CN106411096B - 一种基于Halbach永磁结构的模块化游标永磁直线电机 - Google Patents

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    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type

Abstract

本发明公开了一种基于Halbach永磁结构的模块化游标永磁直线电机，包括3k个动子模块和一个定子，两者之间具有气隙，定子包括具有定子铁芯和表贴在定子铁芯上的具有Halbach阵列结构的永磁体，电枢绕组设置于动子模块的槽中，不同动子模块中各相电枢绕组位置不同，每个模块中相同相电枢绕组轴线对应定子永磁体的相对位置保持一致，每一模块均可单独作为一个完整的游标永磁直线电机工作，相邻两动子模块使用非导磁材料制成的磁障连接，不同动子模块分别与定子产生具有一定相位差的推力，动子的模块化组合以及不同模块中绕组变化位置，使各相绕组在整体视图下处于完全对称结构，以达到抵消、削弱推力波动的效果。

Description

一种基于Halbach永磁结构的模块化游标永磁直线电机
技术领域
本发明属于永磁电机技术领域，具体地，涉及一种基于Halbach永磁结构的模块化游标永磁直线电机。
技术背景
数控机床尤其是高性能机床，是工业领域重要的制造装备。许多高精尖工业领域例如航空航天、高铁、精密仪器等在很大程度上取决于高性能机床的技术水平。随着先进电磁设计、现代控制理论以及微电子技术的发展，直线伺服系统的进给速度、加速度以及定位精度均得到了很大的提高，在机床领域正得到越来越广泛的重视和应用。而制约直线交流伺服电机的瓶颈主要在于直线交流电机的推力密度和推力波动。据预测，未来几年，世界20％～40％的数控机床将采用直线驱动。
目前制约直线交流伺服系统发展的瓶颈在于，传统永磁直线电机的两大关键指标——推力密度难以得到大幅提升，推力波动在较高推力密度下难以兼顾。前者直接决定电机的体积、重量和制造成本，而后者直接影响伺服系统的定位精度和加工误差。
游标永磁直线电机拓扑是近年来出现的一种较新的电机结构，它以磁场调制原理工作。对游标永磁直线电机已有的研究主要集中在分裂齿游标永磁直线电机和初级永磁型游标永磁直线电机。它们不同程度的显示出推力波动和推力密度难以兼顾，结构较为复杂，成本高、批量化生产困难等缺点。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供一种基于Halbach永磁结构的模块化游标永磁直线电机旨在解决现有的永磁直线电机输出推力密度小，推力波动大。
为此，本发明提出了一种基于Halbach永磁结构的游标永磁直线电机，包括一个定子和3K个动子模块，3K个动子模块沿动子运动方向排布，动子模块和定子之间具有气隙；
定子包括定子铁芯和具有Halbach阵列结构的永磁体，具有Halbach阵列结构的永磁体贴于定子铁芯表面；
每个动子模块上设有多个动子槽数，动子槽数中绕有三相电枢绕组，不同动子模块中各相电枢绕组位置不同，每个模块中相同相电枢绕组轴线对应定子永磁体的相对位置保持一致；
每个动子模块的槽数Z，每个动子模块的电枢绕组的极对数Pa、每个动子模块对应的具有Halbach阵列结构的永磁体的极对数PM满足PM＝|Z±Pa|，
其中，K为正整数。
由于采用3K个动子模块，每个动子模块中三相电枢绕组位置不同，且每个模块中相同相电枢绕组轴线对应定子永磁体的相对位置保持一致，使各相绕组在整体视图下处于完全对称结构，以起到极大改善三相绕组反电势的对称性的效果，通过动子模块化组合的互补效应，使得不同动子模块分别与定子作用产生具有一定相位差的推力，以实现模块化游标永磁直线电机的推力波动得到削弱效果，另外，采用具有Halbach阵列结构的永磁体，可以有效增大气隙磁密，提高推力密度。
进一步地，还包括磁障，两个相邻的动子模块通过磁障连接，减少了电枢绕组之间的互感，实现了不同动子模块之间的电磁解耦，提高了模块化游标永磁直线电机运行的容错性和可靠性。
进一步地，磁障宽度相等，为了使每个模块中相同相电枢绕组轴线对应定子永磁体的相对位置保持一致，磁障宽度理论值为式中，m为正整数，λ为具有Halbach阵列结构的永磁体的极距，由于每个模块中相同相电枢绕组轴线对应定子永磁体的相对位置保持一致，且连接相邻动子模块的磁障宽度相等，有利于消除推力波动，提高电机的性能。
进一步地，每个动子槽中电枢绕组可以为单层绕组或者双层绕组。
进一步地，模块化游标永磁直线电机为单边平板结构、双边平板结构或者圆筒型结构。
进一步地，模块化游标永磁直线电机为电动机或者发电机。
进一步地，定子铁芯与动子铁芯均为实心钢、硅钢片、非晶态铁磁复合材料或者SMC软磁复合材料。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明中采用采用3K个动子模块，电枢绕组产生的磁场经过动子模块铁芯的调制，在气隙中产生与该模块对应永磁体相同极对数的磁场，二者相互作用产生波动的推力，但由于每个动子模块中三相电枢绕组进行了换位，且每个动子模块中相同相电枢绕组轴线对应定子永磁体的相对位置保持一致，且有3K个动子模块，使各相绕组在整体视图下处于完全对称结构，可以极大地改善直线电机端部效应引起的三相反电势不平衡问题，使得每个动子模块产生的波动推力具有互补特性，可以使得模块化游标永磁直线电机的推力波动大幅削弱至1％以内。
2、本发明采用Halbach阵列的永磁体表贴于定子铁芯上，由于Halbach阵列的永磁体漏磁很小，可以有效增大气隙磁密，提高推力密度，相比传统永磁电机，相同体积下的推力得到较大提升。
3、由于相邻的动子模块之间采用非导磁材料填充，电枢绕组之间的互感得以减小，实现了不同模块之间的电磁解耦，提高了模块化游标永磁电机运行的容错性和可靠性。
