CN104836413A - 低推力脉动的永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低推力脉动的永磁直线电机，包括长条形次级和设于次级上方并可沿次级的长度方向移动的初级；设于支撑架上的初级下表面和次级上表面之间设有间隙，初级由若干个铁芯片前后依次竖向叠压排列构成，每个铁芯片下部均设有呈分数槽结构的直齿，相邻直齿之间构成直槽，从左至右排列的各个奇数直齿或各个偶数直齿上均设有线圈；所述次级包括长条形磁轭、设于磁轭上表面上的前后两行间隔排列的条形永磁体；同行永磁体中相邻的永磁体间隔排列，同行永磁体中相邻的永磁体的同向端的极性互异，前后两行永磁体的相对永磁体的相近端极性相同。本发明具有通过抑制端部磁阻力和齿槽力有效抑制了直线电机推力脉动的特点。

Description

低推力脉动的永磁直线电机

技术领域

本发明涉及永磁直线电机技术领域，尤其是涉及一种在保持推力密度不变的前提下，可有效抑制推力脉动的低推力脉动的永磁直线电机。

背景技术

直线电机是近期发展起来的一种新型直接驱动技术，由于直线电机具有零传动链、无接触、无反向间隙、高刚度、响应快速等突出优势，直线电机正逐步取代伺服电机与滚珠丝杠等间接伺服机构，成为高速、精密高端装备的核心功能部件。由于直线电机的特殊结构，使得其磁路不再像永磁同步电机那样连续、闭合，存在边端效应；而由于铁芯开槽使得磁路不再均匀，导致不同位置初级与次级的合成力的大小和方向不断变化，即齿槽效应，两者均表现为直线电机的推力脉动或磁阻力，推力的不均匀对低速运行和快速精密定位的运动系统有不利影响，因此有效抑制端部效应与齿槽效应而不削弱推力密度是永磁同步直线电机的重要研究方向。

通常的永磁直线电机最常用的是斜槽或斜极，如果斜槽或斜极的角度足够大，可最大限度地削弱推力脉动，与此同时有效推力也将显著削弱，从而影响推力密度；并且斜槽或斜极的设置，也增加了制造的难度。还有采用异性永磁体如菱形永磁体、端部设置不等高附加齿、或者端部单独设置附加斜齿等，虽然可减小对有效推力的影响，但是推力脉动依然较大，不能完全满足高速、精密运动系统的要求。

中国专利授权公开号：CN101789675A，授权公开日2010年7月28日，公开了一种圆筒形永磁直线电机的次级，所述次级为轴对称结构，由多个铁芯、外套筒、内套筒或圆柱和多个永磁体组成，所述外套筒和内套筒或圆柱均由非导磁材料制成，铁芯和永磁体均为圆环状，多个铁芯和多个永磁体都固定在外套筒和内套筒或圆柱之间，并且多个铁芯和多个永磁体相间紧密排列，在次级径向截面上，每相邻的两个永磁体组成正V字形或者倒V字形，并且相邻的两个永磁体之间夹角为B，所述夹角B的取值范围是(0°，180°)，连续相邻的4个永磁体组成W形，所述连续相邻的4个永磁体及其中间的铁芯组成一对磁极，内套筒或圆柱的中心轴线与每对磁极中的4个永磁体的充磁方向之间的夹角依次为：A1＝B/2，A2＝180°-B/2，A3＝180°+B/2，A4＝360°-B/2。该发明的不足之处是，推力脉动较大。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的永磁直线电机推力脉动较大的不足，提供了一种在保持推力密度不变的前提下，可有效抑制推力脉动的低推力脉动的永磁直线电机。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种低推力脉动的永磁直线电机，包括长条形次级和设于次级上方并可沿次级的长度方向移动的初级；设于支撑架上的初级下表面和次级上表面之间设有间隙，初级由若干个铁芯片前后依次竖向叠压排列构成，每个铁芯片下部均设有呈分数槽结构的直齿，相邻直齿之间构成直槽，从左至右排列的各个奇数直齿或各个偶数直齿上均设有线圈；所述次级包括长条形磁轭、设于磁轭上表面上的前后两行间隔排列的条形永磁体；同行永磁体中相邻的永磁体间隔排列，同行永磁体中相邻的永磁体的同向端的极性互异，前后两行永磁体的相对永磁体的相近端极性相同；从左至右的每6个线圈为一个单元绕组，每个单元绕组中的线圈按照排列顺序划分为3对，3对线圈分别与三相电源的3相相对应，各个单元绕组中的同相的线圈串联或并联后构成分数槽绕组，分数槽绕组与三相电源电连接；

