CN105515333A - 一种直线电机及提高其运行效率的优化验证方法 - Google Patents

一种直线电机及提高其运行效率的优化验证方法 Download PDF

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陆华才
缪碧云
阮光正
徐可
邓晓玲
李满华
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/06—Linear motors

Abstract

本发明公开了一种直线电机及提高其运行效率的优化验证方法，直线电机包括初级铁芯(1)、初级线圈(2)、次级铁芯(3)和永磁体(4)，所述初级铁心(1)上开有多个齿槽，所述初级线圈(2)绕在相邻齿槽间形成的齿牙上，所述次级铁心(3)位于所述初级铁芯(1)下方作为给定长度的基座，所述永磁体(4)固定排列在所述次级铁芯(3)上，所述永磁体(4)的极距与齿槽间的齿距的比值为分数。本发明直线电机结构简单，运行稳定方便，在一定程度上可减小推力波动。

Description

一种直线电机及提高其运行效率的优化验证方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体说涉及一种直线电机及提高其运行效率的优化验证方法。
背景技术
直线电机是将电能转换为线性往复运动的装置。现有技术中，直线电机的运行效率低，运行效率受很多因素的限制，最主要的是电机的推力波动对电机运行效率的影响。但是，推力波动的存在不可避免，只能采取一系列的措施来削弱波动的存在。因此，抑制推力波动的问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种结构简单，运行稳定方便，在一定程度上可减小推力波动的直线电机，及提高电机运行效率的优化验证方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所提供的这种直线电机，包括初级铁芯、初级线圈、次级铁芯和永磁体，所述初级铁心上开有多个齿槽，所述初级线圈绕在相邻齿槽间形成的齿牙上，所述次级铁心位于所述初级铁芯下方作为给定长度的基座，所述永磁体固定排列在所述次级铁芯上，所述永磁体的极距与齿槽间的齿距的比值为分数。
为使上述技术方案更加详尽和具体，本发明还提供以下更进一步的优选技术方案，以获得满意的实用效果：
在所述次级铁心上设有至少一对永磁体。
所述次级铁心上还有设有至少一对外置永磁体，及至少有一对内置永磁体。
所述齿槽为设于所述为设于所述初级铁心上的开口槽，所述齿牙下端设有朝向相邻齿槽侧延伸的凸台，所述齿槽开口端两侧的凸台间预留间隙，将所述开口端形成半闭合状态。
所述凸台的上端面为向下渐变的斜面。
所述永磁体的极距为齿槽间的齿距的1.5倍。
一种提高直线电机运行效率的优化验证方法，包括如下步骤：
1)直线电机中齿槽力定义：设定电机运动的一个周期就是一个齿距的距离，每块永磁体产生的齿槽力可以用Fourier级数进行描述，对于第i块永磁体，确定齿槽力的Fourier级数为
式中x为正体动子的位移，k为谐波次数，k＝1,2,3,…，τs为齿距，Fk,i为k次谐波的幅值，为第i块永磁体k次谐波的相角；
2)第i块永磁体k次谐波的相角式中，qp是一个磁极对应的槽数；
3)确定总齿槽力是2p个磁极产生的齿槽力的叠加；
4)槽极匹配系数为永磁体的极距和齿槽的齿距的比值，保持齿槽大小和形状不变的情况下，改变对应的永磁体，确定不同的槽极匹配系数对具有不同槽极匹配系数的电机进行优化验证；
5)将具有不同槽极匹配系数电机的一个磁极对应的槽数qp代入步骤3)中，计算相应的齿槽力大小，得出具有最小的齿槽力的电机。
在仿真过程中，控制初级铁芯以确定的速度均速直线运动。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明直线电机结构简单，运行方便；能在一定程度上抑制电机的推力波动,通过该方法验证，优选出的槽极匹配系数的电机，齿槽力比其他直线电机的齿槽力小，从而达到抑制推力波动的作用。
附图说明
下面对本说明书的附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明直线电机结构示意图；
