CN108667261A - 双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机，第一、第二初级组件均由电枢绕组和初级铁心组成，初级铁心具有齿槽结构，电枢绕组缠绕在齿上；第一、第二初级组件位于次级组件的两边，并分别与次级组件形成气隙；次级组件包括轭板和数个永磁体，每一对极下包括四块永磁体，第一、第二永磁体位于轭板的同一边，第三、第四永磁体位于轭板的同一边，且第一、第三永磁体位置相对，第二、第四永磁体位置相对，第一、第三永磁体的充磁方向相同，第二、第四永磁体的充磁方向相同，第一、第二永磁体的充磁方向相反；第一、第二初级组件在横向上错开位移为S＝τ/2，τ为电机的极距。此种结构可利于降低电机的推力波动，同时降低单边磁拉力及其波动。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，特别涉及一种双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机。
背景技术
双初级永磁同步直线电机在加工工艺及精度保证的情况下，初级与次级之间形成的法向电磁吸力在中间部分上的作用基本可以相互抵消，使得电机内所产生的法向力可以分散到两边的轴承上，对于消除法向力对电机运行性能的影响可以有较强的保障。并且双边结构的电机在给定的体积内能够提供更大的推力，更适用于高推力密度的场合。但是，由于端部效应、齿槽效应和电枢反应的共同影响，使得此类电机存在推力波动大的缺点。
为抑制推力波动，一种有效的方法是采用双边错齿结构设计(如图15所示)，该电机上两个初级组件的结构完全一样，但是两个初级组件在横向上错开一定的距离S，因此初级组件二上的三相绕组顺序要相应改变，错开的距离可通过进行有限元仿真得到最优值。这种结构使电机具有类似斜槽的效果，能在一定程度上削弱推力波动。但是其缺点在于，使电机的平均推力下降，同时改变了原来次级组件承受来自上下两个初级组件的单边磁拉力正好完全抵消的特性，因此造成次级组件承受单边磁拉力及其波动增大，从而影响电机装配难度增加，并影响直线电机系统的控制精度。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机，其可利于降低电机的推力波动，同时降低单边磁拉力及其波动。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机，包括第一初级组件、第二初级组件和次级组件，第一、第二初级组件均由电枢绕组和初级铁心组成，初级铁心具有齿槽结构，电枢绕组缠绕在齿上；第一、第二初级组件位于次级组件的两边，并分别与次级组件形成气隙；次级组件包括轭板和数个永磁体，每一对极下包括四块永磁体，第一、第二永磁体位于轭板的同一边，第三、第四永磁体位于轭板的同一边，且第一、第三永磁体位置相对，第二、第四永磁体位置相对，第一、第三永磁体的充磁方向相同，第二、第四永磁体的充磁方向相同，第一、第二永磁体的充磁方向相反；第一初级组件和第二初级组件在横向上错开位移为S＝τ/2，τ为电机的极距。
采用上述方案后，本发明的优点是：
(1)通过双边错开位移S＝τ/2(τ为电机的极距)的设计，以及上下初级组件上三相绕组顺序和绕组绕制方向的调整，一方面使上下两个初级组件上同相绕组的电角度完全相同，从而不影响输出推力均值；另一方面调节端部磁场分布，使两个初级组件上各相绕组与端部的相对位置不同，从而调节端部效应对三相绕组不对称性的影响，最终达到抑制推力波动，利于提高控制系统性能的效果；
(2)传统的双边错齿电机(如图15所示)，其原理是类似斜极斜槽原理，双边错开一定距离的设计，虽然能抑制推力波动，但是会导致推力均值下降和单边磁拉力增大；本发明与之不同，电机的推力均值不会下降，且理论上次级上承受的单边磁拉力为0。
附图说明
图1是本发明实施方式一双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机；
图2是本发明实施方式一初级组件一的结构示意图；
图3是本发明实施方式一初级组件二的结构示意图；
图4是本发明次级组件的结构示意图；
图5是本发明次级组件上一对极的结构示意图；
图6是本发明实施方式二双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机；
图7是本发明实施方式二初级组件一的结构示意图；
图8是本发明实施方式二初级组件二的结构示意图；
图9是本发明实施方式三双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机；
图10是本发明实施方式三初级组件一的结构示意图；
图11是本发明实施方式三初级组件二的结构示意图；
图12是本发明实施方式四双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机；
图13是本发明实施方式四初级组件一的结构示意图；
图14是本发明实施方式四初级组件二的结构示意图；
图15是传统双边错齿永磁同步直线电机结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
实施方式一：
