CN105391260B - 双定子永磁游标直线电机及增加磁场调制效应的设计方法 - Google Patents

双定子永磁游标直线电机及增加磁场调制效应的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双定子永磁游标直线电机及增加磁场调制效应的设计方法，包括电机初级、第一次级和第二次级，第一次级和第二次级分列初级两侧，中间以气隙相隔；电机次级包含调制齿；电机初级为双边对称结构，永磁体内嵌于初级铁心单元轭部。本发明解决了传统永磁游标电机中固有的永磁体端部漏磁问题，提高永磁体利用率，从而提高电机推力密度；此外，两个电机次级都是由硅钢片叠压而成，对于物流输送线和轨道交通等直线长行程应用，可以节约永磁材料从而大大降低成本。本发明的电机设计方法可以通过调整永磁体结构参数，利用有限元计算方法反复计算得到永磁电机反电动势幅值最大时所对应的永磁电机的永磁体结构参数。

Description

双定子永磁游标直线电机及增加磁场调制效应的设计方法
技术领域
本发明涉及到永磁游标电机及获得最佳磁场调制效应的设计方法，特别是高推力密度双定子永磁游标直线电机及获得最佳磁场调制效应的设计方法，适用于物流输送线和轨道交通，属于新型电机制造的技术领域。
背景技术
现有长距离物流输送线一股采用低成本直线感应电机，其功率因数和效率都较低，采用永磁结构可以提高性能，而传统永磁直线同步电机一股采用短电枢运动方式，磁极长度由行程决定，长行程时永磁体用量多、成本高，应用面受到了极大的限制。同时一股永磁游标直线电机电枢绕组位于定子上，永磁体位于初级上，遇到了与传统永磁直线同步电机一样的问题，长行程应用将导致巨大的投资成本。
另一方面，随着定子永磁型电机以及永磁游标电机研究的深入，磁通切换、磁通反向和双凸极永磁电机以及基于磁场调制效应的永磁游标电机受到了关注，其中永磁游标电机可以将低速磁场调制为高速磁场，具有低速大转矩的特点，但存在漏磁较多，永磁体利用率不高以及功率因数较低的问题。
中国发明专利申请号201010119957.X公开了一种长定子初级永磁直线电机，实则是一种双凸极永磁直线电机，永磁磁场为单极性，永磁体和绕组都置于初级，长行程应用可以节约成本，其中的具体实施方案3和4的电机模型更接近传统意义上的双凸极电机，但它不具备磁场调制能力，气隙磁场中无用谐波含量较多，限制了推力的输出，同时这些无用谐波产生的损耗加剧了永磁体发热，不利于电机初级散热。中国专利申请号201510209749.1公开了一种定子永磁型电机，其结构类似双凸极永磁电机，但是从图6所示的磁场分布以及运行原理来看，它更接近于磁通切换电机，而非传统的双凸极电机，虽然可以产生双极性的电枢永磁磁链与平滑的转矩输出，但是该电机每隔两个定子凸极齿设置一块永磁体，同一时刻每个绕组所匝链的磁通仅是由一个永磁体产生的，同时不具备磁场调制能力，这就限制了反电动势幅值和转矩输出。双边直线电机相比于单边直线电机，可以进一步提高推力密度，但是目前，双边定子永磁型直线电机的研究不是很多，中国专利申请号201110000290.6公开了一种双边磁通切换永磁直线电动机，其可以产生稳定的推力，但是和普通磁通切换永磁电机一样，同样不具备磁场调制能力，虽然抑制了传统单边磁通切换电机的永磁体端部漏磁，但是其双边磁场各走各的，没有实现串联，其效果只是单边电机的简单叠加，甚至不及单边电机的两倍。中国专利申请号201410259315.8公开了一种双边初级永磁游标直线电机，其两边定子仅由硅钢片叠压而成，绕组和永磁体都位于初级上，但永磁体依然表贴于初级齿表面，严重的永磁体端部漏磁无法避免，导致其功率因数不高，限制了推力输出。而且其双边定子完全对称，导致上下磁路无法串联，只是单边效果的简单叠加，无法充分发挥磁场调制的特点。
发明内容
本发明的目的是，针对现有高性能永磁游标直线电机的不足，提出一种高推力密度的双定子永磁游标直线电机及增强磁场调制效应的设计方法。
