CN105406682A - 一种平板型直线开关磁链电机及其错齿位移选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种平板型直线开关磁链电机及其错齿位移选择方法。所述电机左右分为结构相同的两段；两段的动子相同位置的励磁源励磁方向相反，两段的定子凸齿前后错开一个错齿位移；把使得反电势基波幅值最大、二次谐波与基波幅值之比最小的错齿位移作为错齿位移I；把距离错齿位移I最近的使得齿槽力峰值最小的错齿位移作为错齿位移II；根据所述两个错齿位移的比较选择电机的错齿位移。本发明中的一种平板型直线开关磁链电机结构及错齿位移选择方法，适用多种平板型结构直线电机，任意励磁方式，任意定子极数和动子极数，都可使得电机的反电势正弦度高，幅值大，齿槽力小，推力脉动小。

Description

一种平板型直线开关磁链电机及其错齿位移选择方法

技术领域

本发明属于直线电机制造技术领域，尤其是涉及一种平板型直线开关磁链电机及其错齿位移选择方法。

背景技术

在直线驱动应用场合，相比于旋转电机，直线电机直接将电能变成直线运动的机械能而不需要中间转换环节，结构简单且动态响应快，施工成本低。

在直线电机的选择上，最早采用的是直线感应电机，但其效率和功率因数相对较低。与直线感应电机比起来，永磁直线电机在效率、力能指标、功率因数等方面具有显著的优势，传统直线永磁同步电机的绕组和永磁体分别放置在电机的初级和次级。在长定子应用场合中，比如城市轨道交通等，无论是将永磁体或绕组沿轨道铺设，都将造成工程造价高，维护不便等缺点。永磁直线开关磁链电机作为初级永磁式电机，吸引了国内外学者的关注。这类电机的永磁体和绕组在初级即动子，定子仅为导磁材料制成的凸极铁心，这样在长定子应用场合既省铜又省永磁体，具有结构简单、功率密度高、易于生产和维护的优点。

在一些低成本、需要励磁可调的场合，将永磁直线开关磁链电机中的永磁体换成励磁线圈和硅钢片，即可形成对应的电励磁开关磁链电机。

直线开关磁链电机存在推力脉动较大的缺点，不适用于低速运行。一方面由于定动子皆采用凸极结构，电机齿槽力大，推力脉动大。另一方面一部分直线开关磁链电机结构定动子极数不匹配，导致电枢绕组不具有互补性，磁链谐波较大，造成推力脉动。

文献《一种新型大推力直流直线电机的结构设计》(微特电机，1999，vol.7,no.1,李立毅，刘洪预，刘宝廷)提到可以采用经典的斜槽结构来减小定位推力。然而，斜槽结构在减小定位推力的同时，也减小了电机的空载反电势幅值，减低了电机的功率密度。

如何减小电机的推力脉动同时保持电机具有相对较高的空载反电势幅值和功率密度是本领域亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题，提供一种平板型直线开关磁链电机。所述电机有效的减小了齿槽力，并在兼顾反电势幅值的情况下提高反电势正弦度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种平板型直线开关磁链电机，所述电机由定子和动子组成；所述定子和动子都是平板型结构；所述定子的长度大于动子的长度；所述定子由凸极结构的铁芯组成；所述动子由U型铁芯、励磁源、电枢线圈组成；所述励磁源放置在相邻两个U形铁芯中间，且相邻励磁源充磁方向相反；所述电枢线圈放置在励磁源两侧U型铁芯槽内；所述电机沿水平方向左右分为结构相同的两段，分别是I段和II段，两段之间采用隔磁材料来隔离和固定；所述I段由动子I和定子I构成，II段由动子II和定子II构成；动子I和动子II沿水平方向相同位置的励磁源采用相反的励磁方向，定子I凸齿和定子II凸齿沿水平方向前后错开一个错齿位移；所述水平方向为电机动子运行的方向。

一种平板型直线开关磁链电机的错齿位移选择方法，其步骤如下：步骤I：根据电机的结构参数并通过傅里叶分解，得到动子I的瞬时齿槽力F_cI：

其中，F_cm和F_cnm分别是齿槽力基波和n次谐波分量的幅值；ω是动子运动对应的电角速度，t为电机运动时间，和分别是齿槽力基波和n次谐波分量的相位角，P为电机齿槽力周期对电机电周期的倍数；

