CN106067720B - 一种低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机及其加工方法 - Google Patents

一种低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机及其加工方法，包括初级和次级，初级长度小于次级长度，初级和次级之间具有气隙；所述初级由轭部和齿构成，其中齿上有电枢齿、容错齿，齿的端部为极靴，线圈绕组设置在齿槽内；电枢齿和容错齿数目相同且交错间隔排列，初级由初级定子铁芯组成，初级定子铁芯由硅钢片和电工纯铁制成；所述次级包括永磁体和次级铁芯，永磁体内嵌在次级铁芯中，所述次级铁芯由硅钢片轴向叠加而成，每片硅钢片叠片又分成若干片扇形形状的叠片；次级硅钢片的内径小于次级永磁体的内径。本发明便于加工制作，降低电机设计加工成本，同时还可以在保证原永磁体内嵌式圆筒直线电机性能的基础上提高电机的效率。

Description

一种低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机及其加工方法
技术领域
本发明属于电机设计技术领域，更准确地说是涉及一种半闭口槽型圆筒直线电机设计，尤其适用于汽车悬架系统等要求低损耗高可靠高效率的系统中。
背景技术
随着社会的发展以及科学技术的进步，人们对乘车的舒适性和安全稳定性的要求越来越高，作为现代汽车的重要组成部分，悬架系统的性能对汽车的行驶平顺性和操作稳定性等有着极其重要的影响，悬架系统性能的研究受到业内高度重视，作为主动电磁悬架系统的核心部件，圆筒电机成为研究焦点。
国内外学者提出了很多不同结构的圆筒电机，根据电机槽型可以分为开槽型电机和无槽型电机。中国发明专利申请号200910072064.1公开了一种高推力密度圆筒型永磁直线电机，该电机使用了无槽结构，使电机体积小、重量轻，且过载能力强，提高了电机的效率。但是，无槽结构电机主磁路磁阻增大，气隙磁密降低，只有通过增加磁钢的使用量才能保证电机的性能，从而增加了电机的设计成本。开槽型电机有开口槽型、半闭口槽型、闭口槽型几种主要结构。文献IEEE Transactions on IndustrialElectronics,5(61):2165-2174,2014(Influence of leading design parameters on the force performance ofa complementary and modular linear flux-switching permanent-magnet motor)提出了开口槽永磁直线电机。一般来说，虽然开口槽永磁电机定位力小，加工方便，但是开口槽永磁电机的空载反电动势正弦度不高且推力波动大。而半闭口槽永磁电机以其产生的反电动势正弦度高、推力脉动小等特点在电机设计与加工中得到广泛应用。但是，和普通直线电机不同，半闭口槽圆筒直线电机并不能直接由硅钢片叠加而成，这就为圆筒电机加工制造带来困难，大大影响了半闭口槽圆筒直线电机的应用。中国发明专利申请号201510010254.6公开了一种不对称双定子圆筒型永磁直线电机，该电机电枢采用半闭口槽结构，其电枢铁芯采用软磁复合材料一次冲压成形或采用T型硅钢冲片沿径向叠压而成，显然这会大大增加电机的设计成本。
另外，在考虑结构对电机性能影响的同时还要考虑到可用的加工材料对电机性能的影响。涡流损耗是描述电机性能不可或缺的指标，电机采用硅钢片和电工纯铁时的涡流损耗相差很大。与硅钢片不同的是，电工纯铁不是采用叠片叠加而成，而是直接加工成整块形状，尽管便于加工圆筒直线电机定子，但这增加了涡流损耗。所以，在保证电机其他性能时，尽量使用硅钢片进行叠加，减少使用电工纯铁，尤其是大量的整块电工纯铁。
发明内容
针对圆筒直线电机自身结构的特殊性和其发展现状，基于原有次级永磁型圆筒直线电机结构，本发明提出一种低损耗的内嵌式半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机，既便于加工制作，降低电机设计加工成本，同时还可以在保证原永磁体内嵌式圆筒直线电机性能的基础上提高电机的效率。
具体地说，本发明采用如下的技术方案来实现：一种低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机，包括初级和次级，初级长度小于次级长度，初级和次级之间具有气隙；