如图1至图5所示，是本发明双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机的第一实施例，其极槽配合为14极12槽，所述电机包括初级组件一1、初级组件二2和次级组件3，其中，初级组件一1由铁心轭1-1、铁心齿1-2和电枢绕组1-3组成，铁心轭1-1和铁心齿1-2形成齿槽结构，电枢绕组1-3缠绕在齿上；初级组件二2由铁心轭2-1，铁心齿2-2和电枢绕组2-3组成，铁心轭2-1和铁心齿2-2形成齿槽结构，电枢绕组2-3缠绕在齿上；次级组件3由永磁体3-1和轭板3-2构成，每一对极下包括四块永磁体，位于轭板3-2两边的永磁体3-1-1和3-1-3的充磁方向相同，永磁体3-1-2和永磁体3-1-4的充磁方向相同，位于轭板同一边的相邻永磁体3-1-1和3-1-2的充磁方向相反。初级组件一1和初级组件二2位于次级组件3的两边，并与次级组件形成气隙4和气隙5结构。永磁体发出的磁通，经初级组件1、初级组件2、次级组件3及气隙4和气隙5形成串联磁路。
初级组件一1和初级组件二2在横向上错开位移为S＝τ/2(τ为电机的极距)，即错开90°电角度。
初级组件一1上，A相绕组1-3-1设置在第1个槽和第3个槽1-4内，第一个槽为半填槽，X相绕组1-3-4设置在第2个槽内；C相绕组1-3-3设置在第4个槽内，Z相绕组1-3-6设置在第3个槽和第5个槽内；B相绕组1-3-2设置在第5个槽和第7个槽内，Y相绕组1-3-5设置在第6个槽内；第1—第7个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第7—第13个槽内，绕组相序与第一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与第一个单元电机的绕组绕制方向完全相反。
初级组件二2上，Z相绕组2-3-6设置在第1个槽和第6个槽2-4内，第一个槽为半填槽，C相绕组2-3-3设置在第2个槽和第7个槽内；Y相绕组1-3-5设置在第2个槽和第4个槽内，B相绕组2-3-2设置在第3个槽内；X相绕组2-3-4设置在第5个槽内，A相绕组2-3-1设置在第4个槽和第6个槽内；第1—第7个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第7—第13个槽内，绕组相序与第一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与第一个单元电机的绕组绕制方向完全相反。
该结构抑制推力波动的原理为：通过双边错齿结构，调节初级组件端部磁场分布；通过初级组件一1和初级组件二2上绕组位置和绕制方向的不同设置，一方面确保同相位绕组的相角相同，另一方面使各相绕组与端部的相位位置不同，使初级组件一1的端部效应和初级组件二2的端部效应对各相绕组的影响相互削弱，从而改善直线电机三相绕组不对称现象。综合这两方面作用，最终起到抑制推力波动的效果。
实施方式二：
如图6、7、8所示，是本发明双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机的第二实施例，其极槽配合为10极12槽。
初级组件一1上，A相绕组1-3-1设置在第1个槽和第3个槽1-4内，第一个槽为半填槽，X相绕组1-3-4设置在第2个槽内；B相绕组1-3-2设置在第4个槽内，Y相绕组1-3-5设置在第3个槽和第5个槽内；C相绕组1-3-3设置在第5个槽和第7个槽内，Z相绕组1-3-6设置在第6个槽内；第1—第7个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第7—第13个槽内，绕组相序与第一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与第一个单元电机的绕组绕制方向完全相反。
初级组件二2上，B相绕组2-3-2设置在第1个槽和第6个槽2-4内，第一个槽为半填槽，Y相绕组2-3-5设置在第2个槽和第7个槽内；C相绕组2-3-3设置在第2个槽和第4个槽内，Z相绕组2-3-6设置在第3个槽内；A相绕组2-3-1设置在第5个槽内，X相绕组2-3-4设置在第4个槽和第6个槽内；第1—第7个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第7—第13个槽内，绕组相序与第一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与第一个单元电机的绕组绕制方向完全相反。
实施方式三：
如图9、10、11所示，是本发明双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机的第三实施例，其极槽配合为20极18槽。
初级组件一1上，A相绕组1-3-1设置在第1个槽和第3个槽1-4内，第一个槽为半填槽，X相绕组1-3-4设置在第2个槽和第4个槽内；C相绕组1-3-3设置在第4个槽和第6个槽内，Z相绕组1-3-6设置在第5个槽和第7个槽内；B相绕组1-3-2设置在第7个槽和第9个槽内，Y相绕组1-3-5设置在第8个槽和第10个槽内；第1—第10个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第10—第19个槽内，绕组相序与第一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与第一个单元电机的绕组绕制方向完全相同。
