CN104167897B - 一种平板型横向磁通切换永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平板型横向磁通切换永磁直线电机，包括平板式电机初级和平板式电机次级，电机初级和电机次级相对安装，中间留有气隙面，在电机初级上安装有永磁和绕组，采用磁通切换原理工作；其特征在于：所述电机初级包括一个以上初级单元，初级单元包括初级单元铁芯，初级单元铁芯由两块垂直于运动方向v的两个初级单元铁芯块组成，初级单元铁芯块由初级电工钢片沿运动方向v叠压而成；电机次级由次级电工钢片沿运动方向v叠压而成。本发明提供的电机，具有结构及生产工艺简单，初级次级都可叠片降低铁耗，永磁和绕组利用率高，永磁磁路磁导均匀、定位力小、涡流小，电力推力仅与电机长度相关、可进行快速化批量化设计等有益效果。

Description

一种平板型横向磁通切换永磁直线电机

技术领域

本发明涉及一种平板型横向磁通切换永磁直线电机，属于一种直线伺服电机。

背景技术

工业领域中存在大量的直线运动模式，这些运动模式现在依然有许多采用旋转电机作为驱动器，再用曲轴、减速齿轮等大量的机械部件转化为直线运动。这些中间转化部件不仅消耗了许多的能量，增加了系统故障风险和维护成本，而且大多使得工作模式控制变得单一而难以改变。直接驱动技术正是为解决这样的困难而产生，而为了简化系统的转化机构，其中的直线驱动器需要有比旋转驱动器更佳的电气和控制性能。现有的直线驱动器根据运动模式主要分为几类电机：推进型电机、振荡型电机和伺服电机。推进型电机如电磁弹射器、电磁推进列车、流水作业线，以在一段较长时间内朝一个方向做推进运动为特征；振荡型电机如自由活塞式压缩机、捣固机，以持续的往复运动为特征；伺服电机如加工机床、探测头，以准确定位为特征。

现有直线伺服电机发明和研究主要是将传统旋转电机进行电磁结构的直线变化形成，因此对应于旋转电机，大致有直线感应电机、直线同步电机、无刷直流直线电机等，其中采用永磁材料励磁的永磁直线同步电机和永磁无刷直流直线电机等由于功率密度更胜一筹，电机体积更小，控制更良好而在伺服领域获得更多关注。但是直线电机由于电磁结构相对旋转电机较为开放，在工业环境下使用上述永磁直线电机时，大多安装在导轨上的永磁体都会面临容易吸引铁屑粉尘的问题。另一方面，在导轨上安装永磁，在行程相对电机动子较大的情况下，需要消耗大量的永磁，造成成本上升。因此，许多研究和发明都在努力将永磁和绕组安装在同一侧，以达到减少永磁用量，提高机械稳定的目的。磁通切换型直线电机由于其具有解决上述问题的潜力，近年来倍受关注。

中国专利200610150838.4和中国专利200810064434.2分别提出一种横向磁通平板式永磁直线电机，以解决轴向磁通的边端问题和叠片问题，其永磁都是分布在较长的定子铁芯上。中国专利201010290770.6提出一种基于组合铁芯初级的永磁同步直线电机，采用分块初级的方法有效地消除电机边端影响，但是分块造成电机体积较大，另外其永磁也是分布于长次级上。中国专利201010538252.1提出了一种曲折环形绕组结构圆筒型横向磁通直线电机，由于电机无法叠片，电机的铁芯损耗较大，另外其永磁分布在与绕组不同侧。中国专利201010162160.8提出一种平面型横向磁通开关磁链永磁直线电机，但是作为较长部份的定子铁芯上需要特殊的齿磁阻构造，造成定子的工艺复杂，且因为定子无法叠片，铁芯损耗增大。中国专利201020187380.1和中国专利201020200672.4提出了一种互补型磁通切换永磁直线电机，通过电磁相位的互补关系来解决电机的定位力问题，代价是每块铁芯的边端没有充分利用，造成铁芯浪费和电机体积较大，另外当电机长度与宽度比较大时绕组的边端较大，造成电磁泄漏和浪费。中国专利201111018278.1提出一种容错型横向磁场永磁直线电机，由于绕组的磁路与永磁有重合的部份，绕组磁场会影响永磁中的磁场，造成永磁中涡流较大，并且在短路时容易造成永磁去磁，另外这种结构的电机初级若采用叠片，则永磁磁阻变化不均，对消除定位力不利。中国专利201310058666.8提出了一种多相大行程圆筒型磁通切换式直线电机，由于是圆筒形结构，电机无法叠片。中国专利201310252068.4提出一种双边错齿平板型磁通切换永磁下线电机，利用双边结构提高永磁体利用率，不过绕组没有槽支撑，且绕组边端较大，另外双边结构对气隙控制会造成一定的困难。中国专利201210521747.2提出了一种具有折弯的磁屏蔽结构及其加工方法，可将硅钢片折弯粘合，实现折弯铁芯。