同样，根据电机的结构参数，得到动子I的瞬时反电势e_I，e_I表达式为：

其中，E_m和E_2m分别是所述反电势基波和二次谐波分量的幅值；和分别是反电势基波和二次谐波分量的相位角；

步骤II：以定子I与定子II的错齿位移为变量，得出动子II的瞬时齿槽力F_cII：

其中，x₁为定子I与定子II的错齿位移，τ_s为是定子齿距；

同样，以定子I与定子II的错齿位移为变量，得到动子II的瞬时反电势e_II，e_II的表达式为：

步骤III：将步骤I动子I的齿槽力与步骤II动子II的齿槽力相加，得到合成的瞬时齿槽力F_c：

由瞬时齿槽力F_c，得到齿槽力峰值，所述齿槽力峰值是错齿位移的函数；

将上述动子I的反电势与动子II的反电势相减，合成的瞬时反电势e：

所述瞬时反电势e的基波幅值以及二次谐波幅值与基波幅值之比是错齿位移的函数；

由瞬时反电势e确定错齿位移I，在错齿位移I处，瞬时反电势e的基波幅值最大、二次谐波幅值与基波幅值之比最小；在所述齿槽力峰值里的较小值对应的错齿位移中，选取距离错齿位移I最近的错齿位移作为错齿位移II；如果错齿位移I与错齿位移II相等，则选择错齿位移I作为错齿位移；如果错齿位移I与错齿位移II不相等且两者之差小于定子齿距的1/20，则选择错齿位移II作为错齿位移；如果错齿位移I与错齿位移II不相等且两者之差大于等于定子齿距的1/20，则选择错齿位移I和错齿位移II之和的一半作为错齿位移。

本发明的有益效果是：本发明提出一种平板型直线开关磁链电机及其错齿位移选择方法。所述电机左右分为结构相同的两段；两段的动子相同位置的励磁源励磁方向相反，两段的定子凸齿前后错开一个错齿位移；把使得反电势基波幅值最大、二次谐波与基波幅值之比最小的错齿位移作为错齿位移I；把距离错齿位移I最近的使得齿槽力峰值最小的错齿位移作为错齿位移II；根据所述两个错齿位移的比较选择电机的错齿位移。本发明中的一种平板型直线开关磁链电机结构及错齿位移选择方法，适用多种平板型结构直线电机，任意励磁方式，任意定子极数和动子极数，都可使得电机的反电势正弦度高，幅值大，齿槽力小，推力脉动小。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机截面示意图。

图2是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机的定子结构图。

图3是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机的动子结构图。

图4是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机齿槽力峰值与错齿位移对应电角度的关系图。

图5是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机反电势幅值的标幺值、二次谐波含量的标幺值与错齿位移对应电角度的关系图。

图6是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机和相同尺寸的平板型12/14极直线开关磁链电机的反电势波形比较图。

图7是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机和相同尺寸的平板型12/14极直线开关磁链电机的齿槽力波形比较图。

图8是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机和相同尺寸的平板型12/14极直线开关磁链电机的电磁推力波形图。

附图标记说明：图1到图3中，1是定子I，2是定子II，3是动子I，4是动子II，5是正向充磁永磁体，6是反向充磁永磁体，7是电枢绕组。

具体实施方式

为了说明本发明的结构特点和设计原理，下面结合附图，以一台定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机为例进行详细说明。

图1是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机截面示意图。所述电机属于初级永磁型模块化电机，绕组和永磁体都在动子上，电机由E型模块组成，每个模块由两个U型齿中间夹一块永磁体构成，每个模块采用集中式绕组，由该模块的永磁体单独励磁，属于同一相的两个线圈串联成该相绕组，模块之间用磁障做间隔。相邻永磁体的充磁方向相反。定子为凸极结构，定子上既无永磁体也无绕组。

图2是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机的定子结构图。图中分别为定子I和定子II，两个定子尺寸结构相同，沿z轴并列放置，两个定子的凸齿错开一个错齿位移。