初级组件二2上，Z相绕组2-3-6设置在第1个槽、第3个槽和第10个槽2-4内，第一个槽为半填槽，C相绕组2-3-3设置在第2个槽和第9个槽内；Y相绕组2-3-5设置在第4个槽和第6个槽内，B相绕组2-3-2设置在第3个槽和第5个槽内；X相绕组2-3-4设置在第7和第9个槽内，A相绕组2-3-1设置在第6个槽和第8个槽内；第1—第10个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第10—第19个槽内，绕组相序与第一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与第一个单元电机的绕组绕制方向完全相同。
实施方式四：
如图12、13、14所示，是本发明双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机的第四实施例，其极槽配合为16极18槽。
初级组件一1上，A相绕组1-3-1设置在第1个槽和第3个槽1-4内，第一个槽为半填槽，X相绕组1-3-4设置在第2个槽和第4个槽内；C相绕组1-3-3设置在第4个槽和第6个槽内，Z相绕组1-3-6设置在第5个槽和第7个槽内；B相绕组1-3-2设置在第7个槽和第9个槽内，Y相绕组1-3-5设置在第8个槽和第10个槽内；第1—第10个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第10—第19个槽内，绕组相序与第一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与第一个单元电机的绕组绕制方向完全相同。
初级组件二2上，C相绕组2-3-3设置在第1个槽、第8个槽和第10个槽2-4内，第一个槽为半填槽，Z相绕组2-3-6设置在第2个槽和第9个槽内；B相绕组2-3-2设置在第2个槽和第4个槽内，Y相绕组2-3-5设置在第3个槽和第5个槽内；A相绕组2-3-1设置在第5个槽和第7个槽内，X相绕组2-3-4设置在第6和第8个槽内；第1—第10个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第10—第19个槽内，绕组相序与第一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与第一个单元电机的绕组绕制方向完全相同。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机，包括第一初级组件、第二初级组件和次级组件，第一、第二初级组件均由电枢绕组和初级铁心组成，初级铁心具有齿槽结构，电枢绕组缠绕在齿上；第一、第二初级组件位于次级组件的两边，并分别与次级组件形成气隙；其特征在于：次级组件包括轭板和数个永磁体，每一对极下包括四块永磁体，第一、第二永磁体位于轭板的同一边，第三、第四永磁体位于轭板的同一边，且第一、第三永磁体位置相对，第二、第四永磁体位置相对，第一、第三永磁体的充磁方向相同，第二、第四永磁体的充磁方向相同，第一、第二永磁体的充磁方向相反；第一初级组件和第二初级组件在横向上错开位移为S＝τ/2，τ为电机的极距。
2.如权利要求1所述的双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机，其特征在于：每个齿槽所对应的电角度为α1，且α1满足条件：α1±120°＝kπ+90°，k为任意整数，则第一、第二初级组件错位τ/2后，保持第一初级组件上绕组的排列不变，先使第二初级组件上绕组向前移动一个槽，再使所得第一、第二初级组件下绕组三相绕组槽矢量星形图顺时针或逆时针旋转120°得到最终的下绕组排列。
3.如权利要求1所述的双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机，其特征在于：每个齿槽所对应的电角度为α2，且α2满足条件：α2±60°＝kπ+90°，k为任意整数，则第一、第二初级组件错位τ/2后，保持第一初级组件上绕组的排列不变，先使第二初级组件上绕组向前移动一个槽，再使所得第一、第二初级组件下绕组三相绕组槽矢量星形图顺时针或逆时针旋转60°得到最终的下绕组排列。
4.如权利要求1所述的双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机，其特征在于：每个齿槽所对应的电角度为α3，且α3满足条件：-30°＜(α3±120°-kπ-90°)＜30°，k为任意整数，则第一、第二初级组件错位τ/2后，保持第一初级组件上绕组的排列不变，先使第二初级组件上绕组向前移动一个槽，再使所得第一、第二初级组件下绕组三相绕组槽矢量星形图顺时针或逆时针旋转120°得到最终的下绕组排列。
5.如权利要求1所述的双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机，其特征在于：每个齿槽所对应的电角度为α3，且α3满足条件：-30°＜(α3±60°-kπ-90°)＜30°，k为任意整数，则第一、第二初级组件错位τ/2后，保持第一初级组件上绕组的排列不变，先使第二初级组件上绕组向前移动一个槽，再使所得第一、第二下绕组三相绕组槽矢量星形图顺时针或逆时针旋转60°得到最终的下绕组排列。
6.如权利要求1所述的双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机，其特征在于：所述电机极槽配合为14极12槽，则具体结构为：
第一初级组件上，A相绕组设置在第1个槽和第3个槽内，第1个槽为半填槽，X相绕组设置在第2个槽内；C相绕组设置在第4个槽内，Z相绕组设置在第3个槽和第5个槽内；B相绕组设置在第5个槽和第7个槽内，Y相绕组设置在第6个槽内；第1—第7个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第7—第13个槽内，绕组相序与前一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与前一个单元电机的绕组绕制方向完全相反；