4、本发明显著改善了永磁直线电机的推力密度和降低了推力波动性，且电机具有结构简单，易于批量化生产、维护方便等优点，本发明特别适合于短定子结构直线电机应用场合，例如机床伺服系统。
附图说明
图1所示为本发明提供的基于Halbach永磁结构的模块化游标永磁电机结构的第一实施例的示意图；
图2所示为本发明提供的第一实施例中Halbach阵列永磁结构示意图；
图3所示为本发明提供的对比实施例中三个动子模块中电枢绕组不换位时的反电势波形图和反电势谐波分析；
图4所示为本发明提供的第一实施例中三个动子模块中电枢绕组换位的反电势波形图和反电势谐波分析；
图5所示为本发明提供的第一实施例和对比实施例中推力波形对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提供的基于Halbach永磁结构的模块化游标永磁直线电机，包括3K个动子模块和一个定子，K为正整数，动子模块与定子之间有气隙。定子包括定子铁芯和表贴于其上的Halbach阵列结构的永磁体，定子铁芯由导磁材料做成，例如为实心钢、硅钢片、非晶态铁磁复合材料或者SMC软磁复合材料等构成的导磁材料。每个动子模块包括有具有齿槽结构的铁芯，槽内绕有三相电枢绕组，槽内可以设置单层绕组或双层绕组，动子铁芯由导磁材料做成，例如为实心钢、硅钢片、非晶态铁磁复合材料或者SMC软磁复合材料等构成的导磁材料。基于磁场调制原理，每个动子模块槽数Z，电枢绕组极对数Pa、永磁体极对数PM满足PM＝|Z±Pa|，使得经过每个动子模块铁芯调制后的电枢绕组磁场在气隙中与永磁体励磁磁场相互作用，产生波动的推力，由于每个动子模块中的三相绕组经过了换位，且每个动子模块中相同相电枢绕组轴线对应定子中具有Halbach阵列结构的永磁体的相对位置保持一致，且动子模块为3K个，使各相绕组在整体视图下处于完全对称结构，可以极大地改善直线电机端部效应引起的三相反电势不平衡问题，辅以动子模块化结构的互补特性，可以大大抵消推力波动，使得模块化游标永磁电机的推力波动显著降低，由于Halbach阵列的永磁体漏磁很小，可以有效增大气隙磁密，提高推力密度。
本发明提供的基于Halbach永磁结构的模块化游标永磁直线电机还包括磁障，为非导磁材料，用于连接相邻两动子模块，每个相邻的动子模块通过磁障连接，所以磁障有3K-1个，由于动子模块间用磁障连接，使得电枢绕组之间的互感得以减小，实现了不同模块之间的电磁解耦，提高了电机运行的容错性和可靠性，连接各个动子模块的磁障宽度一定且相等，有利于消除推力波动，提高电机的性能。
如图1所示，本发明提供的第一实施例中，该永磁直线电机是单边平板结构，由3个动子模块5、2个磁障3和定子组成，动子模块5和定子之间具有气隙，磁障3用于连接相邻的动子模块5，定子包括定子铁芯6和表贴有Halbach阵列结构的永磁体1。所述永磁体可以采用永磁体，超导磁体，或者电励磁体。就其性能最佳而言，优先采用强磁性材料，例如钕铁硼磁体。磁障可以采用铝、钛合金或者铝合金等非导磁材料制造。
每一动子模块5中动子槽的个数为6个，动子槽中设置3相的单层绕组，且3个动子模块中不同相绕组位置不同。第一个动子模块中第一个动子槽和第四个动子槽中绕制A相电枢绕组，第二个动子模块中第三个动子槽和第六个动子槽中绕制A电枢绕组，第三个动子模块中第二个动子槽和第五个动子槽中绕制A相电枢绕组，每个动子模块中相同相位位于不同的动子槽内，即实现动子模块中电枢绕组的换位。
如图2所示，本发明提供的第一实施例中具有Halbach阵列结构的永磁体，Halbach阵列采用每极两块的结构，亦可以采用每极2块以上的结构。在满足加工工艺的条件下，此处不限制Halbach阵列结构的具体形式。
每一个动子模块对应形成5对极的Halbach阵列结构的永磁体，为使换位后每个模块中相同相绕组轴线对应定子永磁体的相对位置保持一致，磁障宽度理论值为：
式中，m为正整数，λ为Halbach阵列结构的永磁体的极距；
每个模块的动子槽数Z为6，电枢绕组极对数Pa为1、永磁体极对数PM为5，满足PM＝|Z±Pa|，另外，由于磁障宽度使得每个模块中三相电枢绕组经过换位后，确保每个模块中相同相绕组轴线对应定子永磁体的相对位置保持一致，可以极大地改善直线电机端部效应引起的三相反电势不平衡问题，动子模块化组合结构实现每个动子模块产生的波动推力具有互补特性，大大抵消推力波动。另外，采用具有Halbach阵列结构的永磁体，可以有效增大气隙磁密，提高推力密度，相比传统永磁电机，相同体积下的推力得到较大提升。
此外，不同模块之间可以分别控制，通过合理调节磁障的宽度，即不同模块之间的距离，以及优化Halbach阵列的永磁体的宽度，可以大大抵消推力波动。也可以对具有子模块边端的两个半齿的宽度进行优化，可以有效削减推力波动。
本发明提供的实例中模块化游标永磁直线电机可以为双边平板结构或者圆筒型结构，可以是电动机或者发电机。
本发明提供的对比实施例中，结构与本发明提供的第一实施例相同，但每个动子模块的电枢绕组位置相同，即电枢绕组不换位，图3(a)所示为本发明提供的对比实施例中动子模块电枢绕组不换位时的反电势波形图，图3(b)为对应的反电势谐波分析图，可以看出C相有较大谐波。图4(a)所示为本发明提供的第一实施例中三个动子模块的电枢绕组换位的反电势波形图，图4(b)为对应的反电势谐波分析图，可以看出三相绕组换位后三相反电势对称度得到较大改善。图5所示为本发明提供的第一实施例和对比实施例的负载推力波形对比图，动子模块中电枢绕组换位可以有效削减推力波动，将推力波动大幅削弱至1％以内。
本领域的技术人员容易理解，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 (7)

