CN108258877A - 一种基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机，包括定子电枢一次侧和Halbach永磁动子二次侧，定子电枢一次侧位于永磁动子二次侧外侧，定子电枢一次侧由定子铁心和电枢绕组构成，定子铁心两侧端部齿采用内阶梯型结构，定子铁心内部齿采用弧形结构；永磁动子二次侧由动子铁心和贴于铁心表面的永磁体构成，该永磁体采用Halbach阵列结构。本发明的永磁直线电机可以获得比常规磁体更大的气隙磁通，而且具有很好的磁屏蔽作用，可减小动子导磁轭厚度。本发明给出弧形齿结构解析模型，通过该解析模型可推导出磁导大小及磁导随位置变化曲线。本发明的电机最优结构采用田口优化算法获得。

Description

一种基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机

技术领域

本发明属于电工、电机领域，涉及一种永磁同步直线电机。

背景技术

随着科技进步的不断进步，机电行业日益朝着高精度，高效方向迅速发展，永磁同步直线电机直接驱动技术已成为一个最具代表性的先进技术。直线电机可以提供一个直接的线性驱动，与传统的旋转电机配合滚珠丝杠结构相比，无中间传动环节，具有高刚性、高推力、响应速度快、优势突出的节能、免维护等优点，被广泛的应用于航空航天，精密加工等领域。

永磁同步直线电机直接与负载刚性相连，取代了传统滚珠丝杠的直线进给方式，由于取消了中间的传动装置，工作台受到的负载力扰动和外部环境扰动会直接反馈给永磁同步直线电机，使电机产生一定的推力波动，该推力波动会导致机械振动，噪声以及速度振荡，从而恶化其伺服运行特性，如位置跟踪精度。因此，减小直线电机的推力波动是十分必要的。此外，如何提高直线电机的功率密度或推力也是直线电机领域研究的重点问题。与常规磁体结构相比，Halbach阵列应用于永磁同步直线电机具有很好的特性，能够提供正弦度较好的气隙磁密，从而减小了转矩脉动，有利于提高永磁电机的定位精度，Halbach阵列具有良好的磁屏蔽效果，能够减轻电机的重量，同时具有聚磁效果，能够提供高气隙磁密，有利于提高永磁直线电机的功率密度。

田口优化算法是质量工程领域的一种新技术，是日本著名质量管理学家TaguchiG博士于上世纪70年代创立的一种科学，是一种聚焦于最小化过程变异或使产品、过程对环境变异最不敏感的实验设计方法，能设计出环境多变条件下能够稳健和优化操作的高效方法，通过合理安排试验方案，确定最佳参数组合，实现产品质量和成本的最佳匹配。

发明内容

技术问题：本发明提供一种基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机。该永磁直线电机能够在保证电机尺寸不变的情况下，大幅度减小由边端和齿槽共同引起的推力波动，于此同时，该永磁电机在保证低定位力同时，提高了电机的功率密度。将该电机应用到直驱系统中，不需要额外的机械传动装置，使得整个系统的体积质量减小，成本降低、效率提高。

技术方案：本发明的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机，包括相对设置的定子电枢一次侧、气隙层、永磁动子二次侧，位于所述定子电枢一次侧和永磁动子二次侧之间的气隙层，所述定子电枢一次侧包括定子铁心、设置在所述定子铁心内侧的定子齿、安装在两相邻定子齿之间的开槽中的电枢绕组，定子铁心的两端设置有内阶梯形结构的定子端部齿，所述定子齿采用弧形结构；所述永磁动子二次侧包括永磁动子铁心、设置于所述永磁动子铁心表面、采用Halbach不规则永磁阵列的永磁体。

进一步的，本发明电机中，定子端部齿采用内阶梯形结构，阶梯开口方向为定子端部朝向定子中部。

进一步的，本发明电机中，Halbach不规则永磁阵列为两种，且两种Halbach不规则永磁阵列沿永磁动子铁心内侧交替设置，第一种Halbach不规则永磁阵列的永磁体充磁方向从左向右依次为：水平向右，向右上角45°方向，垂直向上，向左上角45°，水平向左；另一种Halbach不规则永磁阵列的永磁体充磁方向从左向右依次为：水平向右，向右下角45°方向，垂直向下，向左下角45°，水平向左。

进一步的，本发明电机中，定子齿的弧形高度h，定子端部齿的水平宽度和垂直高度按照如下方式，确定：

1)根据弧形齿的解析模型确定弧形高度h的初始数值，根据二分法确定定子端部齿(14)的水平距离和垂直距离的初始数值；

2)根据田口优化方法，对所述弧形高度h的初始数值、定子端部齿的水平宽度和垂直高度的初始数值进行优化设计，得到电机定子齿的弧形高度，定子端部齿的水平宽度和垂直高度的最优尺寸。