图2为本发明直线电机槽极匹配结构示意图；
图3为本发明直线电机最优槽极匹配结构示意图。
图中标记为:1、初级铁芯，2、初级线圈，3、次级铁芯，4、永磁体，41、内置永磁体，42、外置永磁体。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
齿槽力是永磁体和铁心之间相互作用产生的力，即使电枢绕组不通电，齿槽力也存在。直线电机的齿槽力随着电机的齿槽与永磁体之间的位置的变化而变化，从而让推力产生波动。动子与定子之间气隙磁导发生变化，磁场储能发生变化，从而产生齿槽力。
本发明直线电机，是一种可减小推力波动，具有较小齿槽力的电机，如图1所示，包括初级铁芯1、初级线圈2、次级铁芯3和永磁体4，初级铁心1上开有多个齿槽，初级线圈2绕在相邻齿槽间的齿牙上，次级铁心3位于初级铁芯1下方作为给定长度的基座，永磁体4排列固定在次级铁芯3上，永磁体4的极距与齿槽间的齿距的比值为分数，即槽极匹配系数为分数，如图2中所示，本发明的结构设计可得到较小的齿槽力。直线电机因为其自身的结构特点使电机存在边端效应和齿槽力，本发明从抑制电机齿槽力的角度，通过改变直线电机槽极匹配来抑制齿槽力，从而能够达到抑制直线电机推力波动的效果。
本发明中在次级铁心3上设有至少一对永磁体4。次级铁心3上还有设有至少一对外置永磁体42，至少有一对内置永磁体41。内置永磁体41和一对外置永磁体42以磁力互斥的方式构成磁力弹簧。如图1中所示，在初级铁芯1静止时，覆盖范围下的为内置永磁体41，其余为外置永磁体42。
齿槽为设于为设于初级铁心1上的开口槽，齿牙下端设有朝向相邻齿槽侧延伸的凸台，齿槽开口端两侧的凸台间预留间隙，将开口端形成半闭合状态。凸台的上端面为向下渐变的斜面。这种结构设置可更好地提供磁路，保证运行的稳定性。
为了抑制直线电机的推力波动，改善直线电机输出性能，本发明直线电机通过改变直线电机的齿距和永磁体的极距来抑制电机齿槽力对电机的影响，从而实现对推力波动的改善。槽极匹配情况如图2示，保持齿槽大小和形状不变的情况下，改变对应的永磁体，确定不同的槽极匹配系数对槽极匹配系数不同的电机进行研究，在有限元分析软件中绘制模型并仿真，不同的槽极匹配，齿槽力不同。
通过优化验证，本发明中优选的，永磁体4的极距为齿槽间的齿距的1.5倍，可得到较好的抑制推力波动的效果，如图3所示。
将固定有永磁体4的次级铁芯3作为定子，绕有初级线圈2的初级铁芯1作为动子，在次级铁芯3上做横向的往返直线运动。推力波动的主要来源是齿槽效应，为了提高直线电机的运行性能，必须研究减小电机齿槽效应的技术措施。研究过程中，对直线电机的数学原理进行了分析，并进行数学建模，运用有限元分析分别对不同槽极的直线电机进行模拟仿真，得到最优槽极匹配系数。从而使得直线电机运行时的推力波动得到了一定程度的抑制，改善了电机输出，实现了直线电机运行的稳定性。
具体的，本发明还提供一种提高直线电机运行效率的优化验证方法，包括如下步骤：
1)旋转永磁电机的齿槽转矩定义为内部的磁共能W相对于位置角α的负导数，即：在TPMLM中定子、动子的相对位置类似旋转永磁电机的位置角，可得直线电机中齿槽力定义：直线电机中齿槽力定义：设定电机运动的一个周期就是一个齿距的距离，每块永磁体产生的齿槽力可以用Fourier级数进行描述，对于第i块永磁体，确定齿槽力的Fourier级数为
式中x为正体动子的位移，k为谐波次数，k＝1,2,3,…，τs为齿距，Fk,i为k次谐波的幅值，为第i块永磁体k次谐波的相角；
6)第i块永磁体k次谐波的相角式中，qp是一个磁极对应的槽数；
7)确定总齿槽力是2p个磁极产生的齿槽力的叠加；
8)槽极匹配系数为永磁体的极距和齿槽的齿距的比值，保持齿槽大小和形状不变的情况下，改变对应的永磁体，确定不同的槽极匹配系数对具有不同槽极匹配系数的电机进行优化验证；
9)将具有不同槽极匹配系数电机的一个磁极对应的槽数qp代入步骤3)中，计算相应的齿槽力大小，得出具有最小的齿槽力的电机。
根据qp是否为整数，可以分为两种情况：若qp是整数，每块永磁体产生的齿槽力的相角是相同的，这样整个电机产生的齿槽力将是单个永磁体产生的齿槽力的2p倍；若qp是分数，不同的永磁体产生的齿槽力的相角不相同，这样就可以使得整个电机的齿槽力大为减小。因此，利用槽极配合可以削弱齿槽力。