每个铁芯片的左下端均设有左附加齿，每个铁芯片的右下端均设有右附加齿，左附加齿的左下端和右附加齿的右下端均设有不等边倒角；所述初级位于下端开口的长方形壳体内，初级与壳体之间通过环氧树脂真空封装。

每个单元绕组中的3对线圈分别与三相电源的3相相对应，线圈的相位是根据其所在直齿的位置确定的。

具有呈分数槽结构的直齿铁芯片能削弱磁极磁场非正弦分布所产生的高次谐波电势；能有效地削弱谐波电势的幅值，改善电动势的波形；减小了因气隙磁导变化引起的每极磁通的脉振幅值，减少了磁极表面的脉振损耗。

本发明的各个线圈在直齿上是间隔设置的，并且从左至右的6个线圈为一个单元绕组，每个单元绕组按照排列顺序划分为3对，每单元绕组中的同相的线圈串联或并联后构成分数槽绕组，分数槽绕组与三相电源电连接。

通常的永磁直线电机存在初级不能与次级准确定位，定位所花费的时间长，初级低速移动时存在微小蠕动的问题。

本发明的初级采用分数槽铁芯片，并且各个线圈在直齿上是间隔设置的，每个铁芯片的两端分别设有左附加齿、右附加齿，左附加齿、右附加齿上均设有不等边倒角，可调节谐波磁导的幅值和相位，使各个铁芯片的端部力和齿槽力大部分抵消，从而有效抑制推力脉动，减少了定位所花费的时间，初级低速移动时不会蠕动，初级与次级可准确定位。

作为优选，左附加齿和右附加齿的宽度均为ε，不等边倒角的长边α为ε的35％至45％，不等边倒角的短边δ为长边α的50％至60％。

不等边倒角的长边α和短边δ的长度的限定，可进一步抑制端部效应引起的推力脉动。

作为优选，所述ε为相邻直齿的齿距T的70％至80％，ε长度的限定可进一步有效抑制端部效应引起的推力脉动。

作为优选，所述永磁体均呈长方体状，同行永磁体的长边相邻，每个永磁体的宽度β均为相邻永磁体的极距τ的82％至90％。

每个永磁体的宽度β的限定，显著改善由于铁芯开槽引起的齿槽力。

作为优选，所述壳体的上板体、左侧板和右侧板上均设有若干个螺钉孔。

作为优选，每个永磁体的下表面与磁轭上表面粘贴连接。

作为优选，铁芯片的极槽配合为12Z/11P。

因此，本发明具有如下有益效果：

(1)通过设置附加齿和附加齿上的不等边倒角，抑制端部效应引起的磁阻力；

(2)调节永磁体的极弧系数(β和τ的比值)抑制铁芯开槽引起的齿槽力；

(3)通过抑制端部磁阻力和齿槽力有效抑制了直线电机推力脉动。

附图说明

图1是本发明去掉壳体后的一种主视图；

图2是本发明的一种结构示意图；

图3是本发明与现有技术的一种推力脉动对比图。

图中：次级1、初级2、铁芯片3、直齿4、直槽5、磁轭6、永磁体7、左附加齿8、右附加齿9、不等边倒角10、壳体11、上板体12、左侧板13、右侧板14、螺钉孔15、电缆接头16。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示的实施例是一种低推力脉动的永磁直线电机，包括长条形次级1和设于次级上方并可沿次级的长度方向移动的初级2；设于支撑架上的初级下表面和次级上表面之间设有间隙，初级由铁芯片3前后依次竖向叠压排列构成，每个铁芯片下部均设有呈分数槽结构的直齿4，相邻直齿之间构成直槽5，从左至右排列的各个奇数直齿上均设有线圈；次级包括长条形磁轭6、设于磁轭上表面上的前后两行间隔排列的条形永磁体7；同行永磁体中相邻的永磁体间隔排列，同行永磁体中相邻的永磁体的同向端的极性互异，前后两行永磁体的相对永磁体的相近端极性相同；从左至右的每6个线圈为一个单元绕组，每个单元绕组中的线圈按照排列顺序划分为3对，3对线圈分别与三相电源的3相相对应，各个单元绕组中的同相的线圈串联或并联后构成分数槽绕组，分数槽绕组与三相电源电连接；

每个铁芯片的左下端均设有左附加齿8，每个铁芯片的右下端均设有右附加齿9，左附加齿的左下端和右附加齿的右下端均设有不等边倒角10；铁芯片的极槽配合为12Z/11P。

