CN109861494A - 一种组合式低齿槽力永磁直线电机及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种组合式低齿槽力永磁直线电机及其实现方法，所述直线电机包括初级和次级，所述初级由初级铁心和电枢绕组组成，电枢绕组绕在初级铁心齿上，所述次级由至少一组主、副次级模块紧密拼装组成，单个次级模块由永磁体和次级轭板组成，单个次级模块内永磁极的个数相同，各次级模块内永磁极宽度不同。所述主次级模块的齿槽力在前半周期为正值，后半周期为负值，副次级模块的齿槽力在前半周期为负值，后半周期为正值，主次级模块产生的齿槽力与副次级模块的产生的齿槽力波形高度互补，主次级模块及与其匹配的副次级模块沿次级运动方向积木式组合。本发明的有益效果是能够显著地减少组合式电机总的齿槽力，且不降低磁体的利用率。
Description
技术领域
本发明属于直线电机领域，更具体地，涉及一种组合式低齿槽力永磁直线电机及其实现方法。
背景技术
永磁直线电机具有推力密度大、响应速度快、定位精度高等优点，在垂直提升系统、交通运输、精密加工等直线运动场合具有广阔的应用前景。当直线电机被应用在要求大推力的场合时，一般采用多台单元直线电机沿运动方向组合安装，按布置方式可分为单边与双边结构，各单元电机之间积木式拼装组合以形成连续铁心，可认为这种应用场合下电机总的输出推力为各单元电机的输出推力之和。单元直线电机模块化组合后，虽然各单元电机的推力叠加满足了推力需求，但各单元电机的齿槽力也相应叠加，齿槽力的增大会导致推力波动，降低永磁直线电机的控制特性、运行可靠性、控制与定位精度，并引起震动噪声等问题。
为了降低齿槽力与推力波动，现有技术提出了多种方法，如斜极法、采用相同材料不等厚度的永磁磁极、磁极削极、磁极轴向分段等。斜极法因简单有效被广泛应用，如图1-3所示，其将直线电机次级上的永磁体在轴向倾斜，从而减小电机的齿槽力，虽然斜极法可以有效抑制齿槽力，但它会造成推力下降，导致永磁体利用率低；采用相同材料不等厚度的永磁磁极也可以抑制齿槽力，但这种方法会降低永磁体利用率，同时加工难度和安装难度都较大；磁极削极法包括极弧偏心、正弦削极、反余弦削极、谐波削极等，这种方法通过优化永磁体极弧，从而达到减小气隙磁密含量，抑制推力波动，但削极参数的敏感性高，加工难度大；磁极轴向分段法通过把转子轴向合理分段以削弱齿槽转矩，但轴向分段转子间不可避免会存在漏磁，造成电机局部饱和。
总体而言，现有的齿槽力抑制方法均是对单个单元电机内的磁极进行优化，没有考虑到多台单元电机组合使用的应用场景，且不可避免的具有推力下降、永磁体利用率低、加工难度大等问题。
发明内容
针对多台单元直线电机模块组合的大推力应用场合，本发明提出了一种组合式低齿槽力永磁直线电机。其目的在于解决现有永磁直线电机在组合使用时齿槽力成倍叠加，齿槽力大的技术问题，且不受槽极配合的限制，能显著地减小永磁直线电机的齿槽力，同时不降低永磁材料的利用率。
作为本发明的一方面，本发明提供一种组合式低齿槽力永磁直线电机，由多个单元电机模块拼装组合而成，每个电机单元包括组合式初级和组合式次级，组合式初级由结构相同的初极模块组成并形成连续初级，所述初级模块由初级铁心和电枢绕组组成，电枢绕组绕在初级铁心齿上，组合式次级由具有不同极弧系数的次级模块组成，单个次级模块由永磁体和次级轭板组成，不同次级模块的永磁体宽度不同，厚度相等，通过把具有特定极弧系数的次级模块组合起来形成主次级模块和副次级模块，主次级模块的齿槽力在前半周期为正值，后半周期为负值，副次级模块的齿槽力在前半周期为负值，后半周期为正值，主副次级模块的齿槽力波形高度互补，主次级模块及与其匹配的副次级模块沿次级运动方向积木式组合，组合式次级模块合成后实现总的低齿槽力。
优选的，所述直线电机的拓扑结构采用单边结构，设有单边初级，其次级由至少一组主、副次级模块沿电机运动依次紧密排列构成，与初级形成面对面结构，单个次级模块由次级轭板和永磁体组成，所述各主副次级模块中包含相同个数的永磁体，单个次级模块内的永磁体的极弧系数相同，不同的次级模块具有不同的极弧系数。
优选的，所述直线电机的拓扑结构采用双边结构，其初级由两个面对面设置的单边初级构成，双边初级与设置在双边初级之间的双边次级模块配合构成双边直线电机，双边直线电机的次级由至少一组主、副次级模块组成，次级模块次级轭板呈背靠背式紧密拼装，双边永磁体呈现背离状态。
优选的，一组主、副次级模块中，主、副次级模块个数相等或不相等。
优选的，所述永磁直线电机的磁极采用隐极结构、交替极结构、halbach结构或halbach交替极结构。
作为本发明的另一方面，本发明提供一种低齿槽力模块组合式永磁直线电机的实现方法，所述永磁直线电机的齿槽力随动子位置周期性变化，且其初始相位会随着极弧系数逐渐变大而反转，设定总的次级模块数量为M，主次级模块数量为A，副次级模块数量B，M＝A+B,通过有限元求解的方法，以△t(△t的值越小，齿槽力抑制效果越好，但计算量会相应增加)为增量求解出次级模块的极弧系数在0～1内变化时的齿槽力与推力波形，各次级模块采用不等极弧系数，共实现种组合，其中N等于1/△t，在得出不同极弧系数下磁极的齿槽力、推力波形后，通过计算机的排列组合运算，计算各组合齿槽力与推力情况，按齿槽力最优构成待选序列，以总的齿槽力波动最小为目标函数，以主、副次级模块的个数及其各自对应的极弧系数为优化参数，选出在推力满足设计要求的条件下最合适的正次级模块数量A，副次级模块数量B及各自对应的极弧系数。