1.一种基于Halbach永磁结构的模块化游标永磁直线电机，其特征在于，包括一个定子和3K个动子模块，3K个动子模块沿动子运动方向排布，动子模块和定子之间具有气隙；
定子包括定子铁芯和具有Halbach阵列结构的永磁体，具有Halbach阵列结构的永磁体贴于定子铁芯表面；
每个动子模块上设有多个动子槽，动子槽中绕有三相电枢绕组，不同动子模块中各相电枢绕组位置不同，每个模块中相同相电枢绕组轴线对应定子永磁体的相对位置保持一致；
每个动子模块的动子槽数Z，每个动子模块的电枢绕组的极对数Pa、每个动子模块对应的具有Halbach阵列结构的永磁体的极对数PM满足PM＝|Z±Pa|，
其中，K为正整数。
2.根据权利要求1所述的模块化游标永磁直线电机，其特征在于，还包括磁障，两个相邻的动子模块通过磁障连接。
3.根据权利要求2所述的模块化游标永磁直线电机，其特征在于，所述磁障宽度相等，且磁障宽度为式中，m为正整数，λ为具有Halbach阵列结构的永磁体的极距。
4.根据权利要求1所述的模块化游标永磁直线电机，其特征在于，电枢绕组为单层绕组或者双层绕组。
5.根据权利要求1至4任一所述的模块化游标永磁直线电机，其特征在于，所述模块化游标永磁直线电机是单边平板结构、双边平板结构或者圆筒型结构。
6.根据权利要求1至4任一所述的模块化游标永磁直线电机，其特征在于，所述游标永磁直线电机是电动机或者发电机。
7.根据权利要求1至4任一所述的Halbach永磁结构的模块化游标永磁直线电机，其特征在于，所述动子模块与定子铁芯为实心钢、硅钢片、非晶态铁磁复合材料或者SMC软磁复合材料。
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