CN109067043A - 一种平面磁通切换型永磁电机 - Google Patents

一种平面磁通切换型永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平面磁通切换型永磁电机，所述永磁电机包括：基座，安装在所述基座上的定子阵列，安装在所述基座上且沿着坐标轴Y方向设置的第一直线导轨，设置在所述第一直线导轨上的第二直线导轨，所述第二直线导轨沿着坐标轴X方向设置，所述第二直线导轨上设置有运动平台；所述运动平台包括：分别沿坐标轴X方向与坐标轴Y方向设置的两个运动平台，且每个运动平台包括多个动子块；每一个动子块由两个U型铁芯、永磁体以及线圈组成。本发明的永磁电机具有结构简单、成本低、行程大、精度高，效率高、力脉动小等优点。

Description

一种平面磁通切换型永磁电机
技术领域
本发明涉及电动机技术领域，具体涉及一种平面磁通切换型永磁电机。
背景技术
在微电子制造、超精密加工等领域急需高精度、高速度的平面驱动装置。目前广泛使用的传统平面驱动装置，由两台旋转电机配合齿轮、丝杆等运动转换机构相互叠加而组成。随着电机技术的发展，出现了平面电机。与传统平面驱动装置相比，平面电机摒弃了运动转换机构，直接利用电能产生平面运动，具有结构简单、成本低、可靠性高、精度高、速度快等优点，在高精度平面驱动装置中极具发展前景。
现有的平面电机包括平面永磁同步电机、平面直流电机、平面感应电机、平面变磁阻式电机。但是，现有的平面电机无法同时具备结构简单、成本低、大行程、精度高、效率高、力脉动小的优点。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种平面磁通切换型永磁电机，旨在解决现有技术中的平面电机同时具备结构简单、成本低、大行程、精度高、效率高、力脉动小等问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种平面磁通切换型永磁电机，其中，所述永磁电机包括：基座，安装在所述基座上的定子阵列，安装在所述基座上且沿着坐标轴Y方向设置的第一直线导轨，设置在所述第一直线导轨上的第二直线导轨，所述第二直线导轨沿着坐标轴X方向设置，所述第二直线导轨上设置有运动平台；
所述运动平台包括：分别沿坐标轴X方向与坐标轴Y方向设置的两个运动平台，且每个运动平台包括多个动子块；每一个动子块由两个U型铁芯、永磁体以及线圈组成。
所述的平面磁通切换型永磁电机，其中，所述两个U型铁芯并排设置，且永磁体设置在U型铁芯的中间，所述线圈放置在两个U型铁芯的U型槽中，U型铁芯、永磁铁与线圈构成一个动子块的整体。
所述的平面磁通切换型永磁电机，其中，所述动子块包括：3个负责X方向运动的第一动子块以及3个负责Y方向运动的第二动子块；所述第一动子块与所述第二动子块相互垂直放置。
所述的平面磁通切换型永磁电机，其中，定子阵列由多个定子块拼接而成。
所述的平面磁通切换型永磁电机，其中，所述定子块由硅钢片堆叠而成。
所述的平面磁通切换型永磁电机，其中，所述定子块设置成凸字形结构。
所述的平面磁通切换型永磁电机，其中，所述定子块上设置有用于与其他定子块拼接成一体的连接部，以及用于使其他定子块与自身连接成一体的安装部。
所述的平面磁通切换型永磁电机，其中，所述永磁电机的电磁推力随着动子块的U型铁芯的宽度的增加而增加，且在U型铁芯增加一定值后，电磁推力随着U型铁芯的宽度的增加而减小。
