CN104779773B - 一种v‑型结构低磁阻力波动永磁直线电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种V‑型结构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，永磁磁极和定子轭组成的次级；其可以实现初级动子两个纵向端部磁阻力引起的推力波动和法向力波动接近为零；也可以同时实现永磁直线电机端部磁阻力及齿槽磁阻力引起的法向力波动和推力波动接近为零；本发明不会引起直线电机动子的“纵向拉扯运动趋势”和“横向俯仰运动趋势”。

Description

一种V-型结构低磁阻力波动永磁直线电机
技术领域：本发明涉及一种动电枢型有铁心永磁型直线电机，是抑制磁阻效应力(包括齿槽力和端部效应力)所引起的推力与法向力的波动的技术，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：单边平板型有铁心永磁直线电机由于由于结构简单、推力大，在航天、航海、交通运输、工业自动化、机械制造等领域得到了广泛的应用。在一些高性能应用场合，要求直线电机具有优良的推力性能和法向力性能。但永磁直线电机存在的推力波动和法向力波动降低了系统的位置跟踪精度，恶化了其伺服运行性能。
永磁直线电机由于铁心开槽和铁心开断，随着动子的运行，齿槽磁导波和纵向端面磁导波发生着周期性的变化，进而产生了齿槽力和端部力，这两种力合称为磁阻力，这两种磁阻力会同时引起电机动子的推力波动和法向力波动，它们是引起电机推力波动和法向力波动的主要原因。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、增加辅助齿、优化磁极形状、补偿控制等方法减小磁阻力引起的推力波动，上述每种方法可一定程度的抑制磁阻力引起的推力波动和法向力波动，但不能消除其引起的推力和法向力波动。
发明内容：
发明目的：本发明目的是提供一种V-型结构低磁阻力波动永磁直线电机，其目的是解决目前只能在一定程度上抑制永磁直线电机磁阻力产生的波动，但不能消除其波动的问题。
技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：
一种V-型结构低磁阻力波动永磁直线电机，其特征在于：该电机包括初级动子和次级定子，初级动子和次级定子正对，电枢铁心和嵌放于电枢铁心的槽中的绕组共同构成了初级动子，初级电枢铁心的两个纵向端部呈“V”型；次级极轭和粘贴于次级极轭上的永磁磁极共同构成了次级定子，初级动子与永磁磁极正对。
永磁磁极为直极或呈V型。
所述电枢铁心的两个纵向端部的V型为镜像对称的V型，即“><”形，或者为非镜像对称的同向V型，即“>>”，当电枢铁心的两端为镜像对称的V型时，永磁磁极为直极；当电枢铁心的两端为非镜像对称的V型时，永磁磁极为直极或者V型。
所述V型永磁磁极由两块相同充磁方向的磁块拼接而成形成“>”形状；V型永磁磁极的V型深度hVPM＝kzbs/nL，nL为槽数和极数的最小公倍数，即nL＝LCM(z，p)，k为正整数，p为极数，z为槽数，bs为槽距，下标VPM表示V型永磁磁极，当永磁磁极为直极时，hVPM＝0，相异充磁方向的直极永磁磁极等间距依次固定在次级极轭上。
所述初级电枢铁心两个端部的V型深度hVAR＝τ+hVPM，τ为极距，下标VAR表示V型电枢铁心。
所述初级电枢铁心由若干纵向长度相同、冲剪成型的硅钢片叠压后，经由线切割或其他方式加工成两端呈V型的结构；或由若干冲剪成型的硅钢片叠压构成多级台阶形式的两端是V型结构的阶梯型端部，台阶数n≥7时，其推力波动和法向力波动分别约为传统端部的2.0％和0.3％。，硅钢片(7)的端部尺寸按一定步长加长或缩短，步长ls＝hVAR/n。
优点及效果：本发明提供一种V-型结构低磁阻力波动永磁直线电机，其可以实现初级动子两个纵向端部磁阻力引起的推力波动和法向力波动接近为零；也可以同时实现永磁直线电机端部磁阻力及齿槽磁阻力引起的法向力波动和推力波动接近为零；本发明不会引起直线电机动子的“纵向拉扯运动趋势”和“横向俯仰运动趋势”。