发明内容

发明目的：为了克服现有磁通切换永磁直线电机绕组、永磁、铁芯利用率不足，永磁磁阻变化不均匀引入推力波动，极距与电机齿槽尺寸耦合造成小极距电机较难设计，叠片方案不理想或者带来磁阻跳跃或者无法叠片造成铁芯损耗较大；本发明提供一种平板型横向磁通切换永磁直线电机，通过在横向磁通切换结构中采用匹配恰当的折弯定子铁芯，可以使得次级定子铁芯结构简单，初级电枢叠片和组装也不复杂，并且电机绕组边端较小、永磁磁阻变化均匀、永磁利用率提高、电机极距与齿槽尺寸解耦方便电机设计，最终达到使磁通切换永磁直线电机控制性能更好、材料利用率提高、损耗降低、加工简单的有益效果。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种平板型横向磁通切换永磁直线电机，包括平板式电机初级和平板式电机次级，电机初级和电机次级相对安装，中间留有气隙面，在电机初级上安装有永磁和绕组，采用磁通切换原理工作；其特征在于：所述电机初级包括一个以上初级单元，初级单元包括初级单元铁芯，初级单元铁芯由两块垂直于运动方向v的两个初级单元铁芯块组成，初级单元铁芯块由初级电工钢片沿运动方向v叠压而成；电机次级由次级电工钢片沿运动方向v叠压而成；

初级电工钢片分为两个引导区、一个铁轭和两个折弯齿三个部分，铁轭垂直于气隙面并与气隙面之间存在间隙，铁轭的两端通过两个引导区向气隙面延伸并分别过度到两个折弯齿，引导区与气隙面垂直，折弯齿与气隙面之间存在倾角，且倾角线在气隙面上的投影平行于运动方向v，同一块初级电工钢片上的两个折弯齿的倾斜方向相反、倾角大小相同，倾角大小按照如下方式设计：在气隙面上的投影，折弯齿末端偏离初始位置四分之一极距τ/4，同一块初级电工钢片上的两个折弯齿错开二分之一τ/2；

初级电工钢片沿运动方向v叠压达半个极距τ/2后，调转180°继续叠压达半个极距τ/2，如此循环直至形成齿部交错的初级单元铁芯块；构成一个初级单元铁芯块的所有铁轭两侧的折弯齿之间形成槽；构成一个初级单元铁芯块的所有引导区的两个侧面之一形成永磁夹持面；构成一个初级单元铁芯块的所有铁轭与一侧的所有折弯齿形成一个1/2初级齿，所有铁轭与另一侧的所有折弯齿形成另一个1/2初级齿；

构成初级单元铁芯的两个初级单元铁芯块垂直于运动方向v并排间隔设置，两个永磁夹持面相对；永磁沿运动方向v连续排布成一条直线，该直线上仅有一个N极和一个S极，且该直线与气隙面平行，永磁夹在两个永磁夹持面之间；永磁的充磁方向垂直于运动方向v，与气隙面平行，除了位于两端的永磁有两面非气隙空气漏磁，其它都只有一面非气隙空气漏磁；构成初级单元铁芯的两个初级单元铁芯块，其折弯齿的折弯方向和分布是一样的；两个初级单元铁芯块相邻的两个1/2初级齿形成一个初级齿，两个1/2初级齿的折弯齿的倾斜方向相反，绕组缠绕在初级齿上，嵌在两个槽内；

次级电工钢片包括高电工钢片和矮电工钢片，高电工钢片沿运动方向v叠压厚度达x后，继续叠加矮电工钢片至厚度达τ-x，如此循环直至形成电机次级；可根据极距τ的要求进行叠合，形成变化的气隙长度。

本发明中，初级电工钢片仅需要设计一种，且折弯齿加工简单，在电机宽度固定的情况下，通过一定数量的初级电工钢片即可组合出需要的极距；次级电工钢片只需要高度不同的两种平板钢片即可实现；因此电机的铁芯加工简单，尤其对于较长的次级电极，几乎没有太高的工艺要求，这对于工业生产和应用都十分方便。通过叠压工艺，初级电极和次级电极在铁耗抑制方面都可以和传统旋转电机相媲美。