具体地说，本发明的电机是采取以下的技术方案来实现的：
一种高推力密度双定子永磁游标直线电机，包括初级、第一次级和第二次级，所述第一次级和第二次级分别排列在初级两侧，所述第一次级、第二次级和初级之间以气隙相隔；所述初级包括初级铁心、永磁体、电枢绕组；所述初级铁心由多个初级铁心单元组成；所述初级铁心单元的双边端部均为电枢齿，所述初级铁心单元的中部为轭部，所述电枢绕组绕在电枢齿上；所述初级为双边对称结构；所述初级铁心单元为十字形结构，每个初级铁心单元可以单独构成初级铁心单元组，或者N个初级铁心单元通过串联构成初级铁心单元组(2≤N≤3)，每两个初级铁心单元组相邻的轭部之间以永磁体相连，且永磁体在竖直方向上的厚度等于初级铁心单元轭部厚度，相邻的两块永磁体励磁方向相反且所有永磁体励磁的水平方向分量不能为零，进而产生双极性的永磁磁场；当一个初级铁心单元单独构成初级铁心单元组时，任意相邻两个初级铁心单元之间，由相邻的电枢齿、永磁体以及轭部围成面积相同的齿槽C；当2≤N≤3时，每个初级铁心单元组的内部由相邻的电枢齿和轭部形成N-1个齿槽A，相邻的两个初级铁心单元组之间由电枢齿、永磁体以及轭部围成一个齿槽B，且齿槽A与齿槽B形成的面积相等；所述第一次级和第二次级均为等齿宽的凸极结构，凸极部分作为调制齿，第一次级和第二次级不完全对称，第一次级调制齿的中心线与第二次级槽的中心线重合，形成齿槽相对的结构，能够使两边磁路实现串联。
进一步，所述永磁体在竖直方向上的顶端和底端正对着初级铁心单元电枢齿齿槽中间位置，所述永磁体的数目与初级铁心单元组的数目相等；所述永磁体的极对数与电枢绕组的极对数之和等于所述第一次级或第二次级的凸极齿数。
进一步，所述初级铁心采用直槽结构，或采取半闭口槽结构；所述第一次级、第二次级的调制齿采用直齿结构，或采用斜齿结构。
进一步，所述初级铁心单元组仅由一个初级铁心单元组成。
进一步，所述初级铁心的半闭口槽结构满足：直槽部分槽宽为bs1，极靴部分槽开口宽度为bs0，极靴宽度为T，bs1∶T＝0.6，bs1∶bs0＝4.2；
所述第一次级、第二次级中调制齿的斜齿结构满足：凸出的调制齿顶宽为d2，齿底部宽为s2，槽底部、槽顶部宽度分别是d1、s1，s1∶s2＝3∶2，d1∶d2＝2。
进一步，所述电枢绕组的相数≥3相；电枢绕组采用分布式绕制方式，为单层或者双层。
进一步，所述永磁体采用铁氧体、钕铁硼材料，为长方体结构。
进一步，所述初级铁心单元、第一次级、第二次级由硅钢片叠压而成。
进一步，所述电枢绕组的相数为3相，永磁体采用12对极，第一次级、第二次级的调制齿的齿数为14时，电枢绕组的跨距为6个电枢齿。
本发明的设计方法的技术方案为：
一种高推力密度双定子永磁游标直线电机增加磁场调制效应的设计方法，包括如下步骤：
步骤1，在满足永磁体的极对数与电枢绕组的极对数之和等于所述第一次级或第二次级的凸极齿数关系式的情况下，确定一定的永磁体极对数和次级调制齿数的配合；
步骤2，保持次级极距不变的情况下，同时调整第一次级和第二次级的调制齿槽顶部宽度s1和调制齿齿底部宽s2的比值s1∶s2，以及调制齿的长度，使得电机磁场未达到饱和时电机反电动势达到最大值；
步骤3，在保持初级极距不变的情况下，同时调整电机初级的直槽部分槽宽bs1和极靴宽度T的比值bs1∶T，以及极靴部分槽开口宽度bs0的值，使得电机磁场未达到饱和时电机反电动势达到最大值；
步骤4，通过调整永磁体结构参数，在电机磁场未达到饱和时，利用有限元计算方法反复计算得到电机反电动势幅值最大时所对应的电机的永磁体结构参数，所述永磁体结构参数主要有：永磁体的宽度w1、永磁体沿初级铁心单元轭部的厚度w2、永磁体励磁方向(x，y)；所述电机相邻的两个永磁体在设计优化其励磁方向时保证方向相反且所有永磁体励磁的水平方向分量不能为零；在调整永磁体的结构参数时，永磁体的宽度w1、永磁体沿初级铁心单元轭部的厚度w2、永磁体励磁方向(x，y)需同时参与优化；