第二初级组件上，Z相绕组设置在第1个槽和第6个槽内，第1个槽为半填槽，C相绕组设置在第2个槽和第7个槽内；Y相绕组设置在第2个槽和第4个槽内，B相绕组设置在第3个槽内；X相绕组设置在第5个槽内，A相绕组设置在第4个槽和第6个槽内；第1—第7个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第7—第13个槽内，绕组相序与前一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与前一个单元电机的绕组绕制方向完全相反。
7.如权利要求1所述的双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机，其特征在于：所述电机极槽配合为10极12槽，则具体结构为：
第一初级组件上，A相绕组设置在第1个槽和第3个槽内，第1个槽为半填槽，X相绕组设置在第2个槽内；B相绕组设置在第4个槽内，Y相绕组设置在第3个槽和第5个槽内；C相绕组设置在第5个槽和第7个槽内，Z相绕组设置在第6个槽内；第1—第7个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第7—第13个槽内，绕组相序与前一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与前一个单元电机的绕组绕制方向完全相反；
第二初级组件上，B相绕组设置在第1个槽和第6个槽内，第1个槽为半填槽，Y相绕组设置在第2个槽和第7个槽内；C相绕组设置在第2个槽和第4个槽内，Z相绕组设置在第3个槽内；A相绕组设置在第5个槽内，X相绕组设置在第4个槽和第6个槽内；第1—第7个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第7—第13个槽内，绕组相序与前一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与前一个单元电机的绕组绕制方向完全相反。
8.如权利要求1所述的双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机，其特征在于：所述电机极槽配合为20极18槽，则具体结构为：
第一初级组件上，A相绕组设置在第1个槽和第3个槽内，第1个槽为半填槽，X相绕组设置在第2个槽和第4个槽内；C相绕组设置在第4个槽和第6个槽内，Z相绕组设置在第5个槽和第7个槽内；B相绕组设置在第7个槽和第9个槽内，Y相绕组设置在第8个槽和第10个槽内；第1—第10个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第10—第19个槽内，绕组相序与前一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与前一个单元电机的绕组绕制方向完全相同；
第二初级组件上，Z相绕组设置在第1个槽、第3个槽和第10个槽内，第一个槽为半填槽，C相绕组设置在第2个槽和第9个槽内；Y相绕组设置在第4个槽和第6个槽内，B相绕组设置在第3个槽和第5个槽内；X相绕组设置在第7和第9个槽内，A相绕组设置在第6个槽和第8个槽内；第1—第10个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第10—第19个槽内，绕组相序与前一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与前一个单元电机的绕组绕制方向完全相同。
9.如权利要求1所述的双边错齿τ/2的低推力波动永磁同步直线电机，其特征在于：所述电机极槽配合为16极18槽，则具体结构为：
第一初级组件上，A相绕组设置在第1个槽和第3个槽内，第1个槽为半填槽，X相绕组设置在第2个槽和第4个槽内；C相绕组设置在第4个槽和第6个槽内，Z相绕组设置在第5个槽和第7个槽内；B相绕组设置在第7个槽和第9个槽内，Y相绕组设置在第8个槽和第10个槽内；第1—第10个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第10—第19个槽内，绕组相序与前一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与前一个单元电机的绕组绕制方向完全相同；
第二初级组件二2上，C相绕组设置在第1个槽、第8个槽和第10个槽内，第1个槽为半填槽，Z相绕组设置在第2个槽和第9个槽内；B相绕组设置在第2个槽和第4个槽内，Y相绕组设置在第3个槽和第5个槽内；A相绕组设置在第5个槽和第7个槽内，X相绕组设置在第6和第8个槽内；第1—第10个槽内绕组形成一个单元电机绕组结构；第二个单元电机的绕组设置在第10—第19个槽内，绕组相序与前一个单元电机完全相同，绕组绕制方向与前一个单元电机的绕组绕制方向完全相同。
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| CN108667261B (zh) | 2020-07-07 |
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