进一步的，本发明电机中，上述步骤(1)中弧形高度h的初始数值按照如下方式进行确定：首先根据永磁直线电机弧形齿宽W_t，采用磁通管方法建立弧形齿的解析模型，确定主磁通范围-X_m到X_m；然后根据永磁体宽度W_m确定漏磁通半径R的范围，最后根据上述参数，采用等效磁路方法确定弧形高度h的初始数值；

所述步骤(2)的具体内容为：首先根据技术要求确定优化目标，根据优化目标的数量，确定正交矩阵的维度，然后根据弧形高度h初始值以及定子端部齿水平宽度和垂直高度的初始值列写正交矩阵，最后将正交矩阵输入到有限元分析软件中进行优化设计，得到电机定子齿的弧形高度，定子端部齿的水平宽度和垂直高度的最优尺寸。

进一步的，本发明电机中，上述有限元分析软件采用Ansoft软件或Ansys软件。

进一步的，本发明电机中，定子铁心由硅钢片叠加而成，或由实心钢制成，或采用软磁复合材料压制而成，或由环形硅钢片沿轴向叠压而成，所述永磁动子铁心由硅钢片叠加而成，或由实心钢制成。

本发明电机中，定子电枢可用于平板式结构或圆筒式结构的永磁直线发电机/电动机上。定子铁心可由硅钢片叠加而成，或由实心钢制成，也采用软磁复合材料压制而成，同时还可由环形硅钢片沿轴向叠压而成。动子铁心由硅钢片叠加而成，或由实心钢制成。定子铁心内部齿均采用弧形结构，该弧形采用圆弧结构，以定子齿左右两端为起始点和终点进行连接。

本发明电机中，永磁体的构造方式可内嵌于铁心内部也可贴于铁心的表面，永磁体之间可以有间隔也可以无间隔，具体情况随电机本身极距而定。

本发明的新型永磁同步直线电机能够减小电机推力波动，提高电机功率密度，该电机定子采用弧形与内阶梯形混合结构，给出该弧形结构的解析模型，便于最初的电机设计优化。电机的最优结构通过田口优化算法获得，在保证准确性的前提下提高了优化设计时间。

本发明电机可用于发电运行状态，也可用于电动运行状态，发电运行状态时可用于航空航天，海浪发电等新能源开发利用领域，电动运行状态时可用于直驱系统，机械精密加工等领域。本发明电机基于定子采用弧形与内阶梯形混合结构，其中定子铁心两侧端部齿采用内阶梯型结构，定子铁心内部齿采用弧形结构，该结构能够解决直线电机在高精度高速领域中由于端部效应而引起的推力波动问题。本发明电机永磁动子由动子铁心和贴于铁心表面的永磁体构成，该永磁体采用Halbach阵列结构，该结构可以获得比常规磁体更大的气隙磁通，而且具有很好的磁屏蔽作用，可减轻动子整体质量，提高推力密度。该电机结构的整体优化方案采用田口优化方法，该方法省时有效。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

永磁同步直线电机具有结构简单，响应速度快等优点，然后，永磁同步直线电机最大的问题是存在推力波动，在高速高精度密数控系统中，推力波动容易造成速度波动机械振动和噪声，影响直线电机的定位精度与零部件加工精度。目前推力波动的抑制方法通常采用斜极，半闭口槽，或优化初级铁心长度，增加辅助齿及辅助极。传统抑制方法会使加工工艺变得复杂，同时电机长度会增加，导致总质量增加，从而增加了电机成本。本发明提出的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机具有以下优点：

(1)本发明的基于定子采用弧形与内阶梯形混合结构的永磁同步直线电机，其定子铁心两侧端部齿采用内阶梯型结构，定子铁心内部齿采用弧形结构，该结构能够解决直线电机在高精度高速领域中由于端部效应而引起的推力波动问题，能够较大程度的减小直线电机的定位力。

(2)本发明的基于定子采用弧形与内阶梯形混合结构的永磁同步直线电机，可用于发电运行状态，也可用于电动运行状态，发电运行状态时可用于航空航天，海浪发电等新能源开发利用领域，电动运行状态时可用于直驱系统，机械精密加工等领域，具有很好的应用前景。

(3)本发明的基于定子采用弧形与内阶梯形混合结构的永磁同步直线电机，其动子采用Halbach永磁阵列，该阵列能够提供较高的气隙磁密，能够提供正弦度更高的气隙磁密，有利于提高电机的推力，减小推力波动，提高系统运行稳定性；同时具有自屏蔽作用，一方面降低了涡流损耗，提高电机效率，另一方面减轻了重量，改善系统快速响应的能力。