优选的，所述电机初级包括两个以上初级单元，多相电机的各相电磁解耦。

优选的，所述永磁的充磁方向垂直于运动方向v，与气隙面平行；除了位于两端的永磁有两面非气隙空气漏磁，其它都只有一面非气隙空气漏磁，相对于传统磁通切换电机每块永磁都有三面非气隙空气漏磁，极大地减少了非气隙空气漏磁，提高了永磁材料的利用率。

所述永磁的磁路，经过气隙的磁路，经过错开半极的折弯齿，形成回路；所述折弯齿的气隙磁导互补，保证永磁磁路磁导几乎恒定，使得永磁产生的定位力极小；所述磁导几乎恒定也使得永磁励磁磁场恒定，这一方面减小了电磁推力波动，另一方面也极大地减少了传统磁通切换电机中因永磁内磁场变化带来的涡流损耗和发热后退磁的可能性。

所述绕组沿运动方向延伸绕制，绕组边端处于电机首尾两端，整个初级单元内多个极距下的导线共用边端，对于长度大于宽度的电机应用，减少了绕组的边端，提高绕组利用率。

所述平板型横向磁通切换永磁直线电机，极距由铁芯叠片配合控制，当极距一定时，电机出力与电机长度成正比关系；因此可以用同一套电工钢片根据不同的电机推力需要快速设计生产不同的电机，适合快速化批量化设计。

本发明的平板型横向磁通切换永磁直线电机，并没有因结构改良而失去传统磁通切换永磁直线电机次级结构简单不吸铁屑、永磁安装在短初级因而不需要铺设大量永磁、绕组短路时永磁几乎没有退磁危险、推力密度较大等优点。

有益效果：本发明提供的平板型横向磁通切换永磁直线电机，在保留磁通切换永磁电机永磁与绕组同侧用量较少，低短路退磁风险等优点的同时，还具有结构及生产工艺简单，初级次级都可叠片降低铁耗，永磁和绕组利用率高，永磁磁路磁导均匀、定位力小、涡流小，电力推力仅与电机长度相关、可进行快速化批量化设计等有益效果。

附图说明

图1为本发明的等轴侧视结构示意图；

图2为图1的正视图；

图3为图1的俯视图；

图4为图1的右视图；

图5为初级单元铁芯块的结构说明图，其中(a)为正视图，(b)为右视图，(c)为俯视图，(d)为等轴侧视图；

图6为次级电极的构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、图2、图3、图4所示为一种平板型横向磁通切换永磁直线电机，包括平板式电机初级1和平板式电机次级2，电机初级1和电机次级2相对安装，中间留有气隙面3，在电机初级1上安装有永磁5和绕组7，采用磁通切换原理工作；所述电机初级1包括一个以上初级单元4，多相电机的各相电磁解耦；初级单元4包括初级单元铁芯6，初级单元铁芯6由两块垂直于运动方向v的两个初级单元铁芯块8组成，初级单元铁芯块8由初级电工钢片9沿运动方向v叠压而成；电机次级2由次级电工钢片14沿运动方向v叠压而成。

如图5所示，初级电工钢片9分为两个引导区10、一个铁轭11和两个折弯齿三个部分，铁轭11垂直于气隙面3并与气隙面3之间存在间隙，铁轭11的两端通过两个引导区10向气隙面3延伸并分别过度到两个折弯齿12，引导区10与气隙面3垂直，折弯齿12与气隙面3之间存在倾角，且倾角线在气隙面3上的投影平行于运动方向v，同一块初级电工钢片9上的两个折弯齿12的倾斜方向相反、倾角大小相同，倾角大小按照如下方式设计：在气隙面3上的投影，折弯齿12末端偏离初始位置四分之一极距τ/4，同一块初级电工钢片9上的两个折弯齿12错开二分之一τ/2。

初级电工钢片9沿运动方向v叠压达半个极距τ/2后，调转180°继续叠压达半个极距τ/2，如此循环直至形成初级单元铁芯块8；构成一个初级单元铁芯块8的所有铁轭11两侧的折弯齿12之间形成槽13；构成一个初级单元铁芯块8的所有引导区10的两个侧面之一形成永磁夹持面；构成一个初级单元铁芯块8的所有铁轭11与一侧的所有折弯齿12形成一个1/2初级齿，所有铁轭11与另一侧的所有折弯齿12形成另一个1/2初级齿。