所述的平面磁通切换型永磁电机，其中，所述永磁电机的电磁推力与永磁铁的长度成正比；电机齿槽力也与永磁铁的长度成正比。
所述的平面磁通切换型永磁电机，其中，永磁电机满足几何关系：τu＝1.5τs＝0.5τm、以及wm＝kτs，其中，τu为动子块的齿距，τm为动子块的极距，τs为定子块的极距，λ为相邻动子块间的距离，n为大于1的正整数，wm为动子块厚度，k为正整数。
本发明的有益效果：本发明通过将平面技术与磁通切换电机技术结合，形成平面磁通切换型永磁电机，结构简单，成本低，并通过采用两个不同运动方向的运动平台，有效增大了行程，提高了精度与电机效率，降低了力脉动。
附图说明
图1是本发明的平面磁通切换型永磁电机的结构示意图。
图2是本发明的平面磁通切换型永磁电机的动子块的结构示意图。
图3是本发明的平面磁通切换型永磁电机的动子块的尺寸标识图。
图4是本发明的平面磁通切换型永磁电机的定子阵列的拼接形式示意图。
图5是本发明的平面磁通切换型永磁电机的单个定子块的结构示意图。
图6本发明的平面磁通切换型永磁电机的电磁推力与电流的关系图。
图7本发明的平面磁通切换型永磁电机的动子块的优化前后对比图。
图8本发明的平面磁通切换型永磁电机的电磁推力与U型铁芯宽度的关系图。
图9本发明的平面磁通切换型永磁电机的电机齿槽力与不同永磁铁长度的关系图。
图10本发明的平面磁通切换型永磁电机的电磁推力与不同永磁铁长度的关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。
随着电机技术的发展，现有的平面电机包括平面永磁同步电机、平面直流电机、平面感应电机、平面变磁阻式电机。平面永磁同步电机具有效率高、出力大、响应快、精度高、结构较复杂、成本较高、力脉动大、可靠性低的特点，平面直流电机具有力脉动大、精度高、行程短、出力小的特点，平面感应电机具有行程大、负载大、结构较复杂、速度较低、精度较低的特点，平面变磁阻式电机具有结构简单、行程大、可靠性高、精度较高、效率低、出力小、力脉动大的特点。可见，现有的平面电机无法同时具备结构简单、成本低、大行程、精度高、效率高、力脉动小的优点。
为了解决上述问题，本发明提供一种平面磁通切换型永磁电机，具体如图1所示。所示永磁电机具体包括：基座10，设置在所述基座10上的定子阵列20，安装在所述基座10上且沿着坐标轴Y方向设置的第一直线导轨30，设置在所述第一直线导轨30上的第二直线导轨40，所述第二直线导轨40沿着坐标轴X方向设置，所述第二直线导轨40上设置有运动平台50。参照图1中可以看出，由于第一直线导轨30是沿着Y轴方向设置的，因此第二直线导轨40就可以沿着Y轴方向运动。而第二直线导轨40是沿着X方向设置的，且第二直线导轨40上又设置有运动平台50，因此运动平台是可以在第二直线导轨40上运动的(即沿着X方向运动)，由此可见，本发明中当第二直线导轨40在第一直线导轨30的运动时，可以带动运动平台50实现Y方向的运动，运动平台50本身在第二直线导轨40上的运动即可实现X方向的运动，进而使得运动平台50实现两个方向的运动，有效增大了运动平台50的行程。
进一步地，本发明中的运动平台50分成两个部分，即分别沿着X方向与Y方向设置的两个运动平台，每个运动平台均包括多个动子块。具体地，参照图1，本实施例中的动子块分为：3个负责X方向运动的第一动子块(图1中的XA、XB、XC)以及3个负责Y方向运动的第二动子块(图1中的YA、YB、YC)；所述第一动子块与所述第二动子块垂直。也就是说，本实施例中，沿着X方向设置的运动平台上设置有第一动子块，第一动子块用于使运动平台在X方向运动(即在第二直线导轨40上运动)；而沿着Y方向设置的运动平台上设置有第二动子块，第二动子块可以控制第二直线导轨40在第一直线导轨30上运动，从而实现Y方向的运动。