所述初级由轭部和齿构成，其中齿上有电枢齿、容错齿，齿的端部为极靴，线圈绕组设置在齿槽内；电枢齿和容错齿数目相同且交错间隔排列，初级由初级定子铁芯组成，初级定子铁芯由硅钢片和电工纯铁制成，所述极靴由电工纯铁制成，电枢齿、容错齿、轭部由硅钢片沿轴向叠加而成，且每片硅钢片由两块组成；所述次级包括永磁体和次级铁芯，永磁体内嵌在次级铁芯中，永磁体采用轴向励磁，而且不同励磁方向的永磁体的轴向宽度是相等的，所述次级铁芯由硅钢片轴向叠加而成，每片硅钢片叠片又分成若干片扇形形状的叠片；次级硅钢片的内径小于次级永磁体的内径。
进一步，所述极靴上不开槽，或者开一个槽或者开若干个槽，形成一个或多个调制齿；
所述极靴在轴向上铸成两端为圆台、中间为圆柱形状的纯铁铁块，且接触面上圆柱的半径小于圆台的半径，所述极靴在径向上为中空结构，可供次级和电机轴通过。
进一步，还包括初级两端的端部齿，两端的端部齿不对称，即两个端部齿的轴向宽度不相等，从而使得电机的定位力达到最小；端部齿的加工和电枢齿、容错齿一样，其极靴由电工纯铁制作而成，其余部分是由硅钢片沿轴向叠加而成。
进一步，所述永磁体采用轴向或者径向分段，且每块永磁体是由若干块大小相等的永磁体拼接组成。
进一步，还包括初级和次级上设有的支撑管、电机机壳部分，支撑管、电机机壳部分都是由非导磁材料构成。
进一步，初级定子铁芯上的硅钢片外侧和次级铁芯上的硅钢片内侧开若干开口向外的凹槽，以降低损耗。
进一步，所述初级和次级加工方式适用于任意极槽配比Np/Ns、任意相数m的圆筒直线电机。
本发明的方法的技术方案为：一种低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机的加工方法，包括以下步骤；
步骤1，半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机初级由电工纯铁和硅钢片组合制成；其中，初级上每个极靴是由电工纯铁直接铸成，初级上的容错齿和电枢齿齿部以及初级铁芯轭部均由硅钢片叠加而成；为了方便极靴的加工制造，将极靴顶部做成梯形形状，最终铸成两端为圆台、中间为圆柱形状的纯铁铁块，且接触面上圆柱的半径小于圆台的半径；
步骤2，为了方便硅钢片叠加、固定和线圈的放置，初级容错齿和电枢齿齿部以及初级铁芯轭部所用的每片硅钢片均分成两块大小、形状相同的半圆形硅钢片，大大降低了初级铁芯中的铁耗；
步骤3，在保证极靴内外径和齿宽尺寸的基础上，先将容错齿和电枢齿齿部的硅钢片沿着轴向叠加在加工好的初级极靴上，极靴上圆柱的半径小于圆台的半径，起到了对齿部硅钢片的固定；在保证一侧齿部硅钢片叠加并固定好的情况下，将饼状线圈绕组放置到初级槽内，利用同样的步骤将另外一侧极靴和齿部硅钢片安装好，同时将轭部硅钢片固定在齿部硅钢片之间，并保证两者外径相等；
步骤4，电机次级是由永磁体内嵌于次级铁芯中组成，其中永磁体采用轴向交替励磁，且永磁体采用轴向或者径向分段，分段后的每块永磁体被分成若干个大小相等的叠加单元，旨在减小永磁体中的涡流损耗；次级铁芯全部由硅钢片轴向叠加而成，每片硅钢片分成n片扇形形状的叠片；首先将其中某一励磁方向的且分段好的永磁体粘结固定好，并保证两两之间没有缝隙；在此基础上，将两侧的硅钢片叠片进行轴向叠加，并对硅钢片和永磁体接触面进行粘结，保证两者之间不留气隙；为了方便对永磁体和次级铁芯上的硅钢片的固定和叠加，次级铁芯上的硅钢片的内径比永磁体的内径小；
步骤5，为了增加电机的机械强度和拼接精度，在初级铁芯和次级整体组装完成的情况下，在初级和次级两侧端部对铁芯进行轴向固定，保证电机在工作时不会发生脱落；在此基础上，将两者组装起来，保证初级和次级之间有气隙g，形成低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机。
进一步，当电机为圆筒游标直线电机时，此时只需在初级极靴上开相应的调制齿，极靴的加工方式与上述步骤一致。
本发明的有益效果是：
1、本发明的初级铁芯是采用电工纯铁和硅钢片制成，既解决了定子槽口极靴加工的困难，又避免全部使用电工纯铁加工初级铁芯导致电机定子铁芯中很大的涡流损耗，提高了电机效率。置于电机初级槽内的电枢绕组无论采用集中绕组还是分布绕组方式，电工纯铁和硅钢片相配合使用便于绕组放置。每个线圈绕组为圆饼状，而且端部绕组较短，减小电机的电阻和铜耗，电机结构紧凑，提高电机的空间使用效率，便于绕组绕制。另外，电工纯铁和硅钢片相配合降低了电机加工成本。