(4)本发明的基于定子采用弧形与内阶梯形混合结构的永磁同步直线电机，该电机最优结构采用田口优化算法得到，传统的粒子群和遗传算法等都是全局优化设计方法，能够将有不确定因素都包含在优化目标中，但具体目标函数的建立非常复杂，计算耗费的时间较长。田口优化算法通过建立实验正交表，能够以最少的实验次数分析得出多目标优化设计时各设计参数的最佳配合方案。

(5)本发明的基于定子采用弧形与内阶梯形混合结构的永磁同步直线电机，给出弧形齿解析模型，通过该解析模型，能够计算出磁导大小，进而能够计算出电机的电磁性能，对电机最初设计起到指导性作用。

附图说明

图1为本发明基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机示意图；

图2为弧形齿结构解析模型示意图。

图3为磁导随位移变换曲线：横坐标为永磁动子运动位置，共12个位置从X₁到X₁₂；纵坐标为磁导变化曲线。

图中有：1-定子电枢一次侧；2-气隙层；3-永磁动子二次侧；11-定子铁心；111-漏磁区域；112-磁通管；113-主磁通；114-运动区域；12-电枢绕组；13-定子齿；14-定子端部齿；31-永磁体；32-永磁动子铁心。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

本发明所述的定子采用弧形与内阶梯形混合结构的永磁直线电机由四个主要部分组成，由上至下(由外到内)依次设置为：定子电枢一次侧1，气隙层2，永磁动子二次侧3。所述定子电枢一次侧1包括定子铁心11，放置在所述定子铁心11内表面开槽中的电枢绕组12，定子齿13以及定子端部齿14；开槽两侧的定子齿13采用弧形结构；所述永磁动子二次侧3包括永磁动子铁心32以及粘贴于所述动子铁心表面的永磁体31，所述表贴式永磁体31采用Halbach不规则永磁阵列。

本发明的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机，所述定子铁心11可由硅钢片叠加而成，或由实心钢制成，还可采用软磁复合材料压制而成，同时还可由环形硅钢片沿轴向叠压而成。永磁动子铁心32由硅钢片叠加而成，或由实心钢制成。

本发明的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机，定子内表面开槽中的电枢绕组12可采用集中绕组，也可采用分布式绕组形式，绕组可分成三相，可根据需要分成任意相。

本发明永磁直线电机的优选实施例中，定子铁心两侧的端部齿均采用内阶梯形结构，阶梯开口方向为定子端部朝向定子中部；定子铁心内部齿均采用弧形结构。

本发明永磁直线电机的一种优选实施例中，贴于动子铁心表面的永磁体采用Halbach不规则阵列结构，Halbach不规则永磁阵列为两种，且两种Halbach不规则永磁阵列沿永磁动子铁心内侧交替设置，第一种Halbach不规则永磁阵列的永磁体充磁方向从左向右依次为：水平向右，向右上角45°方向，垂直向上，向左上角45°，水平向左；另一种Halbach不规则永磁阵列的永磁体充磁方向从左向右依次为：水平向右，向右下角45°方向，垂直向下，向左下角45°，水平向左。

本发明永磁直线电机的一种优选实施例中，弧形高度h以及定子端部齿的水平距离和垂直距离按照以下方式进行确定：

1)根据弧形齿的解析模型，确定弧形高度h的初始数值，根据二分法确定定子端部齿的水平距离和垂直距离的初始数值。

2)根据田口优化方法，对上述弧形高度h的初始数值，定子端部齿的水平距离和垂直距离的初始数值进行优化设计，得到电机定子齿的弧形高度，定子端部齿的水平宽度和垂直高度的最优尺寸。

本发明永磁直线电机的一种优选实施例中，定子齿中弧形高度h的初始数值按以下步骤进行确定：首先根据永磁直线电机弧形齿宽Wt，采用磁通管方法建立弧形齿的解析模型，确定主磁通范围-Xm到Xm；然后根据永磁体宽度Wm确定漏磁通半径R的范围，最后，根据上述参数，采用等效磁路方法确定弧形高度h的初始数值。

本发明的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机，田口优化方法按以下步骤进行：首先根据技术要求确定优化目标，根据优化目标的数量，确定正交矩阵的维度，然后根据弧形高度h初始值以及定子端部齿水平宽度和垂直高度的初始值列写正交矩阵，最后将正交矩阵输入到有限元分析软件中进行优化设计，得到电机定子齿的弧形高度，定子端部齿的水平宽度和垂直高度的最优尺寸。