进一步地，本实施例的动子块(第一动子块与第二动子块)均由两个U型铁芯1、永磁体2以及线圈3组成。如图2中所示，两个U型铁芯1并排设置，且永磁体2设置在U型铁芯1的中间，所述线圈3放置在两个U型铁芯1的U型槽中，U型铁芯1、永磁铁2与线圈3构成一个动子块的整体。此外，本实施例中的定子阵列20是由多个定子块210拼接而成，具体如图4和图5中所示。本实施例中的定子块210是钢片堆叠而成，且设置成凸字形结构。定子块210上设置有用于与其他定子块拼接成一体的连接部211，以及用于使其他定子块与自身连接成一体的安装部222，这样可以使得多个定子块210相互拼接(即图4中所示的拼接)，形成一个定子阵列20，模块化的定子阵列20使得永磁电机的行程易于延拓。
进一步地，在本发明中，所述永磁电机满足几何关系：τu＝1.5τs＝0.5τm、以及wm＝kτs，其中，τu为动子块的齿距，τm为动子块的极距，τs为定子块的极距，λ为相邻动子块间的距离，n为大于1的正整数，wm为动子块厚度，k为正整数。上述参数的标识可从图2-5中找出，图2-5中分别对上述参数进行了标识。
在本发明中的平面磁通切换型永磁电机中的每一个动子块都具有正弦变化的永磁磁链，一个方向上的动子块永磁磁链的相位相互相差120度的电角度，表示为
式中，ψPM为永磁磁链，s为动子块的位置。
一个方向的电磁推力是三个动子块推力的总和，表示为
单个动子块的推力为
式中，Wcolj为磁共能，i为线圈电流，L为电感，WPM为永磁体磁场能。
电磁推力由三个力组成，分别表示为
Fpm为主要的电磁推力，通过控制线圈的电流可实现控制平面磁通切换型永磁电机的电磁推力，进而驱动运动平台运动，实现精密定位。
进一步地，本发明的平面磁通切换型永磁电机的电磁推力与电流近似为正比例关系，如图6中所示。为了提高平面磁通切换型永磁电机的电磁推力，本实施例可以对永磁电机进行优化，优化的目标是增大电磁推力的同时减少电机齿槽力，增加本发明的平面磁通切换型永磁电机的推力性能。
首先，对于增大电磁推力，平面磁通切换型永磁电机的永磁磁链越大，其电磁推力越大。电机的永磁磁链公式为
式中，Rir是动子块的磁阻，Rs是定子的磁阻，Rair是气隙的磁阻，N是线圈的匝数，FPM是永磁磁动势。
当不考虑定子块和气隙的改变，可通过减小U型铁芯的磁阻增大永磁磁链。U型铁芯的磁阻公式为
式中，w为动子块U型铁芯长度，S为动子块U型铁芯的截面积，μFe为U型铁芯材料的磁导率。
由于线圈安装的要求，线圈区域不可减小，因此通过增加U型铁芯的宽度来减小动子块U型铁芯磁阻，U型铁芯宽度增加示意图如图7所示。图7中示出了U型铁芯的宽度前后变化对比图。但是，随着U型铁芯宽度的增加，永磁体厚度将减小，导致永磁磁动势减小。因此当U型铁芯的宽度增加到一定宽度时，电磁推力将减小。电磁推力与U型铁芯的宽度关系如图8所示，图8表明当U型铁芯的宽度增加量到一定值时，电磁推力将达到最大值。即电磁推力随着动子块的U型铁芯的宽度的增加而增加，且在U型铁芯增加一定值后，电机推力随着U型铁芯的宽度的增加而减小。