2、电机次级铁芯采用轴向叠加的方式制成，每一块硅钢片由n片扇形组成，减小了电机铁芯中的涡流损耗。永磁体采用轴向或者径向分段，分成大小相等的若干个小块永磁体，减小了永磁体中的涡流损耗，提高了电机效率，其输出功率显著增大，温升明显减小。这种初、次级结构能有效减小电机的外径和体积，使电机具有较高的推力密度和效率。
3、由于电机效率高，所以在输出条件一定的情况下，电机外形尺寸可以做的更小。
附图说明
图1为本发明实施例圆筒直线电机的结构示意图；
图2为本发明实施例永磁体实施例示意图；其中(a)为径向剖面图，(b)为轴向剖面图；
图3为本发明实施例圆筒直线电机的次级铁芯硅钢片叠片的实施例示意图；
图4为本发明实施例次级示意图；其中(a)为2D示意图，(b)为3D示意图；
图5为本发明实施例四种不同的初级铁芯方案图；其中(a)图方案全部由硅钢片进行轴向叠加；(b)图方案在初级极靴两个端部采用电工纯铁，而铁芯其余部分都是由硅钢片叠加而成；(c)图方案仅采用电工纯铁制作铁芯；(d)图方案中极靴由电工纯铁制成；
图6为本发明实施例圆筒直线电机的初级铁芯硅钢片叠片和电工铁极靴示意图；其中(a)为初级铁芯示意图，(b)为极靴3D示意图；
图7为本发明实施例和与之对应的初级铁芯的涡流损耗分析图；
图8为本发明实施例和与之对应的初级1铁芯不同设计方案的涡流损耗分析图。
图中：1.初级；2.次级；3.硅钢片；4.极靴；5.容错齿；6.电枢齿；7.端部齿；8.永磁体；9.圆台；10.圆柱。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方案。
为了能够更加简单明了地说明本发明的半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机的结构特点和有益效果，下面结合一个具体的五相容错永磁圆筒直线电机来进行详细的表述。
为了更清楚的说明本发明，将本发明半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机的极槽配比具体化，选择m＝5，即为五相电机，且相应的电机槽数和极数分别为Ns＝2*m*2＝20，Np＝18。并且该实施例圆筒直线电机采用集中绕组分相方式。
如图1所示的本发明实施例的五相半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机结构示意图，包括初级1和次级2。初级中包括交替相间的容错齿5和电枢齿6，均为2*m＝10个。其中容错齿5起到了对电机相与相之间的物理隔离，实现了相与相间的电隔离、热隔离以及磁路解耦，从而具有很好的容错性能。线圈绕组9以圆饼方式绕制，置于电机槽中且采用集中绕组分相方式。初级1两个端部齿7不对称，轴向宽度分别为7mm和8mm。次级2上内嵌有稀土永磁体8，实施例采用钕铁硼，且永磁体8采用轴向交替励磁。每一块永磁体8均被轴向分段为四块大小相等的永磁体，且轴向上的每块永磁体8由四块大小相等的扇形永磁体拼成圆环而成，在不影响其他性能的情况下，大大减小了次级永磁体8中的涡流损耗。图2为本发明的永磁体8实施例示意图。初级1和次级2之间存在1mm气隙，次级2铁芯是由导磁材料构成，实施例中采用的是硅钢片3，且硅钢片3采用轴向叠加。如图3所示，为本发明实施例圆筒电机的次级2铁芯硅钢片3叠片示意图。为了减小次级2铁芯中的涡流损耗，每片次级硅钢片3分成八片扇形叠片。此外，本实施例中为了对永磁体8和次级2硅钢片3的方便固定和叠加，次级2铁芯硅钢片3的内径比次级永磁体8的内径小1.5mm，如图4所示。
本实施例圆筒直线电机为提高电机的空载反电动势的正弦度、减小电机的推力脉动，初级1采用了半闭口槽结构。具体地说，图5列出本发明的四种不同初级1铁芯设计方案图，(a)图方案全部由硅钢片3进行轴向叠加。此方案最大的问题在于初级1极靴4处的硅钢片3固定困难，只能做成直齿形状。(b)图方案在初级1极靴4两个端部采用电工纯铁，而铁芯其余部分都是由硅钢片3叠加而成。该方案的缺点在于硅钢片3和电工纯铁之间同样存在固定困难的问题。(c)图方案仅采用电工纯铁制作铁芯，该方式最大的问题在于铁芯内的涡流损耗太大，电机效率大大降低。(d)图方案中极靴4由电工纯铁制成，即，初级1极靴4作为整体由电工纯铁制成，而剩余部分则为硅钢片3叠加而成，且每片硅钢片分成两块，既方便硅钢片3叠加和固定、也方便线圈绕组9放置。