本发明的技术方案是：对直线电机的原理进行建模分析的基础上，运用有限元分析软件进行仿真，验证推导的最优槽极匹配系数是否合理。槽极匹配情况如图1所示，保持齿槽大小和形状不变的情况下，改变对应的永磁体，确定不同的槽极匹配系数对槽极匹配系数不同的4个电机进行研究，得到结果。
在实际的研究过程中，为了避免其他因素(如端部效应等)对结果产生影响，仿真过程中，不给线圈通入电流，而是控制次级动子以以确定的速度均速直线运动，可选择以2.3m/s的速度均速直线运动，得出的就仅仅是由于槽极配比不同而产生的影响。
直线电机运行原理：给初级线圈2中通入电流，在线圈周围产生磁通，磁通通过初级铁芯1、气隙和次级铁芯3，形成闭环磁通。次级永磁体4就会在磁场力的作用下横向做直线运动，当电流方向改变，次级动子就会做相反的运动。若给初级线圈2通入交变的正弦电流，则次级在横向做往返的直线运动。
本发明直线电机有如下积极效果：(1)本发明直线电机结构简单，运行方便；(2)本发明直线电机能在一定程度上抑制电机的推力波动,通过该方法验证，优选出的永磁体的极距定为齿槽的齿距的1.5倍的直线电机，齿槽力比其他直线电机的齿槽力小，从而达到抑制推力波动的作用。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，但是本发明并不受限于上述方式，只要采用本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进或直接应用于其它场合的，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种直线电机，其特征在于：包括初级铁芯(1)、初级线圈(2)、次级铁芯(3)和永磁体(4)，所述初级铁心(1)上开有多个齿槽，所述初级线圈(2)绕在相邻齿槽间形成的齿牙上，所述次级铁心(3)位于所述初级铁芯(1)下方作为给定长度的基座，所述永磁体(4)固定排列在所述次级铁芯(3)上，所述永磁体(4)的极距与齿槽间的齿距的比值为分数。
2.按照权利要求1所述的直线电机，其特征在于：在所述次级铁心(3)上设有至少一对永磁体(4)。
3.按照权利要求2所述的直线电机，其特征在于：所述次级铁心(3)上还有设有至少一对外置永磁体(42)，及至少有一对内置永磁体(41)。
4.按照权利要求1所述的直线电机，其特征在于：所述齿槽为设于所述为设于所述初级铁心(1)上的开口槽，所述齿牙下端设有朝向相邻齿槽侧延伸的凸台，所述齿槽开口端两侧的凸台间预留间隙，将所述开口端形成半闭合状态。
5.按照权利要求4所述的直线电机，其特征在于：所述凸台的上端面为向下渐变的斜面。
6.按照权利要求1至5任一项所述的直线电机，其特征在于：所述永磁体(4)的极距为齿槽间的齿距的1.5倍。
7.一种提高如权利要求1至6任一项所述直线电机运行效率的优化验证方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)直线电机中齿槽力定义： f c o g = - ∂ W ∂ x , 设定电机运动的一个周期就是一个齿距的距离，每块永磁体产生的齿槽力可以用Fourier级数进行描述，对于第i块永磁体，确定齿槽力的Fourier级数为
式中x为正体动子的位移，k为谐波次数，k＝1,2,3,…，τs为齿距，Fk,i为k次谐波的幅值，为第i块永磁体k次谐波的相角；
2)第i块永磁体k次谐波的相角式中，qp是一个磁极对应的槽数；
3)确定总齿槽力是2p个磁极产生的齿槽力的叠加；
4)槽极匹配系数为永磁体的极距和齿槽的齿距的比值，保持齿槽大小和形状不变的情况下，改变对应的永磁体，确定不同的槽极匹配系数对具有不同槽极匹配系数的电机进行优化验证；
5)将具有不同槽极匹配系数电机的一个磁极对应的槽数qp代入步骤3)中，计算相应的齿槽力大小，得出具有最小的齿槽力的电机。
8.按照权利要求7所述的提高直线电机运行效率的优化验证方法，其特征在于：在仿真过程中，控制初级铁芯(1)以确定的速度均速直线运动。
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