步骤5，调整电机第一次级和第二次级槽顶宽d1和调制齿顶宽d2的比值d1∶d2，在电机磁场未饱和情况下，调整至定位力较小、反电动势最大为止。
步骤6，调制永磁体的极对数和次级调制齿数的配合，重复步骤2、3、4、5，择优选择反电动势最大时永磁体的极对数和次级调制齿数的配合。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明中永磁体位于两个初级铁心单元组之间，且内嵌于初级铁心单元的轭部，永磁体的顶端和底端分别与初级双边电枢齿的齿槽相接触，正对着电枢齿齿槽中间位置，且永磁体为励磁方向相反，永磁磁场为双极性；所述永磁体的数目与初级铁心单元组的数目相等；永磁体的极对数与电枢绕组的极对数之和等于所述第一次级或第二次级的凸极齿数。上述各关系式的建立，同时每两个定子铁心单元组之间的轭部需内嵌一个永磁体，加上永磁体厚度等于初级铁心单元轭部厚度的特殊设计，使其拥有很强的磁场调制能力，很好的发挥了磁场调制效应，降低了气隙中无用谐波的含量，同时这种设计抑制了永磁体端部的漏磁，增加了有效磁通，提高了永磁体的利用率，大大提高了推力密度；此外，当一个初级铁心单元单独构成初级铁心单元组时，任意相邻两个初级铁心单元之间，由相邻的电枢齿、永磁体以及轭部围成面积相同的齿槽C，或2≤N≤3时，齿槽A与齿槽B形成的面积相等的设计，能够保证绕组匝数相等，同时使得齿槽部分的气隙长度相等，使得电机的定位力和推力波动进一步减小，反电动势更加正弦。
2.本发明中的初级铁心除了采用直槽结构，优选方案优先采用半闭口槽结构，这样能够提高推力密度，同时有效地抑制电机的定位力的波动和提升反电势的正弦度；次级调制齿除采用直齿结构，优选方案优先采用斜齿结构来减小定位力，增强磁场调制效果。
3.本发明采用双边次级结构，且两个次级相互错开一半的极距，为两边磁链提供有效串联回路，使磁场调制效应得以充分发挥，可以得到最大的反电动势和推力密度，而且永磁体和绕组均位于电机初级上，次级部分仅由硅钢片叠压而成，结构简单，机械强度高，在直线长行程场合，不仅满足推力要求，而且节省永磁体用量，大大减少投资成本。本发明永磁体和电枢绕组都位于电机初级，散热方便。
4.本发明中获得最佳磁场调制效应的永磁电机设计方法，减少电机铁心饱和的风险，增加永磁体利用率，进而得到最大的反电动势幅值和推力密度。
综上，本发明的永磁电机将永磁体和电枢绕组放置在电机初级上，两个电机次级仅由硅钢片叠压而成，与传统永磁直线同步电机相比，在长行程时永磁体用量少，投资成本低。同时，初级铁心单元呈十字形结构，每两个初级铁心单元组之间的轭部都内嵌一个永磁体，相邻永磁体励磁方向相反，与双凸极永磁电机中产生单极性磁场的永磁体相比，这里的永磁体产生的磁场为双极性；相比传统表贴式永磁游标直线电机，抑制了永磁体端部漏磁，提高永磁体利用率，可以获得高推力密度；相比磁通切换直线电机，这种设计使电机发挥了较好的磁场调制效应。同时采用双定子结构，上下定子不完全对称，为齿槽相对的结构，与现有的一些双边对称永磁游标直线电机相比，可以增强磁场调制的效果，实现两边磁路串联，获得最大的反电动势幅值，同时与单边结构相比可以实现1+1＞2的效果；且次级调制齿可以采用斜齿结构，初级电枢齿采用半闭口槽结构，可以减小电机的推力波动。电枢绕组采用分布式方式获得较高的绕组因数。获得最佳磁场调制效应的永磁电机设计方法包括以下步骤：通过调整永磁体结构参数，在电机磁场未达到饱和时，利用有限元计算方法反复计算得到永磁电机反电动势幅值最大时所对应的永磁电机的永磁体结构参数。所述的永磁电机的永磁体结构参数主要有：永磁体的宽度w1、永磁体沿初级铁心单元轭部的厚度w2、永磁体励磁方向(x，y)。通过这样的设计，可以使电机获得最佳的磁场调制效应，减少电机铁心饱和的风险，增加永磁体利用率，进而得到最大的反电动势幅值和推力密度。
附图说明
图1为本发明第一实施例电机的结构示意图；
