CN104467355B - 正交结构边齿的低磁阻力波动永磁直线电机 - Google Patents

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张囡
董婷
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Abstract

本发明提供一种正交结构边齿的低磁阻力波动永磁直线电机，本申请包括电枢绕组和电枢铁心组成的初级，永磁体次级极轭组成的次级；相异充磁方向的永磁体等间距依次固定在次级极轭上，电枢绕组嵌置于初级电枢铁心的槽中；本发明与现有技术相比，具体优点如下：1)具有“凹”或“凸”型的正交结构边齿的永磁直线电机与传统永磁直线电机的生产工艺相同，没有增加生产成本，同时不会影响电机的推力大小。2)本初级结构的永磁直线电机不仅能同时抑制推力波动和法向力波动，还能防止动子的横向扭摆。

Description

正交结构边齿的低磁阻力波动永磁直线电机
技术领域
本发明涉及一种短初级、长次级型永磁型直线电机技术，即正交结构边齿的低磁阻力波动永磁直线电机，是抑制端部效应磁阻力所引起的推力与法向力的波动，属于电机领域，适用于高精度伺服驱动等应用场合。
背景技术
永磁直线电机直接驱动技术在高速度、高精度的机械制造装备与超高精密的电子制造工程领域得到了广泛的应用，对于某些应用场合，系统还具有悬浮功能，这就对永磁直线电机提出了更高的技术要求，它不仅要求直线电机具有优良的推力性能，还得具有优良的法向力性能，永磁直线电机推力的波动和法向力的波动降低了系统的位置跟踪精度，恶化其伺服运行特性。
永磁直线电机在绕组在不通电的情况下，动子铁心和永磁体之间存在吸引力，一个是铁心开槽引起的齿槽力，另一个是初级铁心开断引起的端部力，这两种力合称为磁阻力，端部力是磁阻力的主要来源。齿槽力和端部力会同时引起电机动子的推力波动和法向力波动，现有的文献是通过优化动子铁心长度、动子铁心边齿宽度和形状以及增加辅助齿等方法减小端部力引起的推力波动，还未见有文献报道抑制端部力引起的法向力波动的方法。同时，上述每种方法虽可抑制端部力引起的推力波动，但未必能很好的抑制法向力波动。
发明内容
发明目的：本发明提供一种正交结构边齿的低磁阻力波动永磁直线电机，其目的是解决原有直线电机端部磁阻力引起的推力波动和法向力波动造成的定位精度不高的技术问题。
技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：
一种正交结构边齿的低磁阻力波动永磁直线电机，其特征在于：该电机包括电枢绕组和电枢铁心组成的初级、永磁体和次级极轭组成的次级；相异充磁方向的永磁体等间距依次固定在次级极轭上，初级电枢铁心设置在永磁体上，电枢绕组嵌置于初级电枢铁心的槽中；初级电枢铁心的两端构成“凹”字型或“凸” 字型的电枢铁心端齿。
所述初级电枢铁心由若干纵向长短不同冲剪成型的硅钢片叠压构成，长硅钢片叠压在一起形成长叠压块，短硅钢片叠压在一起形成短叠压块，长叠压块与短叠压块叠压在一起形成初级电枢铁心，当短叠压块设在中间而长叠压块设置在两侧时，在初级电枢铁心的两端形成“凹”字型电枢铁心端齿，当长叠压块设置在中间而短叠压块设置在两侧时在初级电枢铁心的两端形成“凸” 字型的电枢铁心端齿。
硅钢片为梳子状结构，多个硅钢片叠压在一起形成了带有槽的初级电枢铁心。
当电枢铁心端齿为“凹”字型时，其中间凹入部分的宽度为两边凸出部分宽度的二倍，凹入部分的深度为1/2个极距；当电枢铁心端齿为“凸”字型时，其中间凸出部分的宽度为两边凹进部分宽度的二倍，凸出部分的长度为1/2个极距，极距为相邻的两个永磁体中线之间的距离。
短硅钢片两端的片齿的宽度为中间片齿宽度的一半，长硅钢片两端的片齿的宽度为短硅钢片片齿的宽度与1/2个极距之和，长硅钢片的片齿间距与短硅钢片的齿间距相同，除两端片齿外，长硅钢片的片齿宽度与短硅钢片的片齿宽度相同；当所有硅钢片叠加在一起时，片齿之间就形成了槽。
短硅钢片的总长度l 2为极距τ的整数倍，即l 2=kτ，k为整数,长硅钢片的长度l 1为短硅钢片的总长度l 2加上一个极距τ，即l 1=(k+1)τ，k为整数。
优点及效果：本发明提供一种正交结构边齿的低磁阻力波动永磁直线电机，是一种低推力波动和法向力波动的永磁同步直线电机，其有效削弱了运行过程中的推力波动和法向力波动，提高定位精度。
本申请包括电枢绕组和电枢铁心组成的初级，永磁体次级极轭组成的次级；相异充磁方向的永磁体等间距依次固定在次级极轭上，电枢绕组嵌置于初级电枢铁心的槽中；初级铁心由若干冲剪成型的长硅钢片和冲剪成型的短硅钢片按一定规律叠压而成，叠压之后构成电枢铁心的端部齿型如汉字的“凹”字型或“凸” 字型，可根据安装空间和装配需求灵活设计成“凹”型结构或“凸”型结构。
