CN103227552A - 低推力波动的永磁同步直线电机系统及其参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低推力波动的永磁同步直线电机系统及其参数设计方法，属于永磁同步直线电机技术领域。该系统由永磁同步直线电机初级和次级、补偿块、初级平台组成；其中补偿块由多齿铁芯构成，齿数可由永磁同步直线电机的极距确定，齿长和气隙根据永磁同步直线电机的磁阻力幅值确定，补偿块与永磁同步直线电机初级铁芯之间的距离由永磁同步直线电机的磁阻力的相位确定，补偿块和初级安装在初级平台上。根据永磁同步直线电机初级的磁阻力幅值和相位设计补偿块，使补偿块的磁阻力幅值与初级的磁阻力幅值相等，相位相差π，由两者的磁阻力合力约为0，从而达到磁阻力补偿的目的。

Description

低推力波动的永磁同步直线电机系统及其参数设计方法

技术领域

本发明涉及一种低推力波动的永磁同步直线电机系统及其参数设计方法，属于永磁同步直线电机技术领域。

背景技术

永磁同步直线电机利用高能永磁体（如钕铁硼材料的永磁体），具有高推力、电气时间常数小、响应速度快等特点。可将电能直接转换成直线运动而不需任何中间转换机构，具有结构简单、非接触运行、噪声低、速度和精度高、维护简单、可靠性高等优点，目前各种直线电机已在电子制造装备（如高速贴片机、微封装平台）、高速和高精度的数控装备（如高速加工中心、精密磨床）等领域得到了越来越广泛的应用。

永磁同步直线电机可以认为是永磁旋转电机沿其径向展开形成，因此就形成了其特有的边端断开结构，与旋转电机相比，运行过程中不仅存在类似齿槽转矩的齿槽力，而且存在边端断开所产生的边端力。在实际运行时齿槽力和边端力以推力波动表现出来，齿槽力和边端力的合力即为磁阻力。

永磁同步直线电机的推力波动是其应用方面的主要缺陷之一，因为推力波动是电机振动与噪音产生的原因，特别是在低速运行时，还可能引起共振，从而恶化其伺服运行特性。在直线电机的设计中，减小推力波动是其主要目标之一，常用的方法有：直线电机本体的结构设计和参数的优化，如在初级铁芯上增加边齿并设计不同的边齿形状、对初级铁芯的长度进行优化，但是这两种技术都只能在一定程度上减小磁阻力，并不能完全消除磁阻力的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能不对初级铁芯本体的结构进行改变的情况下而对永磁同步直线电机的磁阻力进行抵消的低推力波动的永磁同步直线电机系统及其参数设计方法。

一种低推力波动的永磁同步直线电机系统，其特征在于：

该系统由永磁同步直线电机、初级平台、补偿块组成；

上述永磁同步直线电机包括初级和次级，其中初级由多齿的初级铁芯和线圈绕组构成，齿高为h，铁芯厚度a，与次级的气隙为w，次级由次级铁芯以及按N、S极交替布置的永磁体构成，永磁体的极距为τ；

上述初级平台为非磁性材料，上述永磁同步直线电机的初级固定在该初级平台的一端，上述初级平台的另一端具有凸台，上述补偿块固定在该凸台表面，凸台高为s，永磁同步直线电机初级与补偿块之间的间隔为d；

上述补偿块为多齿铁芯结构，其补偿块厚度为a ₁、齿数为n、齿长为h ₁、气隙为w ₁，n为大于等于2的整数；

上述参数的设计过程如下：

步骤1、测量未添加补偿块时永磁同步直线电机的磁阻力，分析其变化规律，确定磁阻力幅值A和周期τ；

步骤2、设计补偿块参数，具体过程如下：

步骤2-1、令补偿块厚度为a ₁等于初级铁芯厚度a；令补偿块的齿宽等于初级铁芯的齿宽；

步骤2-2、n取大于等于2的整数，当n为大于等于2的整数时，补偿块磁阻力周期等于永磁同步直线电机的磁阻力周期τ；

步骤2-3、齿长h ₁和气隙w ₁根据永磁同步直线电机的磁阻力幅值A确定，其中h ₁越大补偿块受的磁阻力幅值越大，w ₁越小补偿块受的磁阻力幅值越大，综合考虑这两个因素使补偿块的受力幅值接近永磁同步直线电机的磁阻力幅值A；

步骤2-4、初级平台上的凸台高s≥0，根据上述参数永磁同步直线电机a、h、w和补偿块参数a ₁、h ₁、w ₁确定，满足：a+h+w=s+a ₁+h ₁+w ₁；

步骤2-5、利用有限元仿真方法确定补偿块与永磁同步直线电机初级之间的间隔d，当d的取值使得补偿块的磁阻力相位与永磁同步直线电机的磁阻力相位差为1/2周期时，即可抵消掉永磁同步直线电机的磁阻力；另外d满足d≥2τ避免初级产生的电磁场与补偿块相互作用。