图6为实施例极靴4具体结构示意图，为了方便极靴4的加工制造，在二维图的角度看，将极靴4顶部做成梯形形状，(a)图中放大部分是由电工铁制成的极靴4，在二维图中可看成是梯形中间扣去一个长方形；(b)图为极靴4的3D示意图，其3D图由一个圆筒和两个圆台构成。这种极靴4制作方案不仅适用于本实施例圆筒直线电机，同样适用于圆筒游标直线电机，即在电机初级1调制齿采用电工纯铁制成，其余部分采用硅钢片3。图7所示为圆筒游标直线电机的初级调制齿具体结构示意图，本实施例圆筒直线游标电机中每个初级齿上开一个调制齿。图8为本发明实施例和与之对应的初级1铁芯不同设计方案的涡流损耗分析图。
为加工得到精度较高的半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机，本发明提出的设计方法包括如下步骤：
步骤1，半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机初级1由电工纯铁和硅钢片组合制成；其中，初级1上每个极靴4是由电工纯铁直接铸成，初级上的容错齿5和电枢齿6齿部以及初级铁芯轭部均由硅钢片叠加而成；为了方便极靴4的加工制造，将极靴4顶部做成梯形形状，最终铸成两端为圆台、中间为圆柱形状的纯铁铁块，且接触面上圆柱10的半径小于圆台9的半径；
步骤2，为了方便硅钢片叠加、固定和线圈的放置，初级容错齿5和电枢齿6齿部以及初级铁芯轭部所用的每片硅钢片均分成两块大小、形状相同的半圆形硅钢片，大大降低了初级铁芯中的铁耗；
步骤3，在保证极靴4内外径和齿宽尺寸的基础上，先将容错齿5和电枢齿6齿部的硅钢片沿着轴向叠加在加工好的初级极靴4上，极靴4上圆柱的半径小于圆台的半径，起到了对齿部硅钢片的固定；在保证一侧齿部硅钢片叠加并固定好的情况下，将饼状线圈绕组放置到初级1槽内，利用同样的步骤将另外一侧极靴4和齿部硅钢片安装好，同时将轭部硅钢片固定在齿部硅钢片之间，并保证两者外径相等；
步骤4，电机次级2是由永磁体8内嵌于次级铁芯中组成，其中永磁体8采用轴向交替励磁，且永磁体8采用轴向或者径向分段，分段后的每块永磁体8被分成若干个大小相等的叠加单元，旨在减小永磁体8中的涡流损耗；次级铁芯全部由硅钢片轴向叠加而成，每片硅钢片分成n片扇形形状的叠片；首先将其中某一励磁方向的且分段好的永磁体8粘结固定好，并保证两两之间没有缝隙；在此基础上，将两侧的硅钢片叠片进行轴向叠加，并对硅钢片和永磁体8接触面进行粘结，保证两者之间不留气隙；为了方便对永磁体8和次级铁芯上的硅钢片的固定和叠加，次级铁芯上的硅钢片的内径比永磁体8的内径小；
步骤5，为了增加电机的机械强度和拼接精度，在初级铁芯和次级2整体组装完成的情况下，在初级1和次级2两侧端部对铁芯进行轴向固定，保证电机在工作时不会发生脱落；在此基础上，将两者组装起来，保证初级和次级之间有气隙g，形成低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机。
从以上所述可以得知，本发明圆筒直线电机采用硅钢片和电工纯铁的构成半闭口槽的初级结构，和直槽圆筒直线电机相比，大大提高电机空载反电动势正弦度、提高电机推力密度，同时制造简单可行，节省电机的设计成本，大大减小了电机的涡流损耗，提高了电机的效率，使得圆筒直线电机在更多系统中拥有很好的应用前景。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。

Claims (6)

1.一种低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机，其特征在于，包括初级(1)和次级(2)，初级(1)长度小于次级(2)长度，初级(1)和次级(2)之间具有气隙；
所述初级(1)由轭部和齿构成，其中齿包括电枢齿(6)、容错齿(5)，齿的端部为极靴(4)，线圈绕组设置在齿槽内；电枢齿(6)和容错齿(5)数目相同且交错间隔排列，初级(1)由初级定子铁芯组成，初级定子铁芯由硅钢片和电工纯铁制成，所述极靴(4)由电工纯铁制成，电枢齿(6)、容错齿(5)、轭部由硅钢片沿轴向叠加而成，且每片硅钢片由两块大小、形状相同的半圆形硅钢片组成；所述次级包括永磁体(8)和次级铁芯，永磁体(8)内嵌在次级铁芯中，永磁体(8)采用轴向励磁，而且不同励磁方向的永磁体(8)的轴向宽度是相等的，所述次级铁芯由硅钢片轴向叠加而成，每片硅钢片叠片又分成若干片扇形形状的叠片；次级的硅钢片的内径小于次级的永磁体(8)的内径；