电枢铁心中间凹入部分(或凸出部分)的宽度为两边凸出部分(或凹入部分)宽度的二倍，中间凹入部分(或凸出部分)长度比两边凸出部分(或凹入部分)短1/2个极距（1/2τ）(或长1/2τ)，a等于齿宽度的一半，即a=b t/2，c=2d,l 2=kτ(k为整数),l 1=(k+1)τ(k为整数)。
本发明与现有技术相比，具体优点如下：
1) 具有“凹”或“凸”型的正交结构边齿的永磁直线电机与传统永磁直线电机的生产工艺相同，没有增加生产成本，同时不会影响电机的推力大小。
2) 本初级结构的永磁直线电机不仅能同时抑制推力波动和法向力波动，还能防止动子的横向扭摆。
附图说明：
图1是本发明的“凹”字型电机三维结构示意图；
图2是本发明的“凸”字型电机三维结构示意图；；
图3是本发明的“凹”字型电机俯视图；
图4是构成初级电枢铁心的硅钢冲片示意图；
图5是传统永磁直线电机端齿端面磁通变化示意图；其中a为端齿侧面磁通最大处，b为端齿侧面磁通为零处，c为端齿侧面磁通最大处。
图6是“凹”字型或“凸”字型端齿端面磁通变化示意图；
附图标记说明：
1.电枢铁心、2.电枢绕组、3. 中部齿、4. 次级极轭、5. 槽、6. 永磁体、7.端部齿型、8. 冲剪成型的硅钢片一、9. 冲剪成型的硅钢片二、10. 端部齿一、11. 端部齿二。
具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1所示，本发明涉及一种正交结构边齿的低磁阻力波动永磁直线电机，该电机包括电枢绕组2和电枢铁心1组成的初级、永磁体6 和次级极轭4组成的次级；相异充磁方向的永磁体6 等间距依次固定在次级极轭4上，初级电枢铁心1设置在永磁体6上，电枢绕组2嵌置于初级电枢铁心1的槽5中；初级电枢铁心1的两端构成“凹”字型或“凸” 字型的电枢铁心端齿7。
所述初级电枢铁心1由若干纵向长短不同冲剪成型的硅钢片叠压构成，长硅钢片8叠压在一起形成长叠压块，短硅钢片9叠压在一起形成短叠压块，长叠压块与短叠压块叠压在一起形成初级电枢铁心1，当短叠压块设在中间而长叠压块设置在两侧时，在初级电枢铁心1的两端形成“凹”字型电枢铁心端齿7，当长叠压块设置在中间而短叠压块设置在两侧时在初级电枢铁心1的两端形成“凸” 字型的电枢铁心端齿7。
硅钢片为梳子状结构，多个硅钢片叠压在一起形成了带有槽5的初级电枢铁心1。
如图1、2、3 所示，当电枢铁心端齿7为“凹”字型时，其中间凹入部分的宽度C为两边凸出部分宽度d的二倍，即c=2d，凹入部分的深度为1/2个极距（1/2τ）；当电枢铁心端齿7为“凸”字型时，其中间凸出部分的宽度C为两边凹进部分宽度d的二倍，即c=2d，凸出部分比两侧长1/2个极距（1/2τ），极距τ为相邻的两个永磁体(6)中线之间的距离。
如图4所示，短硅钢片9两端的片齿11的宽度a为中间片齿宽度b t的一半，即a=b t /2，而长硅钢片8两端的片齿10比短硅钢片片齿11宽τ/2，即b=a+τ/2。长硅钢片8的片齿间距与短硅钢片9的齿间距相同，除两端片齿外，长硅钢片8的片齿宽度与短硅钢片9的片齿宽度相同；当所有硅钢片叠加在一起时，片齿之间就形成了槽5。
短硅钢片9的总长度l 2为极距τ的整数倍，即l 2=kτ，k为整数,长硅钢片8的长度l 1为l 2加上一个极距τ，即l 1=(k+1)τ，k为整数。
上述初级结构的永磁直线电机不仅能同时抑制推力波动和法向力波动，还能防止动子的横向扭摆。
本发明为低磁阻力波动的正交结构边齿的永磁直线电机，根据传统永磁直线电机端齿侧壁磁通周期性且近似线性变化的特点，将边齿结构正交化，保证电机在运行过程中通过两个端齿侧壁的磁通均恒定不变，磁通不变，也就保证了磁能不变，推力和法向力也就不存在波动分量。下面以12槽，冲剪成型的短硅钢片9长度l 2下对应11极的永磁直线电机为例，对本发明进行详细说明。
如图1、2所示，其包括电枢绕组2和电枢铁心1组成的初级以及永磁体6和次级极轭4组成的次级，相异充磁方向的永磁体6 等间距依次固定在次级极轭4上，初级与次级之间存在气隙；初级电枢铁心1和嵌装在电枢铁心上的电枢绕组2用高导热系数的树脂灌封成一体。
如图5所示，当传统短初级永磁直线电机运行时，穿过初级电枢铁心1端面的磁通发生着周期性的变化。本发明通过设计端部齿型7的中间部位与两边的部位错开τ/2距离，即，当端部齿型7的中间凹入部分(或凸出部分)位于磁极的直轴时，初级电枢铁心1沿着横向的两边凸出部分(或凹入部分)位于磁极的交轴，这就是所述的正交结构边齿；正交结构边齿的中间部位宽度等于两边部位宽度之和，图6的虚线是端部齿型7两侧任一凸出部分(或凹入部分)磁通随位置变化的示意图，实线是端部齿型7 中间凹入部分(或凸出部分)磁通随位置变化的示意图，从而，动子在任意位置，穿过初级电枢铁心1端面的磁通总和恒定不变，进而达到了既减少推力波动又减少法向力波动的目的。
本发明由于削弱了法向力的波动，非常适合于悬浮驱动系统，本发明与传统永磁直线电机的生产工艺相同，没有增加生产成本，同时不会影响电机的推力大小； 本申请不仅能同时抑制推力波动和法向力波动，还能防止动子的横向扭摆。