构成初级单元铁芯6的两个初级单元铁芯块8垂直于运动方向v并排间隔设置，两个永磁夹持面相对；永磁5沿运动方向v连续排布成一条直线，该直线上仅有一个N极和一个S极，且该直线与气隙面3平行，永磁5夹在两个永磁夹持面之间；永磁5的充磁方向垂直于运动方向v，与气隙面3平行，除了位于两端的永磁5有两面非气隙空气漏磁，其它都只有一面非气隙空气漏磁；构成初级单元铁芯6的两个初级单元铁芯块8，其折弯齿12的折弯方向和分布是一样的；两个初级单元铁芯块8相邻的两个1/2初级齿形成一个初级齿，两个1/2初级齿的折弯齿12的倾斜方向相反，绕组7缠绕在初级齿上，嵌在两个槽13内。

如图6所示，次级电工钢片14包括高电工钢片15和矮电工钢片16，高电工钢片15沿运动方向v叠压厚度达x后，继续叠加矮电工钢片16至厚度达τ-x，如此循环直至形成电机次级2。

本实施例中，所述电机初级(1)包括三个初级单元(4)，相邻初级单元(4)前后差三分之一极距τ/3，构成三相电机。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种平板型横向磁通切换永磁直线电机，包括平板式电机初级(1)和平板式电机次级(2)，电机初级(1)和电机次级(2)相对安装，中间留有气隙面(3)，在电机初级(1)上安装有永磁(5)和绕组(7)，采用磁通切换原理工作；其特征在于：所述电机初级(1)包括一个以上初级单元(4)，初级单元(4)包括初级单元铁芯(6)，初级单元铁芯(6)由两块垂直于运动方向v的两个初级单元铁芯块(8)组成，初级单元铁芯块(8)由初级电工钢片(9)沿运动方向v叠压而成；电机次级(2)由次级电工钢片(14)沿运动方向v叠压而成；

初级电工钢片(9)分为两个引导区(10)、一个铁轭(11)和两个折弯齿三个部分，铁轭(11)垂直于气隙面(3)并与气隙面(3)之间存在间隙，铁轭(11)的两端通过两个引导区(10)向气隙面(3)延伸并分别过度到两个折弯齿(12)，引导区(10)与气隙面(3)垂直，折弯齿(12)与气隙面(3)之间存在倾角，且倾角线在气隙面(3)上的投影平行于运动方向v，同一块初级电工钢片(9)上的两个折弯齿(12)的倾斜方向相反、倾角大小相同，倾角大小按照如下方式设计：在气隙面(3)上的投影，折弯齿(12)末端偏离初始位置四分之一极距τ/4，同一块初级电工钢片(9)上的两个折弯齿(12)错开二分之一τ/2；

初级电工钢片(9)沿运动方向v叠压达半个极距τ/2后，调转180°继续叠压达半个极距τ/2，如此循环直至形成初级单元铁芯块(8)；构成一个初级单元铁芯块(8)的所有铁轭(11)两侧的折弯齿(12)之间形成槽(13)；构成一个初级单元铁芯块(8)的所有引导区(10)的两个侧面之一形成永磁夹持面；构成一个初级单元铁芯块(8)的所有铁轭(11)与一侧的所有折弯齿(12)形成一个1/2初级齿，所有铁轭(11)与另一侧的所有折弯齿(12)形成另一个1/2初级齿；

构成初级单元铁芯(6)的两个初级单元铁芯块(8)垂直于运动方向v并排间隔设置，两个永磁夹持面相对；永磁(5)沿运动方向v连续排布成一条直线，该直线上仅有一个N极和一个S极，且该直线与气隙面(3)平行，永磁(5)夹在两个永磁夹持面之间；两个初级单元铁芯块(8)相邻的两个1/2初级齿形成一个初级齿，两个1/2初级齿的折弯齿(12)的倾斜方向相反，绕组(7)缠绕在初级齿上，嵌在两个槽(13)内；

次级电工钢片(14)包括高电工钢片(15)和矮电工钢片(16)，高电工钢片(15)沿运动方向v叠压厚度达x后，继续叠加矮电工钢片(16)至厚度达τ-x，如此循环直至形成电机次级(2)；高电工钢片(15)的高度高于矮电工钢片(16)的高度，0<x<τ。

2.根据权利要求1所述的平板型横向磁通切换永磁直线电机，其特征在于：所述电机初级(1)包括两个以上初级单元(4)，多相电机的各相电磁解耦。

3.根据权利要求1所述的平板型横向磁通切换永磁直线电机，其特征在于：所述永磁(5)的充磁方向垂直于运动方向v，与气隙面(3)平行；除了位于两端的永磁(5)有两面非气隙空气漏磁，其它都只有一面非气隙空气漏磁。