图3是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机的动子结构图。图中分别为动子I和动子II，两个动子尺寸结构相同，沿z轴并列放置，沿x轴相同位置的永磁体采用相反的充磁方向。

图1、图2和图3所示分别为定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机截面示意图、定子结构图和动子结构图。所述定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机由两个定子和两个动子构成，分别为定子I、定子I、动子I和动子II。所述动子I与定子I对应，所述动子II与定子II对应。所述动子I和动子II结构相同，沿z轴方向并列放置，沿x轴相同位置的永磁体采用相反的充磁方向，中间采用隔磁材料来隔离和固定。所述定子I和定子II结构相同，沿z轴方向并列放置，并且定子I凸齿和定子II凸齿沿x轴错开一个错齿位移，中间采用隔磁材料来隔离和固定。

所述错齿位移的确定方法，其步骤如下：

(1)根据定子错齿式12/14极平板型直线开关磁链电机的结构参数并通过傅立叶分析，得到动子I的瞬时齿槽力表达式，如式(1)所示：

其中，其中F_cI为动子I的瞬时齿槽力，F_cm和F_cnm分别是齿槽力基波和n次谐波分量的幅值。ω是动子运动对应的电角速度，t为电机运行时间，和分别是齿槽力基波和n次谐波分量的相位角，P为电机齿槽力周期对电机电周的倍数，根据有限元仿真结果，P为1。

同样根据电机参数可以得到动子I的瞬时反电势的基波和二次谐波，如式(2)所示：

其中，e_I为动子I的瞬时反电势，其中E_m和E_2m分别是所述反电势基波和二次谐波分量的幅值；和分别是反电势基波和二次谐波分量的相位角；

(2)以定子I与定子II的错齿位移为变量，得出动子II的瞬时齿槽力表达式，如式(3)所示：

其中，F_cII为动子II的瞬时齿槽力，x₁为定子I与定子II的错齿位移，τ_s为是定子齿距。

同样，以定子I与定子II的错齿位移为变量，得到动子II的瞬时反电势基波和二次谐波表达式，如式(4)所示：

其中，e_II为动子II的瞬时反电势。

(3)将步骤(1)中得到的动子I的齿槽力与步骤(2)中得到的动子II的齿槽力相加，得到合成齿槽力F_c的表达式，如式(5)所示：

其中，F_c为电机的合成瞬时齿槽力。

根据合成齿槽力表达式，使用MATLAB得出合成齿槽力峰值随错齿位移对应的电角度θ_s的变化如图4所示，图4是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机齿槽力峰值与错齿位移对应电角度的关系图。所述齿槽力峰值随错齿位移的变化而变化，可以根据齿槽力峰值大小选择错齿位移。

其中 ${\mathrm{\θ}}_s=\frac{360x_1}{{\mathrm{\τ}}_s}.$

将步骤(1)中得到的动子I的反电势与步骤(2)中得到的动子II的反电势相减，得到合成反电势e的表达式，如式(6)所示：

其中，e为电机合成永磁磁链产生的瞬时反电势。

使用MATLAB得出合成反电势幅值，二次谐波含量m随θ_s的变化如图5所示。图5是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机反电势幅值的标幺值、二次谐波含量的标幺值与错齿位移对应电角度的关系图。所述反电势幅值、二次谐波含量随错齿位移的变化而变化，可以根据反电势幅值大小、正弦度选择错齿位移。使合成反电势基波幅值最大、二次谐波含量最小的θ_s是180°，选择180°对应的错齿位移τ_s/2为错齿位移I。在齿槽力峰值中，选取距离错齿位移I最近的齿槽力峰值的最小值，即180°对应的错齿位移τ_s/2为错齿位移II。此时错齿位移I与错齿位移II相等，则选择错齿位移I作为错齿位移，即τ_s/2。其中：

$m=\left(2E_{2m}cos\frac{{\mathrm{\θ}}_s}{2}\right)/E_m---\left(7\right)$

由两个电机比较的波形可见，本发明所述一种平板型直线开关磁链电机具有如下效果：

1、齿槽力为相同尺寸平板型直线开关磁链电机的一半，推力脉动减小了一半，如图7和图8。图7是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机(简称MTLFSPM-TS)和相同尺寸的平板型12/14极直线开关磁链电机(简称MTLFSPM)的齿槽力波形比较。比较两个电机齿槽力峰值大小。