本申请包括电枢绕组和电枢铁心组成的初级，永磁磁极和定子轭组成的次级；永磁磁极固定在定子轭上，电枢绕组嵌置于初级电枢铁心的槽中；永磁磁极为两块永磁体拼接而成，可组成直极，也可组成V-型，初级铁心由若干冲剪成型的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经加工后呈理想的V-型，或多级台阶的准V-型(阶梯型)，可根据系统的伺服性能需求灵活设计成镜像对称的V-型，形如“><”，或为非镜像对称的V-型，形如“>>”。
V-型永磁磁极的V-型深度hVPM＝kzbs/nL，nL为槽数和极数的最小公倍数，即nL＝LCM(z，p)，下标VPM表示V型永磁磁极，k为正整数，p为极数，z为槽数，bs为槽距。V-型电枢铁心的V-型深度hVAR＝τ+hVPM，下标VAR表示V型电枢铁心，τ为极距。
本发明与现有技术相比，具体优点如下：
1)同时具有V-型电枢铁心和V-型永磁磁极的永磁直线电机能够消除磁阻力(法向和切向)波动，同时不会影响电机的推力大小。
2)对于齿槽磁阻力波动较小的电机可以仅采用V-型电枢铁心单独的消除端部磁阻力波动。
3)本V-型结构低磁阻力波动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是本发明的镜像对称直极V-型电枢铁心电机三维结构图；
图2是本发明的镜像对称直极V-型电枢铁心电机俯视图；
图3是本发明的非镜像对称V-型磁极V-型电枢铁心电机三维结构图；
图4是本发明的非镜像对称V-型磁极V-型电枢铁心电机俯视图；
图5是本发明的准V-型(阶梯型)电枢铁心电机三维结构图；
图6是本发明的准V-型(阶梯型)电枢铁心电机俯视图；
图7是构成电枢铁心的硅钢片示意图；
附图标记说明：
1.电枢铁心、2.电枢绕组、3.次级极轭、4.槽、5.永磁磁极、6.冲剪成型的硅钢片一、7.冲剪成型的硅钢片二。
具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：
本发明提供一种V-型结构低磁阻力波动永磁直线电机，该电机包括初级动子和次级定子，初级动子和次级定子正对，电枢铁心1和嵌放于电枢铁心1的槽4中的绕组2共同构成了初级动子，初级电枢铁心1的两个纵向端部呈“V”型；次级极轭3和粘贴于次级极轭3上的永磁磁极5共同构成了次级定子，初级动子与永磁磁极5正对。
永磁磁极5为直极或呈V型。
所述电枢铁心1的两个纵向端部的V型为镜像对称的V型，即“><”形，或者为非镜像对称的同向V型，即“>>”，当电枢铁心(1)的两端为镜像对称的V型时，永磁磁极5为直极；当电枢铁心1的两端为非镜像对称的V型时，永磁磁极5为直极或者V型。
所述V型永磁磁极5由两块相同充磁方向的磁块拼接而成形成“>”形状；V型永磁磁极5的V型深度hVPM＝kzbs/nL，nL为槽数和极数的最小公倍数，即nL＝LCM(z，p)，k为正整数，p为极数，z为槽数，bs为槽距，下标VPM表示V型永磁磁极，当永磁磁极5为直极时，hVPM＝0，相异充磁方向的直极永磁磁极5等间距依次固定在次级极轭3上。
所述初级电枢铁心1两个端部的V型深度hVAR＝τ+hVPM，τ为极距，下标VAR表示V型电枢铁心。
所述初级电枢铁心1由若干纵向长度相同、冲剪成型的硅钢片叠压后，经由线切割或其他方式加工成两端呈V型的结构；或由若干冲剪成型的硅钢片7叠压构成多级台阶形式的两端是V型结构的(阶梯型)端部，台阶数n≥7时，其推力波动和法向力波动分别约为传统端部的2.0％和0.3％。硅钢片7的端部尺寸按一定步长加长或缩短，步长ls＝hVAR/n。
结合附图：
如图1、图3、图5所示，本发明涉及一种V-型结构磁阻力波动接近于零的永磁直线电机，其初级动子和次级定子正对，两者之间有一个较小的均匀气隙；电枢铁心1的两端形如“><”或“>>”。
也就是永磁磁极5可以为图1的直极型，也可以为图5的V-型，当为V-型时，可由两块永磁块拼接而成。
图3、4、5、6中的所述永磁磁极5制作成V-型结构，消除齿槽磁阻力的波动，V型永磁磁极5的V型深度hVPM＝kzbs/nL，nL为槽数和极数的最小公倍数，即nL＝LCM(z，p)，k为正整数，p为极数，z为槽数，bs为槽距。
图1、2、3、4、5、6中的所述初级电枢铁心1两个V型端部结构，消除端部效应磁阻力的波动，初级电枢铁心1的V-型深度hVAR＝τ+hVPM，τ为极距，当永磁磁极5为直极时，hVPM＝0。