图2为本发明第二实施例电机的结构示意图；
图3为本发明第三实施例电机的结构示意图；
图4为本发明实施例电机的槽星形图；
图5为本发明实施例电机永磁体结构参数图
图6为本发明实施例电机在永磁体单独作用时磁通分布图和漏磁图；
图7为本发明实例电机磁通路径的两种回路图
图8为一种双凸极永磁电机和双边磁通切换电机在永磁体单独作用时磁通分布图；
图9为本发明实例电机气隙磁密的谐波分布图
图10为本发明实施例电机调制齿的放大图；
图11为本发明实施例电机电枢齿的放大图；
图12为本发明实施例电机的反电动势波形图；
图13为本发明实施例电机的推力波形。
图中：1、电机初级，2、初级铁心单元，3、永磁体，4、电枢绕组，5、电枢齿，6、第一次级，7、第二次级，8、调制齿，9、气隙，10、齿槽A，11、齿槽B。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1-3所示，本发明公开了一种高推力密度双定子永磁游标直线电机及获得最佳磁场调制效应的永磁电机设计方法，包括初级1、第一次级6和第二次级7，所述第一次级6和第二次级7分别排列在初级1两侧，所述第一次级6、第二次级7和初级1之间以气隙9相隔；所述初级1包括初级铁心、永磁体3、电枢绕组4；所述初级铁心由多个为十字形结构的初级铁心单元2组成；所述初级铁心单元2的双边端部均为电枢齿5，所述初级铁心单元2的中部为轭部，所述电枢绕组4绕在电枢齿5上；所述初级1为双边对称结构；每个初级铁心单元2可以单独构成初级铁心单元组，或者N个初级铁心单元2通过串联构成初级铁心单元组(2≤N≤3)，每两个初级铁心单元组之间相邻的轭部以永磁体3相连，在图1中，永磁体3在竖直方向上的厚度等于初级铁心单元2轭部厚度；当一个初级铁心单元2单独构成初级铁心单元组时，任意相邻两个初级铁心单元2之间，由相邻的电枢齿、永磁体3以及轭部围成面积相同的齿槽C；当2≤N≤3时，每个初级铁心单元组的内部由相邻的两个电枢齿和轭部形成N-1个齿槽A10，相邻的两个初级铁心单元组之间由相邻的两个电枢齿、永磁体3以及轭部围成一个齿槽B11，且齿槽A10与齿槽B11形成的面积相等；相邻的两块永磁体3励磁方向相反且所有永磁体励磁的水平方向分量不能为零，进而产生双极性的永磁磁场；
所述第一次级6和第二次级7均为等齿宽的凸极结构，凸极部分作为调制齿8，第一次级6和第二次级7不完全对称，第一次级6调制齿8的中心线与第二次级7槽的中心线重合，形成齿槽相对的结构，能够使两边磁路实现串联。
作为本发明的实施例，上述永磁体3采用铁氧体、钕铁硼材料，为长方体结构；所述初级铁心单元2、第一次级6、第二次级7由硅钢片叠压而成。所述永磁体3在竖直方向上的顶端和底端正对着初级铁心单元电枢齿5齿槽中间位置，所述永磁体3的数目与初级铁心单元组的数目相等；所述永磁体3的极对数与电枢绕组4的极对数之和等于所述第一次级6或第二次级7的凸极齿数。上述电枢绕组4绕在初级铁心单元2的电枢齿5上，为分布式绕组，单层或双层，从而得到较高的绕组因数和正弦度较高的反电动势。电机第一次级6和第二次级7均为等齿宽的凸极结构，调制齿8可以根据具体要求采用是斜齿或者直齿。
获得最佳磁场调制效应的永磁电机设计方法包括如下步骤：
步骤1，在满足永磁体3的极对数与电枢绕组4的极对数之和等于所述第一次级6或第二次级7的凸极齿数关系式的情况下，确定一定的永磁体极对数和次级调制齿数的配合；
步骤2，保持次级极距不变的情况下，同时调整第一次级6和第二次级7的调制齿槽顶部宽度s1和调制齿齿底部宽s2的比值s1∶s2，以及调制齿8的长度，使得电机磁场未达到饱和时电机反电动势达到最大值；
步骤3，在保持初级极距不变的情况下，同时调整电机初级1的直槽部分槽宽bs1和极靴宽度T的比值bs1∶T，以及极靴部分槽开口宽度bs0的值，使得电机磁场未达到饱和时电机反电动势达到最大值；