所述极靴(4)上不开槽，或者开一个槽或者开若干个槽，形成一个或多个调制齿；
所述极靴(4)在轴向上铸成两端为圆台、中间为圆柱形状的纯铁铁块，且接触面上圆柱的半径小于圆台的半径，所述极靴(4)在径向上为中空结构，可供次级(2)和电机轴通过。
2.根据权利要求1所述的一种低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机，其特征在于，还包括初级(1)两端的端部齿(7)，两端的端部齿(7)不对称，即两个端部齿(7)的轴向宽度不相等，从而使得电机的定位力达到最小；端部齿(7)的加工和电枢齿(6)、容错齿(5)一样，其极靴(4)由电工纯铁制作而成，其余部分是由硅钢片沿轴向叠加而成。
3.根据权利要求1所述的一种低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机，其特征在于，初级定子铁芯上的硅钢片外侧和次级铁芯上的硅钢片内侧开若干开口向外的凹槽，以降低损耗。
4.根据权利要求1所述的一种低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机，其特征在于，所述初级(1)和次级(2)加工方式适用于任意极槽配比Np/Ns、任意相数m的圆筒直线电机，其中Np表示为极数，Ns表示为电机槽数。
5.一种低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机的加工方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤1，半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机的初级(1)由电工纯铁和硅钢片组合制成；其中，初级(1)上每个极靴(4)是由电工纯铁直接铸成，初级上的容错齿(5)和电枢齿(6)以及初级铁芯轭部均由硅钢片叠加而成；为了方便极靴(4)的加工制造，将极靴(4)顶部做成梯形形状，最终铸成两端为圆台、中间为圆柱形状的纯铁铁块，且接触面上圆柱的半径小于圆台的半径；
步骤2，为了方便硅钢片叠加、固定和线圈的放置，初级上的容错齿(5)和电枢齿(6)以及初级铁芯轭部所用的每片硅钢片均分成两块大小、形状相同的半圆形硅钢片，大大降低了初级铁芯中的铁耗；
步骤3，在保证极靴(4)内外径和齿宽尺寸的基础上，先将容错齿(5)和电枢齿(6)的硅钢片沿着轴向叠加在加工好的初级极靴(4)上，极靴(4)上圆柱的半径小于圆台的半径，起到了对齿部硅钢片的固定；在保证一侧齿部硅钢片叠加并固定好的情况下，将饼状线圈绕组放置到初级(1)槽内，利用同样的步骤将另外一侧极靴(4)和齿部硅钢片安装好，同时将轭部硅钢片固定在齿部硅钢片之间，并保证两者外径相等；
步骤4，次级(2)是由永磁体(8)内嵌于次级铁芯中组成，其中永磁体(8)采用轴向交替励磁，且永磁体(8)采用轴向或者径向分段，分段后的每块永磁体(8)被分成若干个大小相等的叠加单元，旨在减小永磁体(8)中的涡流损耗；次级铁芯全部由硅钢片轴向叠加而成，每片硅钢片分成n片扇形形状的叠片；首先将永磁体(8)粘结固定好，并保证两两之间没有缝隙；在此基础上，将两侧的硅钢片叠片进行轴向叠加，并对硅钢片和永磁体(8)接触面进行粘结，保证两者之间不留气隙；为了方便对永磁体(8)和次级铁芯上的硅钢片的固定和叠加，次级铁芯上的硅钢片的内径比永磁体(8)的内径小；
步骤5，为了增加电机的机械强度和拼接精度，在初级定子铁芯和次级(2)整体组装完成的情况下，在初级(1)和次级(2)两侧端部对初级定子铁芯和次级铁芯进行轴向固定，保证电机在工作时不会发生脱落；在此基础上，将两者组装起来，保证初级和次级之间有气隙g，形成低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机。
6.根据权利要求5所述的一种低损耗半闭口槽型容错永磁圆筒直线电机的加工方法，其特征在于，当电机为圆筒游标直线电机时，此时只需在初级(1)的极靴(4)上开相应的调制齿，极靴(4)的加工方式与上述步骤一致。
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