图1、图3中的所述初级电枢铁心1由若干冲剪成型的硅钢片7叠压构成，硅钢片7纵向长度为L+b+c，b＝c＝τ，再经由线切割或其他方式加工而成V-型。图5准V-型(阶梯型)结构中的所述初级电枢铁心1由一系列纵向长度不等的若干冲剪成型的硅钢片7叠压构成。
如图5、6所示，当电枢铁心1非镜像对称准V型(阶梯型)时，设台阶数为n，则由1，2，3，…，n种规格的硅钢片7叠压而成。对于第一级台阶(n＝1时)，硅钢片7的一个端部尺寸b＝0，另外一边端部尺寸c＝nls＝n hVAR/n＝hVAR＝τ，ls为步长，ls＝hVAR/n，hVAR为V-型电枢铁心的V-型深度；对于第二级台阶(n＝2时)，硅钢片7的一个端部尺寸b＝ls＝hVAR/n，另外一边端部尺寸c＝(n-1)ls＝(n-1)hVAR/n；对于第n级台阶(n＝n时)，硅钢片7的一个端部尺寸b＝nls＝nhVAR/n＝hVAR＝τ，另外一边端部尺寸c＝0；根据电枢铁心1横向宽度的要求，每一种规格的硅钢片都包含多片。
如果将图1的电枢铁心1制作成镜像对称V型电枢铁心，设台阶数为n，则由1，2，3，…，n种规格的硅钢片7叠压而成。n＝1时，硅钢片7的端部尺寸b＝c＝0；n＝2时，硅钢片7的端部尺寸b＝c＝ls＝hVAR/n，n＝n-1时，b＝c＝(n-1)ls＝(n-1)hVAR/n；n＝n时，硅钢片7的端部尺寸b＝c＝nls＝τ；根据电枢铁心1横向宽度的要求，每一种规格的硅钢片都包含多片。
上述图1、2结构的永磁直线电机能消除端部效应引起的推力波动和法向力波动，还能防止动子的横向扭摆。上述图3、4、5、6结构的永磁直线电机能同时消除端部效应和齿槽效应引起的推力波动和法向力波动，也能防止动子的横向扭摆。
本发明由于消除了齿槽和端部磁阻力的波动，非常适合于高精度伺服系统，本发明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；特别是图5非镜像对称准V型(阶梯型)结构的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，但伺服性能得到了极大的提高。

Claims (3)

1.一种V-型结构低磁阻力波动永磁直线电机，其特征在于：该电机包括初级动子和次级定子，初级动子和次级定子正对，电枢铁心(1)和嵌放于电枢铁心(1)的槽(4)中的绕组(2)共同构成了初级动子，初级电枢铁心(1)的两个纵向端部呈“V”型；次级极轭(3)和粘贴于次级极轭(3)上的永磁磁极(5)共同构成了次级定子，初级动子与永磁磁极(5)正对；
永磁磁极(5)为直极或呈V型；
所述电枢铁心(1)的两个纵向端部的V型为镜像对称的V型，即“><”形，或者为非镜像对称的同向V型，即“>>”，当电枢铁心(1)的两端为镜像对称的V型时，永磁磁极(5)为直极；当电枢铁心(1)的两端为非镜像对称的V型时，永磁磁极(5)为直极或者V型；
所述V型永磁磁极(5)由两块相同充磁方向的磁块拼接而成形成“>”形状；V型永磁磁极(5)的V型深度hVPM＝kzbs/nL，nL为槽数和极数的最小公倍数，即nL＝LCM(z，p)，k为正整数，p为极数，z为槽数，bs为槽距，下标VPM表示V型永磁磁极，当永磁磁极(5)为直极时，hVPM＝0，相异充磁方向的直极永磁磁极(5)等间距依次固定在次级极轭(3)上。
2.根据权利要求1所述的一种V-型结构低磁阻力波动永磁直线电机，其特征在于：所述初级电枢铁心(1)两个端部的V型深度hVAR＝τ+hVPM，τ为极距，下标VAR表示V型电枢铁心。
3.根据权利要求2所述的一种V-型结构低磁阻力波动永磁直线电机，其特征在于：所述初级电枢铁心(1)由若干纵向长度相同、冲剪成型的硅钢片叠压后，经由线切割或其他方式加工成两端呈V型的结构；或由若干冲剪成型的硅钢片(7)叠压构成多级台阶形式的两端是V型结构的阶梯型端部，台阶数n≥7时，其推力波动和法向力波动分别约为传统端部的2.0％和0.3％，硅钢片(7)的端部尺寸按一定步长加长或缩短，步长ls＝hVAR/n。
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