步骤4，通过调整永磁体3结构参数，在电机磁场未达到饱和时，利用有限元计算方法反复计算得到电机反电动势幅值最大时所对应的永磁电机的永磁体结构参数，所述永磁体结构参数主要有：永磁体的宽度w1、永磁体沿初级铁心单元轭部的厚度w2、永磁体励磁方向(x，y)；所述电机相邻的两个永磁体在设计优化其励磁方向时保证方向相反且所有永磁体励磁的水平方向分量不能为零；在调整永磁体的结构参数时，永磁体的宽度w1、永磁体沿初级铁心单元轭部的厚度w2、永磁体励磁方向(x，y)需同时参与优化；
步骤5，调整电机第一次级6和第二次级7槽顶宽d1和调制齿顶宽d2的比值d1∶d2，在电机磁场未饱和情况下，调整至定位力较小、反电动势最大为止。
步骤6，调制电机的极数/槽数的配合，重复步骤2、3、4、5，择优选择反电动势最大时永磁体的极对数和次级调制齿数的配合。
实施例1
为了清楚阐述本发明的具体实施方式，下面将结合附图中的三相电机对本发明加以说明，可以看到，每两个初级铁心单元2之间的轭部需内嵌一个永磁体3，相邻的永磁体励磁方向相反，故永磁体产生的磁场为双极性的，与双凸极永磁电机中单极性的永磁磁场截然不同。在本发明实施例中永磁体的极对数为12，次级调制齿数为14，电枢绕组的极对数为2。永磁体极对数与电枢绕组极对数之和应该等于调制齿数。该具体电机电枢绕组采用双层分布式，根据电机学的槽星型图的理论，电枢齿数为24，电枢绕组的极对数为2，本发明实施例的槽星形图如图4所示，跨距为6，这样可以获得最大的绕组因数、反电动势和推力。
如图1所示，包括初级1、第一次级6和第二次级7，所述第一次级6和第二次级7分别排列在初级1两侧，所述第一次级6、第二次级7和初级1之间以气隙9相隔；所述初级1包括初级铁心、永磁体3、电枢绕组4；所述初级铁心由多个初级铁心单元2组成；所述初级铁心单元2的双边端部均为电枢齿5，所述初级铁心单元2的中部为轭部，所述电枢绕组4绕在电枢齿5上；所述初级1为双边对称结构；该实施例中，当一个初级铁心单元2单独构成初级铁心单元组时，任意相邻两个初级铁心单元2之间，由相邻的电枢齿、永磁体3以及轭部围成面积相同的齿槽C。
在电机设计过程中，采用本发明提出的获得最佳磁场调制效应的永磁电机设计方法，对电机的永磁体的结构参数进行调整，在电机磁场未达到饱和时，利用有限元计算方法反复计算得到永磁电机反电动势幅值最大时所对应的永磁电机的永磁体结构参数。在优化过程中，同时优化永磁体的宽度w1、永磁体沿初级铁心单元轭部的厚度w2、永磁体励磁方向(x，y)，且永磁电机相邻的两个永磁体在设计优化其励磁方向时保证方向相反且水平方向分量x不能为0。
图5给出了本发明实例电机的永磁体结构参数图，通过以上设计方法，最终得到所述永磁体3的宽度占电枢齿5齿槽槽宽的一半，永磁体3厚度等于初级铁心单元轭部厚度，励磁方向为水平方向，此时电机磁场未达到饱和且反电动势最大。
图6中给出了本发明实施例电机在空载情况下的磁通分布图，由图可见，12对极的永磁磁场经过14个调制齿的调制后，在电机中形成了2对极的永磁磁场，恰好可以与2对极电枢磁场相互作用，验证了在本发明实施例中游标电机的调制效应是有效的。同时可以看到实例电机电枢齿端部漏磁很少，永磁体利用率很高。
图7显示了本发明实例电机的几种磁通走势，只经过一个电机次级的一种磁路从一个永磁体N极出发，经过初级铁心，穿过气隙I，再经过电机第一次级，再穿过气隙I回到初级，经过初级铁心回到该永磁体的S极。另一种磁路经过了两个次级，即从一个永磁体A的N极出发，经过初级铁心，穿过气隙I，经过第一次级，再穿过气隙I回到初级，再从另一个永磁体B的S极进入，N极穿出，经过初级铁心穿过气隙II，经过第二次级，穿回气隙II回到初级中永磁体A的S极。第二种磁路串联了双边次级，可以看出本发明的双定子结构比单定子的结构，可以使反电动势和输出推力大大增加，实现1+1＞2的效果。
