CN108110987A - 双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机 - Google Patents
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Abstract
双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机，该永磁直线电机包括U形双定子、动子铁心和动子承重板；U形双定子为由两个立板和一个横板构成的U形结构，在该U形结构的两侧立板内壁安装有两排永磁体；两侧立板顶部各安装有一条导轨；本申请采用双定子双气隙结构，动子采用有铁心结构，提高了气隙磁共能，有效地增加了电机的推力密度。另外，实现了有取向硅钢片各向异性的导磁性能与本发明电机的磁路特性相结合，动子齿磁力线方向与有取向硅钢片的轧制方向高导磁性能方向相一致；利用有取向硅钢片轧制方向导磁性能好的特点，可将饱和工作点提高，使定子电流产生的磁动势增大，从而提高定子齿部磁通密度和气隙磁通密度，达到提高直线电机单位体积下推力密度的目的。
Description
技术领域：
本发明属于电机技术领域，具体涉及双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机结构。
背景技术：
有铁心直线电机是在硅钢片上的缠绕线圈，广泛应用于高速数控加工中芯、垂直升降输送系统、高速地面运输系统、往复式空气压缩机等领域，可以提供较高的快速响应能力，移动较重的负载，并在在机床加工或施加推力的过程中能保证刚度。
这类电机的应用中，推力密度是最重要的性能指标之一，希望更小的体积能够输出更高的推力，同时具有较小的推力波动。因此，国内外许多学者重点研究如何优化这类直线电机的推力性能，提出采用集中绕组结构、高性能永磁体等方法提高推力密度，提出利用半闭口槽、斜极或斜槽、分数槽等结构降低推力波动，但均未有进展。
发明内容：
发明目的：
本发明提供一种双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机，其目的是解决以往所存在的问题。本申请选用导磁性能各向异性的有取向硅钢片作为动子铁心材料。本申请进一步增加推力密度，降低推力波动。
技术方案：
一种双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机，其特征在于：该永磁直线电机包括U形双定子、动子铁心和动子承重板；U形双定子为由两个立板和一个横板构成的U形结构，在该U形结构的两侧立板内壁安装有两排永磁体；两侧立板顶部各安装有一条导轨；两排永磁体对应排列，两排永磁体之间异向充磁，并且同一排永磁体中相邻的两个永磁体也异向充磁；动子承重板为由一个横向承重板和两个竖向承重板构成的倒U形结构，动子承重板左右两侧竖向承重板底部各有一个凹槽，凹槽与U形双定子上的导轨配合，使动子承重板与U形定子之间形成滑动连接结构；动子铁心安装于动子承重板4的横向承重板底部。
动子称重板外壁一侧安装有用于提高电机的控制精度的位置传感器。
动子称重板另一侧安装有用于固定绕组外部引出线的拖链。
动子称重板横向承重板底部设置有两排用于固定动子铁心的端铁。
动子铁心由有取向硅钢片分离齿齿组构成；每个有取向硅钢片分离齿齿组由多片有取向硅钢片叠压而成，每片有取向硅钢片轧制方向与磁路方向一致，叠压方向为垂直于纸面的方向。
多个有取向硅钢片齿组按运动方向依次排列，两个齿组之间即可形成一个用于安放单齿间隔绕组的动子槽。
动子铁心A、B、C三相绕组依次排布三相绕组依次排列构成单齿间隔绕组：绕有线圈的齿组形成电枢齿，无线圈缠绕的齿组形成间隔齿。
动子铁心采用半闭口槽分离齿结构，硅钢片分离齿齿组通过环氧玻璃布板固定，环氧玻璃布板设置有嵌套孔，每个分离齿齿组顶部，即齿顶塞入嵌套孔中，环氧玻璃布板连接动子称重板的端铁。
动子铁心采用分离齿结构，无动子轭部；动子铁心为有铁心结构，并将较长的齿部磁路与有取向硅钢片的高导磁率方向轧制方向保持一致，齿部磁路直接通过两侧气隙，通过磁极，和定子轭部形成闭合磁路，实现将永磁直线同步电机的磁路特征与有取向硅钢片各向异性的导磁特性充分结合。
动子半闭口槽结构的齿顶漏磁方向与有取向硅钢片的低导磁率方向，即剪切方向，即垂直于轧制方向保持一致，一定程度上解决了半闭口槽增加齿顶漏磁的问题，从而进一步提高直线电机推力密度。动子铁心3采用单齿间隔绕组，线圈的一个元件边与相邻槽的元件边相连构成闭合回路。一个有取向硅钢片齿组绕有线圈，形成电枢齿；而相邻的有取向硅钢片齿组没有线圈缠绕，形成间隔齿。
双定子轭采用电工纯铁，用两个定子的轭部磁路代替了动子轭部磁路，规避了有取向硅钢片剪切方向导磁率低的问题。
优点效果：
双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机，采用双定子结构，动子采用分离齿结构，由有取向硅钢片叠压而成，叠压方向为垂直于直线电机的运动方向，即为穿出纸面的方向，无动子轭部。