Claims (4)

1.一种正交结构边齿的低磁阻力波动永磁直线电机，其特征在于：该电机包括电枢绕组(2)和电枢铁心(1)组成的初级、永磁体(6) 和次级极轭(4)组成的次级；相异充磁方向的永磁体(6) 等间距依次固定在次级极轭(4)上，初级电枢铁心(1)设置在永磁体(6)上方，电枢绕组(2)嵌置于初级电枢铁心(1)的槽(5)中；初级电枢铁心(1)的两端构成“凹”字型或“凸” 字型的电枢铁心端齿(7)；
所述初级电枢铁心(1)由若干纵向长短不同冲剪成型的硅钢片叠压构成，长硅钢片(8)叠压在一起形成长叠压块，短硅钢片(9)叠压在一起形成短叠压块，长叠压块与短叠压块叠压在一起形成初级电枢铁心(1)，当短叠压块设在中间而长叠压块设置在两侧时，在初级电枢铁心(1)的两端形成“凹”字型电枢铁心端齿(7)，当长叠压块设置在中间而短叠压块设置在两侧时在初级电枢铁心(1)的两端形成“凸” 字型的电枢铁心端齿(7)；
当电枢铁心端齿(7)为“凹”字型时，其中间凹入部分的宽度（C）为两边凸出部分宽度(d)的二倍，凹入部分的深度为1/2个极距（1/2τ）；当电枢铁心端齿(7)为“凸”字型时，其中间凸出部分的宽度（C）为两边凹进部分宽度(d)的二倍，凸出部分的长度为1/2个极距（1/2τ），极距（τ）为相邻的两个永磁体(6)中线之间的距离。
2.根据权利要求1所述的正交结构边齿的低磁阻力波动永磁直线电机，其特征在于：硅钢片为梳子状结构，多个硅钢片叠压在一起形成了带有槽(5)的初级电枢铁心(1)。
3.根据权利要求1所述的正交结构边齿的低磁阻力波动永磁直线电机，其特征在于：短硅钢片(9)两端的片齿（11）的宽度（a）为中间片齿宽度（b t）的一半，长硅钢片(8)两端的片齿（10）的宽度为短硅钢片两端的片齿（11）的宽度与1/2个极距（1/2τ）之和，长硅钢片(8)的片齿间距与短硅钢片(9)的齿间距相同，除两端片齿外，长硅钢片(8)的片齿宽度与短硅钢片(9)的片齿宽度相同；当所有硅钢片叠加在一起时，片齿之间就形成了槽(5)。
4.根据权利要求1所述的正交结构边齿的低磁阻力波动永磁直线电机，其特征在于：短硅钢片(9)的总长度l2为极距τ的整数倍，即l2= k τ ，k为整数 , 长硅钢片(8)的长度l1为短硅钢片(9)的总长度l2加上一个极距τ，即 l1= (k+1)τ ，k为整数。
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