壳体的上板体12、左侧板13和右侧板14上均设有螺钉孔15。初级位于如图2所示的下端开口的长方形壳体11内，初级通过螺钉孔15直接与负载刚性连接，带动负载往复运动。初级封装时，先对初级和长方形壳体间的空隙抽真空，然后在空隙中填充环氧树脂，最后将初级与壳体封装成一体。

每个永磁体的下表面与磁轭上表面粘贴连接。右侧板上设有用于接入三相电源的电缆接头16。

如图1所示，左附加齿和右附加齿的宽度均为ε，不等边倒角的长边α为ε的45％，不等边倒角的短边δ为长边α的60％。ε为相邻直齿的齿距T的80％。

永磁体均呈长方体状，同行永磁体的长边相邻，每个永磁体的宽度β均为相邻永磁体的极距τ的82％。

如图3是本发明与现有技术的永磁直线电机在相同行程内的推力脉动对比图，纵坐标为推力脉动相对值，将现有技术的推力脉动峰值设1，可以看出，本发明的推力脉动比现有技术降低60％以上，在没有斜槽和斜极的情况下，有效推力基本不受影响。斜槽对有效推力的影响是通过小于1的斜槽系数体现的，斜槽角越大，斜槽系数越小。

本发明的工作过程如下：

将需要移动的负载安装在初级上，通过电缆接头将三相电源接入电机的分数槽绕组中，在控制器的控制程序中根据负载所要移动的距离及在每个位置停留的时间长度，设定随位置变化的三相交流电；当负载需要往回移动时，根据需要移动的距离，设定随位置变化的三相交流电，并改变三相电源的相序；

接通电源后，在初级和次级之间的间隙形成行波磁场，行波磁场产生与初级运动方向一致的推力，使初级移动预定的移动距离，因本发明有效的抑制了推力脉动，初级低速移动平稳，从而使初级与次级准确定位，定位所花费的时间短；

当负载在当前位置停留的时间达到预设的时间后，控制器控制初级和次级之间的间隙形成反向的行波磁场，行波磁场产生与初级往回移动方向一致的推力；使初级移动预定的移动距离；

当负载在当前位置停留的时间达到预设的时间后，控制器控制初级和次级之间的间隙的行波磁场再次改变，从而使初级带动负载移动至下一个预定位置。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种低推力脉动的永磁直线电机，其特征是，包括长条形次级(1)和设于次级上方并可沿次级的长度方向移动的初级(2)；设于支撑架上的初级下表面和次级上表面之间设有间隙，初级由若干个铁芯片(3)前后依次竖向叠压排列构成，每个铁芯片下部均设有呈分数槽结构的直齿(4)，相邻直齿之间构成直槽(5)，从左至右排列的各个奇数直齿或各个偶数直齿上均设有线圈；所述次级包括长条形磁轭(6)、设于磁轭上表面上的前后两行间隔排列的条形永磁体(7)；同行永磁体中相邻的永磁体间隔排列，同行永磁体中相邻的永磁体的同向端的极性互异，前后两行永磁体的相对永磁体的相近端极性相同；从左至右的每6个线圈为一个单元绕组，每个单元绕组中的线圈按照排列顺序划分为3对，3对线圈分别与三相电源的3相相对应，各个单元绕组中的同相的线圈串联或并联后构成分数槽绕组，分数槽绕组与三相电源电连接；

每个铁芯片的左下端均设有左附加齿(8)，每个铁芯片的右下端均设有右附加齿(9)，左附加齿的左下端和右附加齿的右下端均设有不等边倒角(10)；所述初级位于下端开口的长方形壳体(11)内，初级与壳体之间通过环氧树脂真空封装。

2.根据权利要求1所述的低推力脉动的永磁直线电机，其特征是，左附加齿和右附加齿的宽度均为ε，不等边倒角的长边α为ε的35％至45％，不等边倒角的短边δ为长边α的50％至60％。

3.根据权利要求2所述的低推力脉动的永磁直线电机，其特征是，所述ε为相邻直齿的齿距T的70％至80％。

4.根据权利要求1所述的低推力脉动的永磁直线电机，其特征是，所述永磁体均呈长方体状，同行永磁体的长边相邻，每个永磁体的宽度β均为相邻永磁体的极距τ的82％至90％。

5.根据权利要求1所述的低推力脉动的永磁直线电机，其特征是，所述壳体的上板体(12)、左侧板(13)和右侧板(14)上均设有若干个螺钉孔(15)。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的低推力脉动的永磁直线电机，其特征是，每个永磁体的下表面与磁轭上表面粘贴连接。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的低推力脉动的永磁直线电机，其特征是，铁芯片的极槽配合为12Z/11P。