本申请选用导磁性能各向异性的有取向硅钢片作为动子铁心材料，充分利用双定子无动子轭的有取向硅钢片永磁直线电机的磁路特点，将电机的磁路特性与材料的导磁特性充分结合。将较长的齿部磁路方向与有取向硅钢片的高导磁率方向轧制方向保持一致，没有动子轭部磁路，齿部磁路直接通过两侧气隙，通过磁极，和定子轭部形成闭合磁路。双定子轭采用电工纯铁，用两个定子的轭部磁路代替了动子轭部磁路，规避了有取向硅钢片剪切方向导磁率低的问题。动子铁心采用半闭口槽结构，硅钢片的剪切方向垂直于轧制方向与动子行走方向一致，也与齿顶漏磁方向一致，一定程度上解决了半闭口槽增加齿顶漏磁的问题，从而进一步提高直线电机推力密度。
直线电机端部开断引起的端部定位力，会引起电机的推力波动，是直线电机特有的问题；双定子无磁轭永磁直线同步电机动子端部漏磁的方向与有取向硅钢片的剪切方向一致，端部漏磁降低，一定程度上削弱了端部开断而造成的三相磁路不对称的问题，从而降低了端部定位力。
本申请采用双定子双气隙结构，动子采用有铁心结构，提高了气隙磁共能，有效地增加了电机的推力密度。另外，实现了有取向硅钢片各向异性的导磁性能与本发明电机的磁路特性相结合，动子齿磁力线方向与有取向硅钢片的轧制方向高导磁性能方向相一致；利用有取向硅钢片轧制方向导磁性能好的特点，可将饱和工作点提高，使定子电流产生的磁动势增大，从而提高定子齿部磁通密度和气隙磁通密度，达到提高直线电机单位体积下推力密度的目的；同时，采用半闭口槽，使直线电机推力波动降低的同时，有取向硅钢片剪切方向垂直于轧制方向导磁率低，有效地抑制了半闭口槽的齿顶漏磁，因而可以减小了推力波动，并且进一步提高了直线电机的推力密度；另外，剪切方向导磁性能差，这可以在一定程度上抑制直线电机因为端部开断而造成的磁路不对称问题，进而降低端部定位力。
附图说明：
图1为双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机总体结构示意图；
图2为有取向硅钢片分离齿齿组示意图；
图3为双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机示意图；
图4为动子铁心剖面图；
图5为动子铁心固定用环氧玻璃布板示意图；
图6为动子铁心与动子承重板连接示意图；
图7为双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机磁路结构示意图。
图中1.U形双定子，2.永磁体，3.动子铁心，4.动子承重板，5.导轨，6.位置传感器，7.拖链，8.安装孔，9.单齿间隔绕组，10.间隔齿，11.电枢齿，12.环氧玻璃布板，13.嵌套孔，14铆钉。
具体实施方式：
本发明提供一种双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机总体结构如图1所示，采用双定子，加上底板构成U形双定子1，U形双定子1内壁两侧安装有两排永磁体2，顶部分别安装有两条导轨5。两侧永磁体对应排列，异向充磁，并且同一排永磁体与相邻永磁体也异向充磁。动子承重板4呈倒U形，左右两侧各有一个凹槽，凹槽通过定子上的导轨5，使动子承重板4与U形定子1之间形成滑动连接。动子称重板4外壁一侧安装有位置传感器6，用于提高电机的控制精度，另一侧安装有拖链7，用于固定绕组外部引出线。动子承重板4底板上有两排固定端铁，用于固定动子铁心3。
动子铁心3由有取向硅钢片分离齿齿组构成。有取向硅钢片分离齿齿组如图2所示，每个有取向硅钢片分离齿齿组由多片有取向硅钢片叠压而成，每片有取向硅钢片轧制方向与磁路方向一致，叠压方向为垂直于纸面的方向。多个有取向硅钢片齿组按横向运动方向依次排列，两个齿组之间即可形成一个动子槽，用于安放单齿间隔绕组9。图3是本发明一种双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机示意图，将图3所示位置剖开，形成动子铁心剖面图图4。图4选用17极18槽电机为例，它需要的A、B、C三相绕组排布形式已在图4中标出。三相绕组依次排列构成单齿间隔绕组：绕有线圈的齿组形成电枢齿11，无线圈缠绕的齿组形成间隔齿10。
因为动子采用半闭口槽分离齿结构，需要采用环氧玻璃布板12固定各个分离齿齿组，环氧玻璃布板12示意图如图5所示，安装孔8用于连接动子铁心3和动子承重板4。嵌套孔13用于嵌套有取向硅钢片齿组的齿顶，即每个分离齿齿组顶部将塞入嵌套孔13中，其厚度与动子整体质量和设计强度相关。由于本实施例的齿组存在上下两个齿顶，因此采用两块环氧玻璃布板12分别用于固定上下两个齿顶，最后采用环氧树脂对整个动子铁心进行浇注固化。结合动子铁心剖面图进一步对动子铁心结构进行说明，动子铁心3与动子承重板4连接图如图6所示，动子铁心3经环氧玻璃布板12固定之后，环氧玻璃布板12上的安装孔8通过铆钉14与动子承重板上的固定端铁15连接。动子铁心3通过环氧玻璃布板12与动子承重板4连接之后，再通过导轨5，动子铁心3就可以与U形双定子1进行直线运动。