图8是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机(简称MTLFSPM-TS)和相同尺寸的平板型12/14极直线开关磁链电机(简称MTLFSPM)的电磁推力波形。比较两个电机电磁推力的平均值大小，脉动大小。所述脉动大小可以反映出齿槽力的大小。

2、反电势正弦度提高了，如图6。

图6是根据本发明一实施例的定子错齿式平板型12/14极直线开关磁链电机(简称MTLFSPM-TS)和相同尺寸的平板型12/14极直线开关磁链电机(简称MTLFSPM)的反电势波形比较。比较两个电机反电势的幅值大小，正弦度变化。

3、输出推力平均值与相同尺寸平板型直线开关磁链电机相差不大，如图8。

需要说明的是，本发明具有通用性，适用于多种结构平板型直线开关磁链电机，任意励磁方式(电励磁或者永磁)，任意定子极数N_s和转子极数N_r，都可使得电机电磁性能最优。

Claims (2)

1.一种平板型直线开关磁链电机，所述电机由定子和动子组成；所述定子和动子都是平板型结构；所述定子的长度大于动子的长度；所述定子由凸极结构的铁芯组成；所述动子由U型铁芯、励磁源、电枢线圈组成；所述励磁源放置在相邻两个U形铁芯中间，且相邻励磁源充磁方向相反；所述电枢线圈放置在励磁源两侧U型铁芯槽内；其特征在于，所述电机沿水平方向左右分为结构相同的两段，分别是I段和II段，两段之间采用隔磁材料来隔离和固定；所述I段由动子I和定子I构成，II段由动子II和定子II构成；动子I和动子II沿水平方向相同位置的励磁源采用相反的励磁方向，定子I凸齿和定子II凸齿沿水平方向前后错开一个错齿位移；所述水平方向为电机动子运行的方向。

2.根据权利要求1所述的一种平板型直线开关磁链电机的错齿位移选择方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤I：根据电机的结构参数并通过傅里叶分解，得到动子I的瞬时齿槽力F_cI：

其中，F_cm和F_cnm分别是齿槽力基波和n次谐波分量的幅值；ω是动子运动对应的电角速度，t为电机运动时间，和分别是齿槽力基波和n次谐波分量的相位角，P为电机齿槽力周期对电机电周期的倍数；

同样，根据电机的结构参数，得到动子I的瞬时反电势e_I，e_I表达式为：

其中，E_m和E_2m分别是所述反电势基波和二次谐波分量的幅值；和分别是反电势基波和二次谐波分量的相位角；

步骤II：以定子I与定子II的错齿位移为变量，得出动子II的瞬时齿槽力F_cII：

其中，x₁为定子I与定子II的错齿位移，τ_s为是定子齿距；

同样，以定子I与定子II的错齿位移为变量，得到动子II的瞬时反电势e_II，e_II的表达式为：

步骤III：将步骤I动子I的齿槽力与步骤II动子II的齿槽力相加，得到合成的瞬时齿槽力F_c：

由瞬时齿槽力F_c，得到齿槽力峰值，所述齿槽力峰值是错齿位移的函数；

将上述动子I的反电势与动子II的反电势相减，合成的瞬时反电势e：

所述瞬时反电势e的基波幅值以及二次谐波幅值与基波幅值之比是错齿位移的函数；

由瞬时反电势e确定错齿位移I，在错齿位移I处，瞬时反电势e的基波幅值最大、二次谐波幅值与基波幅值之比最小；在所述齿槽力峰值里的较小值对应的错齿位移中，选取距离错齿位移I最近的错齿位移作为错齿位移II；如果错齿位移I与错齿位移II相等，则选择错齿位移I作为错齿位移；如果错齿位移I与错齿位移II不相等且两者之差小于定子齿距的1/20，则选择错齿位移II作为错齿位移；如果错齿位移I与错齿位移II不相等且两者之差大于等于定子齿距的1/20，则选择错齿位移I和错齿位移II之和的一半作为错齿位移。