替代电励磁，不存在电刷和滑环装置，具有体积小、重量轻、功率密度高、损耗小以及电气控制更为简单等优点。

（7） 动子永磁体采用表面插入式结构，能使直线电机运行速度范围广，实行弱磁控制，获得良好的运行性能。

（8） 无接触的变速结构，可有效抑制推力波动。

（9） 合理设计相同长度L短初级定子永磁体与长次级转子永磁的极对数便可实现装置推力脉动小，控制精度高等特点。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中有：定子铁芯1、定子绕组2、定子齿3、定子永磁体4、气隙5、动子永磁体6、动子轭7、定子槽8。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明提供的低速高推力密度游标式直线电机，单气隙两侧的游标式结构具有磁齿轮的传动性能，通过电机中初级定子齿的磁场调制作用，既继承磁齿轮无接触变速传动的优点又省去磁齿轮复合电机中的调磁环固定部件，解决传统永磁直线电机低速时效率和功率因数相对较低的问题，实现低速时具有高推力密度的运行性能，同时单气隙的紧凑型设计，有效提高气隙磁密。该装置包括电机动子轭7、动子永磁体6、定子铁芯1、定子永磁体4、定子绕组2。定子铁芯1采用开口槽定子结构，定子永磁体4沿水平方向均匀嵌放在两个定子齿3之间；动子永磁体6沿水平方向间隔地且等距离地嵌放在动子轭7上。定子齿3与定子槽8组合替代磁齿轮中的调磁环部件进行磁场调制，满足长度均为L的定子齿个数

等于动子永磁体极对数

与电枢绕组极对数

之和，合理选择速度变比参数

(

)，实现稳定高效的传递推力和功率，可应用于低速大推力的直驱场合。本发明通过合理设计定子齿代替传统磁齿轮中的调磁环结构，简化加工工艺，提高装置的可靠性，减小系统制造成本。

本发明公开一种新型低速高推力密度游标式直线电机，充分利用磁场调制原理，通过电机中定子齿的磁场调磁作用，实现无接触变速传动，解决了传统电机低速运行推力波动大、电气控制复杂的缺点，也省去了磁齿轮复合电机中独立的调磁环，同时单气隙的设计，使电机整体结构更紧凑，减小电机的体积。同时定子上增加了永磁体，提高了气隙磁密，减少了漏磁，降低铁芯损耗，并且具有良好的抗过载能力，提高了输出推力。该装置包括电机动子轭7、动子永磁体6、定子铁芯1、定子齿3、定子永磁体4、定子绕组2。动子永磁体6沿水平方向间隔地且等距离地嵌放在动子轭7上，定子铁芯1采用开口槽定子结构，定子齿3与定子槽8组合替代磁齿轮中的调磁环部件进行磁场调制。

该电机动子和定子上都有永磁体,利用有限元可以优化调整永磁体宽度和厚度，与传统的双气隙磁齿轮复合电机相比，它能提供更大的有效磁场谐波成份和输出推力密度。

本发明是一种磁场调制式的新型低速高推力密度游标式直线电机，在电机定子铁芯1上开有齿槽，在齿槽里安装定子绕组2，通过时产生永磁同步直线电机所需的行波磁场；定子永磁体4均匀地嵌放在定子两个齿3之间，提高单气隙磁密；在电机次级动子轭7上，间隔地且等距离地嵌放着径向充磁的钕铁硼动子永磁体6，以形成励磁磁场。

所述的定子铁芯1、动子轭7由硅钢片制成。

所述的电机定子齿槽替代由导磁块和非导磁材料组成的固定调磁环部件，实现磁场调制。

所述的初级定子绕组2采用分数集中绕组，导线用量减小，端部发热少，更高的槽满率，有利于提高电机的推力密度。

所述的定子永磁体4材料和动子永磁体6材料均为稀土钕铁硼，每块永磁体均采用径向充磁，定子永磁体4和动子永磁体6在气隙两侧的极性相反。

所述的新型低速高推力密度游标式直线电机包括单边平板式、双边平板式和圆筒式子等多种直线电机形式。

本发明的基本原理为磁齿轮调磁环的空间磁场调制原理，利用空间谐波传递能量，满足相同长度为L的短初级定子齿个数为长次级动子永磁体极对数

与短初级电枢绕组极对数之和的关系，

与

的比值即为该游标式直线电机的无接触传动速比，合理选择速比，可应用于不同低速时实现高推力密度直线运动的场合。

当定子电枢绕组通以一定频率的交流电时，电枢绕组电流产生的行波磁场同步速度为

，经定子齿的磁场调制作用，在气隙中产生一个调制行波磁场，其同步角速度为-

，该磁场与动子上的永磁体相互作用，带动动子同步运动，负号表示调制波磁场与电枢绕组磁场的行波方向相反。通过改变通入绕组电流的频率从而实现不同的同步速度

，进而得到不同的外转子旋转速度-

，实现调速驱动。

:

为速度变比，数值上等于

()。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。