本发明采用双定子无磁轭永磁直线同步电机，其磁路结构如图7所示，主磁通从一个磁极出发，经过气隙，通过临近的动子齿进入另一侧的气隙，然后经过另一侧的两个相邻的异向充磁的磁极，再通过相邻的齿回到与原磁极相邻的异向充磁的磁极，动子齿部磁路较长，无动子轭部磁路，为有取向硅钢片的应用提供了条件，使动子齿部磁路与有取向硅钢片轧制方向保持一致，充分利用了有取向硅钢片轧制方向导磁性能好的特点；动子采用半闭口槽结构的齿顶漏磁方向与有取向硅钢片的剪切方向垂直于轧制方向一致，一定程度上抑制了半闭口槽增加齿顶漏磁的问题，从而进一步提高直线电机推力密度。
Claims (10)
1.一种双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机，其特征在于：该永磁直线电机包括U形双定子(1)、动子铁心(3)和动子承重板(4)；U形双定子(1)为由两个立板和一个横板构成的U形结构，在该U形结构的两侧立板内壁安装有两排永磁体(2)；两侧立板顶部各安装有一条导轨(5)；两排永磁体(2)对应排列，两排永磁体(2)之间异向充磁，并且同一排永磁体(2)中相邻的两个永磁体也异向充磁；动子承重板(4)为由一个横向承重板和两个竖向承重板构成的倒U形结构，动子承重板(4)左右两侧竖向承重板底部各有一个凹槽，凹槽与U形双定子(1)上的导轨(5)配合，使动子承重板(4)与U形定子(1)之间形成滑动连接结构；动子铁心(3)安装于动子承重板(4)的横向承重板底部。
2.根据权利要求1所述的双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机，其特征在于：动子称重板(4)外壁一侧安装有用于提高电机的控制精度的位置传感器(6)。
3.根据权利要求1或2所述的双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机，其特征在于：动子称重板(4)另一侧安装有用于固定绕组外部引出线的拖链(7)。
4.根据权利要求1或2所述的双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机，其特征在于：动子称重板(4)的横向承重板底部设置有两排用于固定动子铁心(3)的端铁(16)。
5.根据权利要求4所述的双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机，其特征在于：动子铁心(3)由有取向硅钢片分离齿齿组构成；每个有取向硅钢片分离齿齿组由多片有取向硅钢片叠压而成，每片有取向硅钢片轧制方向与磁路方向一致，叠压方向为垂直于纸面的方向。
6.根据权利要求5所述的双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机，其特征在于：多个有取向硅钢片齿组按运动方向依次排列，两个齿组之间即可形成一个用于安放单齿间隔绕组(9)的动子槽。
7.根据权利要求5所述的双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机，其特征在于：动子铁心A、B、C三相绕组依次排布三相绕组依次排列构成单齿间隔绕组：绕有线圈的齿组形成电枢齿(11)，无线圈缠绕的齿组形成间隔齿(10)。
8.根据权利要求4所述的双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机，其特征在于：动子铁心(3)采用半闭口槽分离齿结构，硅钢片分离齿齿组通过环氧玻璃布板(12)固定，环氧玻璃布板(12)设置有嵌套孔(13)，每个分离齿齿组顶部，即齿顶塞入嵌套孔(13)中，环氧玻璃布板(12)连接动子称重板(4)的端铁(16)。
9.根据权利要求1所述的双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机，其特征在于：动子铁心(3)采用分离齿结构，无动子轭部；动子铁心(3)为有铁心结构，并将较长的齿部磁路与有取向硅钢片的高导磁率方向(轧制方向)保持一致，齿部磁路直接通过两侧气隙，通过磁极，和定子轭部形成闭合磁路，实现将永磁直线同步电机的磁路特征与有取向硅钢片各向异性的导磁特性充分结合。
10.根据权利要求1所述的双定子无动子轭有取向硅钢片永磁直线电机，其特征在于：动子半闭口槽结构的齿顶漏磁方向与有取向硅钢片的低导磁率方向，即剪切方向，即垂直于轧制方向保持一致，动子铁心(3)采用单齿间隔绕组，线圈的一个元件边与相邻槽的元件边相连构成闭合回路。一个有取向硅钢片齿组绕有线圈，形成电枢齿；而相邻的有取向硅钢片齿组没有线圈缠绕，形成间隔齿。
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