图8(a)为传统双凸极永磁电机在永磁体单独作用时磁通分布图，可以看到磁场极数就等于永磁体极数，没有磁场的调制，这会导致气隙中谐波含量较大。图8(b)是中国专利申请号201110000290.6公开的双边磁通切换永磁直线电动机的空载磁通分布图，可以看出，其磁力线一半从一边的次级通过，一半从另一边的次级通过，两边的磁通完全没有串联；而且磁场极对数就是永磁体的极对数，可见没有磁场调制效应。通过图6、7、8、的对比可以看到，本发明实施例电机的磁场分布充分体现了磁场调制效应的特点，两边磁路的串联更加充分发挥了双边结构的优势，可以产生更高的推力密度。
图9是本发明实例电机气隙磁密的谐波分析波形。图9(a)显示了永磁体单独作用的气隙磁密谐波在调制前后的变化，可以看到在没有调制作用时，永磁体在气隙中产生的主要谐波是12和36次，经过调制，所有谐波幅值都减小，2和26次谐波幅值增大。图9(b)显示了电枢绕组单独作用时气隙磁密谐波在调制前后的变化，可以看到电枢绕组在气隙中产生的主要谐波是2和22次的，经过调制，所有次谐波幅值减小，12和16次谐波幅值增大。当电机通电运行时，永磁磁场和电枢磁场所共有的2次和12次谐波相互作用产生稳定的推力。
图10显示了本发明实例电机的次级中调制齿8的斜齿结构和相对位置，次级极距为τ，凸出的调制齿顶宽为d2，齿底部宽为s2，槽底部、槽顶部宽度分别是d1、s1，s1∶s2＝3∶2，d1∶d2＝2，两个次级相互错开了一半的极距0.5τ，以及槽口形状的设计，第一次级和第二次级错开一半极距可以串联两边的磁路，获得最大的反电动势幅值和推力；斜齿的设计可以充分发挥调制效应，有效地抑制电机的定位力的波动。
图11显示了初级铁心半闭口槽的设计，直槽部分槽宽为bs1，槽高为h2，极靴部分槽开口宽度为bs0，极靴宽度为T，bs1∶T＝0.6，bs1∶bs0＝4.2，极靴直边部分高为h0，斜边部分高h1，这样能够进一步减小定位力以及提高反电动势的正弦度。
图12为本发明电机的空载反电动势波形图，可以看到，本电机可以产生具有较高的正弦度的反电动势，这证明了本发明电机采用每两个初级铁心单元2之间嵌入永磁体的特殊设计，可以充分发挥磁场调制效应，获得正弦的反电动势和高推力密度，满足高性能要求的需要。
图13为本发明的推力波形，平均值为1.36kN，这主要得益于每两个初级铁心单元之间的轭部内嵌一块永磁体的特殊设计，使其拥有很强的磁场调制能力，降低了气隙中无用谐波的含量，同时这种设计抑制了永磁体3端部的漏磁，增加了有效磁通，提高了永磁体的利用率，从而获得很大的反电动势幅值和推力密度。另外，第一次级6和第二次级7并非完全对称，而是形成齿槽相对的结构，使得两边的部分磁路得以串联，提高了绕组匝链磁通量，相比单边结构的模型可以实现1+1＞2的效果。故通过以上设计，提高了电机的反电动势以及推力密度。通过仿真结果计算得到，该实例电机的推力密度可达329N/dm3，远大于传统游标永磁直线电机以及磁通切换永磁直线电机的推力密度。
实施例2
如图2所示，本发明公开了一种高推力密度双定子永磁游标直线电机及增加磁场调制效应的设计方法中永磁直线电机也可以为五相电机，电枢绕组4绕在初级铁心单元2的电枢齿5上，绕制方式也可为集中式绕组，单层或双层；所述初级铁心单元2采用直槽结构，所述第一次级6、第二次级7的调制齿也可以采用直齿结构；每两个初级铁心单元2通过串联构成初级铁心单元组，每两个初级铁心单元组之间相邻的轭部以永磁体3相连；齿槽A10与齿槽B11形成的面积相等。
本发明的永磁游标直线电机的绕组和永磁体都位于电机初级，便于电机散热，而次级仅由硅钢片叠压而成，在长行程应用中采用长次级结构，可以节约永磁体用量从而节约成本。同时，每两个电枢齿之间的铁心轭部嵌入一块永磁体的设计，使电机具有很好的磁场调制能力，大大抑制了漏磁的产生，可以产生较高的推力密度。
实施例3