优选的，本发明的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机中永磁体均采用钕铁硼材料。

优选的，本发明的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机电枢绕组采用集中绕组。

本发明的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机参数如表1所示。

表1圆筒直线电机参数

通过弧形齿结构解析模型可以计算出该电机磁导变化情况，具体推导如下：

(1)当电机的弧形齿与永磁体正对齐时，磁场辐射区为-X_m到X_m，此时气隙磁导公式如下：

其中，g_d为气隙长度一半，r为圆弧半径，x为永磁体运动距离。

(2)当永磁体沿着x轴方向进行运动，磁场辐射区为-X_j到-X_m，此时气隙磁导公式如下：

(3)当永磁体运动离开漏磁辐射区进入到主磁通后，磁场辐射区为-X₁到X_i，此时气隙磁导公式如下：

(4)当永磁体运动离开定子齿，磁场辐射区为X_m到X_j，此时气隙磁导公式如下：

本发明所述的基于定子齿采用弧形与内阶梯形混合结构的永磁直线电机，弧形齿及内梯形齿最优结构由田口优化方法确定。选择定位力为目标函数，弧形齿高度、阶梯齿宽度、阶梯齿长度、端部齿宽度、端部齿高度为因子确定表1数据。对表2数据进行处理，确定最优参数匹配，如表3所示。

表2优化参数和水平因子

表3优化后各参数的水平组合及数值

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机，其特征在于，该电机包括相对设置的定子电枢一次侧(1)、气隙层(2)、永磁动子二次侧(3)，位于所述定子电枢一次侧(1)和永磁动子二次侧(3)之间的气隙层(2)，所述定子电枢一次侧(1)包括定子铁心(11)、设置在所述定子铁心(11)内侧的定子齿(13)、安装在两相邻定子齿(13)之间的开槽中的电枢绕组(12)，定子铁心(11)的两端设置有内阶梯形结构的定子端部齿(14)，所述定子齿(13)采用弧形结构；所述永磁动子二次侧(3)包括永磁动子铁心(32)、设置于所述永磁动子铁心(32)表面、采用Halbach不规则永磁阵列的永磁体(31)。

2.根据权利要求1所述的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机，所述定子端部齿(14)采用内阶梯形结构，阶梯开口方向为定子端部朝向定子中部。

3.根据权利要求1所述的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机，所述Halbach不规则永磁阵列为两种，且两种Halbach不规则永磁阵列沿永磁动子铁心(32)内侧交替设置，第一种Halbach不规则永磁阵列的永磁体充磁方向从左向右依次为：水平向右，向右上角45°方向，垂直向上，向左上角45°，水平向左；另一种Halbach不规则永磁阵列的永磁体充磁方向从左向右依次为：水平向右，向右下角45°方向，垂直向下，向左下角45°，水平向左。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机，所述定子齿(13)的弧形高度h，定子端部齿(14)的水平宽度和垂直高度按照如下方式，确定：

1)根据弧形齿的解析模型确定弧形高度h的初始数值，根据二分法确定定子端部齿(14)的水平距离和垂直距离的初始数值；

2)根据田口优化方法，对所述弧形高度h的初始数值、定子端部齿(14)的水平宽度和垂直高度的初始数值进行优化设计，得到电机定子齿(13)的弧形高度，定子端部齿(14)的水平宽度和垂直高度的最优尺寸。

5.根据权利要求4所述的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机，所述步骤(1)中弧形高度h的初始数值按照如下方式进行确定：首先根据永磁直线电机弧形齿宽W_t，采用磁通管方法建立弧形齿的解析模型，确定主磁通范围-X_m到X_m；然后根据永磁体宽度W_m确定漏磁通半径R的范围，最后根据上述参数，采用等效磁路方法确定弧形高度h的初始数值；

所述步骤(2)的具体内容为：首先根据技术要求确定优化目标，根据优化目标的数量，确定正交矩阵的维度，然后根据弧形高度h初始值以及定子端部齿(14)水平宽度和垂直高度的初始值列写正交矩阵，最后将正交矩阵输入到有限元分析软件中进行优化设计，得到电机定子齿(13)的弧形高度，定子端部齿(14)的水平宽度和垂直高度的最优尺寸。

6.根据权利要求5所述的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机，所述有限元分析软件采用Ansoft软件或Ansys软件。

7.根据权利要求1、2或3所述的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机，其特征在于，所述定子铁心(11)由硅钢片叠加而成，或由实心钢制成，或采用软磁复合材料压制而成，或由环形硅钢片沿轴向叠压而成，所述永磁动子铁心(32)由硅钢片叠加而成，或由实心钢制成。