永磁同步直线电机运行中，初级铁芯的在各个齿上形成不断变化的闭合磁路，且在端部受到N、S极产生的磁力线的交替作用，其产生的磁阻力近似正弦形，幅值为A，周期变化为极距τ。

通过添加补偿块方法，使补偿块的磁阻力与永磁同步直线电机的磁阻力相互抵消，关键在于补偿块的结构设计。以永磁同步直线电机的参数为参考，补偿块设计为多齿结构（即n齿n+1槽），补偿块的齿宽等于初级铁芯的齿宽，则其它的设计参数包括补偿块厚度为a ₁、齿数为n、齿长为h ₁、气隙为w ₁。

补偿块厚度为a ₁的设计，为防止补偿块中的磁路饱和，取a ₁等于初级铁芯的厚度a。

齿数n的设计，补偿块的磁阻力应以极距τ为周期的正弦波形，故补偿块在运行中，各个齿上应形成不断变化的闭合磁路，且在端部要受到N、S极产生的磁力线的交替作用。当n≥1（n为整数），经过分析，n=1时，补偿块只有1个齿不能形成不断变化的闭合磁路，故其受力变化周期不为极距τ，不满足要求；n≥2（n为整数），补偿块受力的变化周期为极距τ，满足要求，实际中可以根据永磁同步直线电机的结构选择n≥2（n为整数）个齿。

齿长h ₁和气隙w ₁的设计，在运行中，齿长h ₁、气隙w ₁对补偿块受力幅值的决定性因素，经过分析，补偿块受力幅值随齿长h ₁的增大而增加，随气隙w ₁的增大而减小。实际中，应综合考虑永磁同步直线电机的结构及其磁阻力幅值A选取合适的w ₁、h ₁值。

初级平台上凸台高s的设计，为了使初级铁芯与补偿块之间的位置能稳定的固定，可以将两者同时安装在初级平台上，满足s≥0，根据上述参数永磁同步直线电机a、h、w和补偿块参数a ₁、h ₁、w ₁确定，使：a+h+w=s+a ₁+h ₁+w ₁；

永磁同步直线电机初级与补偿块之间的间隔d的设计，当补偿块磁阻力为正弦形变化，且周期为极距τ，幅值与永磁同步直线电机磁阻力的幅值A相等时，通过有限元仿真方法确定d的值，使补偿块磁阻力的相位与永磁同步直线电机磁阻力的相位差为1/2周期（即相位差为π），即可抵消掉永磁同步直线电机的磁阻力。为避免在运行中初级产生的电磁场与补偿块的相互作用，改变不添加补偿块时初级铁芯的磁路和补偿块单独在次级永磁体磁场中的磁路，经过分析，补偿块与永磁同步直线电机初级的安装距离d应大于2个极距，即d≥2τ，以更好的抵消永磁同步直线电机磁阻力。

初级铁芯和补偿块可用螺钉等方式固定在初级平台上，初级平台上受到的磁阻力合力相互抵消，合力约为0，可用其作为动子，实现运动功能；由作用力反作用力定律，次级的受初级平台的磁阻力约为0，故可将初级平台固定，用次级作为动子实现运动功能。

本发明通过提出新的对磁阻力进行补偿的原理和相应的实现结构，无需对永磁同步直线电机本体做出修改，能抵消永磁同步直线电机的磁阻力对输出推力的影响，优化了其动态性能，降低了维护成本。本发明可应用各种类型的永磁同步直线电机。

附图说明

图1添加补偿块抵消永磁同步直线电机的磁阻力原理图；

图2永磁同步直线电机的绕组分布示意图；

图3永磁同步直线电机初级磁阻力变化规律；

图4补偿块磁阻力变化规律；

图5添加补偿块后永磁同步直线电机的磁阻力变化曲线图；

图6未添加补偿块时永磁同步直线电机输出推力曲线图；

图7添加补偿块时永磁同步直线电机输出推力曲线图；

图中标号名称：1.次级铁芯，2.永磁体，3.线圈绕组，4.初级铁芯，5.补偿块，6.初级平台。

具体实施方法

    本发明的添加补偿块抵消磁阻力原理可以用于各种类型的永磁同步直线电机。下面具体介绍本发明。

图1中，永磁同步直线电机由初级铁芯4、线圈绕组3、永磁体2、次级铁芯1组成，其中初级铁芯4和次级铁芯1为电机常用的非线性铁磁材料Steel_1008；线圈绕组3为漆包线；永磁体2的材料为NdFe30。永磁同步直线电机为9齿10极结构（即初级铁芯4为9齿，对应次级铁芯1上10个永磁体2），线圈绕组3为集中整距绕组，三相绕组分布如图2所示。

采用Ansoft有限元软件对永磁同步直线电机的磁阻力抵消方法进行了分析和效果验证。仿真中永磁同步直线电机初级铁芯4的参数为：齿宽9mm，槽宽18mm，齿高h=20，铁芯厚度a=5mm；永磁体2的长宽高分别为：20×25×10mm，极距τ=24.3mm；次级铁芯1的厚度为5mm、宽度为25mm；初级与次级之间的气隙w=5mm