如图3所示，本发明公开了一种高推力密度双定子永磁游标直线电机及增加磁场调制效应的设计方法中永磁直线电机也可以为五相电机，电枢绕组4绕在初级铁心单元2的电枢齿5上，绕制方式也可为集中式绕组，单层或双层；所述初级铁心采用半闭口槽结构，所述第一次级6、第二次级7的调制齿也可以采用直齿结构；每三个初级铁心单元2通过串联构成初级铁心单元组，每两个初级铁心单元组之间相邻的轭部以永磁体3相连；齿槽A10与齿槽B11形成的面积相等。
综上，本发明公开一种高推力密度双定子永磁游标直线电机及获得最佳磁场调制效应的永磁电机设计方法。电机包含电机初级1、第一次级6和第二次级7，电机第一次级6和第二次级7分列初级1两侧，中间以气隙9相隔；电机初级包含初级铁心、永磁体3、电枢绕组4和电枢齿5；电机次级包含调制齿8；电机初级为双边对称结构，永磁体3内嵌于初级铁心单元2轭部，且每两个电枢齿之间的轭部应该嵌入一块永磁体以发挥磁场调制效应，相邻永磁体3励磁方向相反。三相分布式电枢绕组4绕在初级铁心单元2的电枢齿5上，可以是单层或双层，永磁体极对数与电枢绕组极对数之和应该等于调制齿数。电机第一次级6和第二次级7均为等齿宽的凸极结构，调制齿可以根据具体要求采用是斜齿或者直齿。第一次级与第二次级不完全对称，而是一种齿槽相对的结构，这种设计串联两边磁路，可以获得最大的反电动势幅值，同时解决了传统永磁游标电机中固有的永磁体端部漏磁问题，提高永磁体利用率，从而提高推力密度。永磁体和绕组都置于电机初级，便于散热；两个电机次级都是由硅钢片叠压而成，结构简单且机械强度高，对于物流输送线和轨道交通等直线长行程应用，可以节约永磁材料从而大大降低成本。获得最佳磁场调制效应的永磁电机设计方法包括如下步骤：通过调整永磁体结构参数，利用有限元计算方法反复计算得到永磁电机反电动势幅值最大时所对应的永磁电机的永磁体结构参数，所述的永磁电机的永磁体结构参数主要有：永磁体的宽度w1、永磁体沿初级铁心单元轭部的厚度w2、永磁体励磁方向(x，y)。永磁电机相邻的两个永磁体在设计优化其励磁方向时保证方向相反且水平方向分量x不能为0。在调整永磁体的的结构参数，所有参数需同时参与优化。通过这种设计方法，可以使电机的获得最佳的磁场调制效果，从而产生较大的反电动势和推力，以满足高性能应用的需求。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上对本发明所提供的一种高功率因数双定子永磁游标直线电机并对此进行了详细介绍，本文应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双定子永磁游标直线电机，包括初级(1)、第一次级(6)和第二次级(7)，所述第一次级(6)和第二次级(7)分别排列在初级(1)两侧，所述第一次级(6)、第二次级(7)和初级(1)之间以气隙(9)相隔；所述初级(1)包括初级铁心、永磁体(3)、电枢绕组(4)；所述初级铁心由多个初级铁心单元(2)组成；所述初级铁心单元(2)的双边端部均为电枢齿(5)，所述初级铁心单元(2)的中部为轭部，所述电枢绕组(4)绕在电枢齿(5)上；其特征在于：
所述初级(1)为双边对称结构；所述初级铁心单元(2)为十字形结构，每个初级铁心单元(2)可以单独构成初级铁心单元组，或者N个初级铁心单元(2)通过串联构成初级铁心单元组，2≤N≤3，每两个初级铁心单元组相邻的轭部之间以永磁体(3)相连，且永磁体(3)在竖直方向上的厚度等于初级铁心单元轭部厚度，相邻的两块永磁体(3)励磁方向相反且所有永磁体励磁的水平方向分量不能为零，进而产生双极性的永磁磁场；
当一个初级铁心单元(2)单独构成初级铁心单元组时，任意相邻两个初级铁心单元(2)之间，由相邻的电枢齿(5)、永磁体(3)以及轭部围成面积相同的齿槽C；当2≤N≤3时，每个初级铁心单元组的内部由相邻的电枢齿和轭部形成N-1个齿槽A(10)，相邻的两个初级铁心单元组之间由电枢齿、永磁体(3)以及轭部围成一个齿槽B(11)，且齿槽A(10)与齿槽B(11)形成的面积相等；