而对于齿槽力，齿槽力是引起平面磁通切换型永磁电机的推力脉动的主要原因，通过减小永磁体长度可减小齿槽力，如图9中所示。图9所示为不同永磁体长度的平面磁通切换永磁电机齿槽力波形，随着永磁体长度减小，齿槽力将减小。即电机齿槽力与永磁铁的长度成正比。不同永磁体长度的平面磁通切换永磁电机的电磁推力波形如图10所示，随着永磁体长度减小，力脉动将减小，且随着永磁体长度减小，平面磁通切换型永磁电机的电磁推力会同时减小，即所述永磁电机的电磁推力与永磁铁的长度成正比。当永磁体长度小于一定值时，电磁推力会显著减小。综上分析，在确保平面磁通切换型永磁电机的电磁推力满足要求的情况下，选用适当的永磁体长度可使电机获得较好的推力性能。
综上所述，本发明提供了一种平面磁通切换型永磁电机，所述永磁电机包括：基座，安装在所述基座上的定子阵列，安装在所述基座上且沿着坐标轴Y方向设置的第一直线导轨，设置在所述第一直线导轨上的第二直线导轨，所述第二直线导轨沿着坐标轴X方向设置，所述第二直线导轨上设置有运动平台；所述运动平台包括：分别沿坐标轴X方向与坐标轴Y方向设置的两个运动平台，且每个运动平台包括多个动子块；每一个动子块由两个U型铁芯、永磁体以及线圈组成。本发明的永磁电机具有结构简单、成本低、行程大、精度高，效率高、力脉动小等优点。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种平面磁通切换型永磁电机，其特征在于，所述永磁电机包括：基座，安装在所述基座上的定子阵列，安装在所述基座上且沿着坐标轴Y方向设置的第一直线导轨，设置在所述第一直线导轨上的第二直线导轨，所述第二直线导轨沿着坐标轴X方向设置，所述第二直线导轨上设置有运动平台；
所述运动平台包括：分别沿坐标轴X方向与坐标轴Y方向设置的两个运动平台，且每个运动平台包括多个动子块；每一个动子块均由两个U型铁芯、永磁体以及线圈组成。
2.根据权利要求1所述的平面磁通切换型永磁电机，其特征在于，所述两个U型铁芯并排设置，且永磁体设置在U型铁芯的中间，所述线圈放置在两个U型铁芯的U型槽中，U型铁芯、永磁铁与线圈构成一个动子块的整体。
3.根据权利要求1所述的平面磁通切换型永磁电机，其特征在于，所述动子块包括：3个负责X方向运动的第一动子块以及3个负责Y方向运动的第二动子块；所述第一动子块与所述第二动子块相互垂直放置。
4.根据权利要求3所述的平面磁通切换型永磁电机，其特征在于，定子阵列由多个定子块拼接而成。
5.根据权利要求4所述的平面磁通切换型永磁电机，其特征在于，所述定子块由硅钢片堆叠而成。
6.根据权利要求4所述的平面磁通切换型永磁电机，其特征在于，所述定子块设置成凸字形结构。
7.根据权利要求4所述的平面磁通切换型永磁电机，其特征在于，所述定子块上设置有用于与其他定子块拼接成一体的连接部，以及用于使其他定子块与自身连接成一体的安装部。
8.根据权利要求2所述的平面磁通切换型永磁电机，其特征在于，所述永磁电机的电磁推力随着动子块的U型铁芯的宽度的增加而增加，且在U型铁芯增加一定值后，电磁推力随着U型铁芯的宽度的增加而减小。
9.根据权利要求2所述的平面磁通切换型永磁电机，其特征在于，所述永磁电机的电磁推力与永磁铁的长度成正比；电机齿槽力也与永磁铁的长度成正比。
10.根据权利要求7所述的平面磁通切换型永磁电机，其特征在于，永磁电机满足几何关系：τu＝1.5τs＝0.5τm、以及wm＝kτs，其中，τu为动子块的齿距，τm为动子块的极距，τs为定子块的极距，λ为相邻动子块间的距离，n为大于1的正整数，wm为动子块厚度，k为正整数。
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