在线圈绕组3未通电时，让初级铁芯4在次级上方运动，获得永磁同步直线电机的磁阻力变化规律，如图3所示。

根据永磁同步直线电机初级铁芯4所受的磁阻力变化幅值A和周期τ，通过Ansoft仿真确定补偿块5的齿数为n=3，齿长h ₁=11.5mm、气隙w ₁=11.3mm、间离d ₁=48.6mm、厚度a ₁=5mm、凸台高s=2.2mm，由仿真获得补偿块磁阻力变化规律，如图4所示。

从图3、图4中看出，永磁同步直线电机初级铁芯4磁阻力变化的幅值A和周期τ与补偿块5的磁阻力幅值和周期基本相等，幅值为2.2N，周期为τ=24.3。由此，只要合理安排两者之间的间距，使两者的相位相差π，则磁阻力能相互抵消，大大减小永磁同步直线电机的推力波动。

在Ansoft仿真软件中，建立带有补偿5块的永磁同步直线电机，其中d=48.6mm，在未通电时对其进行仿真，可获得添加补偿块5后磁阻力的变化曲线，如图5所示，可以看出磁阻力大大减小。

在Ansoft仿真软件中，对动态性能进行仿真，分别建立未添加补偿块5的永磁同步直线电机和添加补偿块5的永磁同步直线电机，通入的三相交流电为：Va=7.5sin（4πt+π/2）、Vb=7.5sin（4πt-5π/6）、Vc=7.5sin（4πt-π/6），即7.5V，2Hz的交流电，绕组为100匝，电阻为5Ω，电流为1.5A。可获得未添加补偿块5时永磁同步直线电机的输出推力曲线如图6所示，添加补偿块5时永磁同步直线电机的推力曲线如图7所示，可以看出在0.5s以后的稳定运行区，永磁同步直线电机的输出推力的波动峰-峰值由3.2N降低到了0.5N，降幅为84%。由以上分析可知：通过添加补偿块5的方法，可以有效降低磁阻力，达到改善永磁同步直线电机的动态性能，说明了该方法的合理性。

在实际中可将初级铁芯4和补偿块5用螺钉等安装在非导磁性的初级平台6上。当初级铁芯4上的线圈绕组3按图2所示的相序通入三相交流电时，初级平台6在电磁力的作用下开始运动，由永磁同步直线电机的磁阻力和补偿块5的磁阻力之和约为0，从而使初级平台6上的推力波动尽量接近于0，达到抵消磁阻力的目的。

Claims (2)

1.一种低推力波动的永磁同步直线电机系统，其特征在于：

该系统由永磁同步直线电机、初级平台（6）、补偿块（5）组成；

上述永磁同步直线电机包括初级和次级，其中初级由多齿的初级铁芯（4）和线圈绕组（3）构成，齿高为h，铁芯厚度a，与次级的气隙为w，次级由次级铁芯（1）以及按N、S极交替布置的永磁体（2）构成，永磁体的极距为τ；

上述初级平台（6）为非磁性材料，上述永磁同步直线电机的初级固定在该初级平台的一端，上述初级平台（6）的另一端具有凸台，上述补偿块（5）固定在该凸台表面，凸台高为s，永磁同步直线电机初级与补偿块之间的间隔为d；

上述补偿块为多齿铁芯结构，其补偿块厚度为a ₁、齿数为n、齿长为h ₁、气隙为w ₁，n为大于等于2的整数。

2.根据权利要求1所述的低推力波动的永磁同步直线电机系统的参数设计方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、测量未添加补偿块时永磁同步直线电机的磁阻力，分析其变化规律，确定磁阻力幅值A和周期τ；

步骤2、设计补偿块参数，具体过程如下：

步骤2-1、令补偿块厚度为a ₁等于初级铁芯厚度a；令补偿块（5）的齿宽等于初级铁芯（4）的齿宽；

步骤2-2、n取大于等于2的整数，当n为大于等于2的整数时，补偿块磁阻力周期等于永磁同步直线电机的磁阻力周期τ；

步骤2-3、齿长h ₁和气隙w ₁根据永磁同步直线电机的磁阻力幅值A确定，其中h ₁越大补偿块受的磁阻力幅值越大，w ₁越小补偿块受的磁阻力幅值越大，综合考虑这两个因素使补偿块的受力幅值接近永磁同步直线电机的磁阻力幅值A；

步骤2-4、初级平台上的凸台高s≥0，根据上述参数永磁同步直线电机a、h、w和补偿块参数a ₁、h ₁、w ₁确定，满足：a+h+w=s+a ₁+h ₁+w ₁；

步骤2-5、利用有限元仿真方法确定补偿块与永磁同步直线电机初级之间的间隔d，当d的取值使得补偿块的磁阻力相位与永磁同步直线电机的磁阻力相位差为1/2周期时，即可抵消掉永磁同步直线电机的磁阻力；另外d满足d≥2τ避免初级产生的电磁场与补偿块相互作用。

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