所述第一次级(6)和第二次级(7)均为等齿宽的凸极结构，凸极部分作为调制齿(8)，第一次级(6)和第二次级(7)不完全对称，第一次级(6)调制齿(8)的中心线与第二次级(7)槽的中心线重合，形成齿槽相对的结构，能够使两边磁路实现串联。
2.根据权利要求1所述的双定子永磁游标直线电机，其特征在于：所述永磁体(3)在竖直方向上的顶端和底端正对着初级铁心单元电枢齿(5)齿槽中间位置，所述永磁体(3)的数目与初级铁心单元组的数目相等；所述永磁体(3)的极对数与电枢绕组(4)的极对数之和等于所述第一次级(6)或第二次级(7)的凸极齿数。
3.根据权利要求1或2所述的双定子永磁游标直线电机，其特征在于：所述初级铁心采用直槽结构，或采取半闭口槽结构；所述第一次级(6)、第二次级(7)的调制齿(8)采用直齿结构，或采用斜齿结构。
4.根据权利要求3所述的双定子永磁游标直线电机，其特征在于：所述初级铁心单元组仅由一个初级铁心单元(2)组成。
5.根据权利要求4所述的双定子永磁游标直线电机，其特征在于：
所述初级铁心的半闭口槽结构满足：直槽部分槽宽为bs1，极靴部分槽开口宽度为bs0，极靴宽度为T，bs1:T＝0.6，bs1:bs0＝4.2；
所述第一次级(6)、第二次级(7)中调制齿(8)的斜齿结构满足：凸出的调制齿顶宽为d2，齿底部宽为s2，槽底部、槽顶部宽度分别是d1、s1，s1:s2＝3:2，d1:d2＝2。
6.根据权利要求1或2所述的双定子永磁游标直线电机，其特征在于：所述电枢绕组(4)的相数≥3相；电枢绕组(4)采用分布式绕制方式，为单层或者双层。
7.根据权利要求1或2所述的双定子永磁游标直线电机，其特征在于：所述永磁体(3)采用铁氧体、钕铁硼材料，为长方体结构。
8.根据权利要求1或2所述的双定子永磁游标直线电机，其特征在于：所述初级铁心单元(2)、第一次级(6)、第二次级(7)由硅钢片叠压而成。
9.根据权利要求4所述的双定子永磁游标直线电机，其特征在于：所述电枢绕组(4)的相数为3相，永磁体(3)采用12对极，第一次级(6)、第二次级(7)的调制齿的齿数为14时，电枢绕组(4)的跨距为6个电枢齿。
10.一种如权利要求5所述的双定子永磁游标直线电机增加磁场调制效应的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在满足永磁体(3)的极对数与电枢绕组(4)的极对数之和等于所述第一次级(6)或第二次级(7)的凸极齿数关系式的情况下，确定一定的永磁体极对数和次级调制齿数的配合；
步骤2，保持次级极距不变的情况下，同时调整第一次级(6)和第二次级(7)的调制齿槽顶部宽度s1和调制齿齿底部宽s2的比值s1:s2，以及调制齿(8)的长度，使得电机磁场未达到饱和时电机反电动势达到最大值；
步骤3，在保持初级极距不变的情况下，同时调整电机初级(1)的直槽部分槽宽bs1和极靴宽度T的比值bs1:T，以及极靴部分槽开口宽度bs0的值，使得电机磁场未达到饱和时电机反电动势达到最大值；
步骤4，通过调整永磁体(3)结构参数，在电机磁场未达到饱和时，利用有限元计算方法反复计算得到电机反电动势幅值最大时所对应的电机的永磁体结构参数，所述永磁体结构参数主要有：永磁体的宽度w1、永磁体沿初级铁心单元轭部的厚度w2、永磁体励磁方向(x，y)；所述电机相邻的两个永磁体在设计优化其励磁方向时保证方向相反且所有永磁体励磁的水平方向分量不能为零；在调整永磁体的结构参数时，永磁体的宽度w1、永磁体沿初级铁心单元轭部的厚度w2、永磁体励磁方向(x，y)需同时参与优化；
步骤5，调整电机第一次级(6)和第二次级(7)槽顶宽d1和调制齿顶宽d2的比值d1:d2，在电机磁场未饱和情况下，调整至定位力较小、反电动势最大为止；
步骤6，调制永磁体的极对数和次级调制齿数的配合，重复步骤2、3、4、5，择优选择反电动势最大时永磁体的极对数和次级调制齿数的配合。
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