本发明的工作原理是，主、副次级模块产生的齿槽力高度互补，通过把主次级模块及与其匹配的副次级模块沿次级运动方向积木式组合，使电机总的齿槽力大大降低。当电枢绕组通电，次级运动并输出推力时，总的齿槽力低，对电机输出推力影响小，使电机的运行更加平滑稳定，并且有利于提高电机的控制精度，减少震动和噪声，并实现减少总的齿槽力的效果。
本发明还包括能够使低齿槽力模块组合式永磁直线电机正常使用的其它组件，均为本领域的常规技术手段。另外，本发明中未加限定的装置或组件均采用本领域中的常规技术手段。
本发明的有益效果如下:能够显著地减少总的齿槽力，不降低磁体的利用率，且发明的有效性不受限于电机的槽极配合，任一槽极配合下的电机都可通过本发明的不等极弧系数的组合次级方法实现低齿槽力的效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是传统斜级永磁直线电机的斜级结构的立体示意图。
图2是传统斜级永磁直线电机的斜级结构的俯视示意图。
图3是传统斜级永磁直线电机的斜级结构的主视示意图。
图4是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的拓扑结构采用双边结构时的整体结构示意图。
图5是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的次级模块采用单边或双边结构在不同极弧系数下的的齿槽力波形图。
图6是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的次级模块采用单边或双边结构时最优主、副次级模块的极弧系数及其对应的齿槽力波形图。
图7是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的拓扑结构采用单边结构时的次级模块示意图。
图8是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的拓扑结构采用双边结构时的次级模块示意图。
图9是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的的次级模块采用单边或多边机构时与传统斜级结构的电机推力对比图。
图10是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的拓扑结构采用单边结构时，次级模块的磁极采用交替极结构示意图。
图11是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的拓扑结构采用双边结构时，次级模块的磁极采用交替极结构的示意图一。
图12是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的拓扑结构采用双边结构时，次级模块的磁极采用交替极结构的示意图二。
图13是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的拓扑结构采用单边结构时，次级模块采用Halbach结构的示意图。
图14是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的拓扑结构采用双边结构时，次级模块采用Halbach结构的示意图。
图15是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的拓扑结构采用单边结构时，次级模块采用Halbach交替极结构的示意图。
图16是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的拓扑结构采用双边结构时，次级模块采用Halbach交替极结构的示意图一。
图17是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的拓扑结构采用双边结构时，次级模块采用Halbach交替极结构的示意图二。
图18是本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的实现方法选取最优主副次级模块极弧系数方法的流程图。
图5中：横坐标表示动子位置(电角度)，纵坐标表示齿槽力(N)，a.极弧系数为0.6时对应的波形，b.极弧系数为0.65时对应的波形，c.极弧系数为0.7时对应的波形，d.极弧系数为0.75时对应的波形，e.极弧系数为0.8时对应的波形，f.极弧系数为0.85时对应的波形，g.极弧系数为0.9时对应的波形。
图6中：横坐标表示动子位置(电角度)，纵坐标表示齿槽力(N)，l.极弧系数为0.66时对应的波形，m.极弧系数为0.72时对应的波形，n.极弧系数为0.78时对应的波形，o.极弧系数为0.86时对应的波形，p.合成波形。
图9中：横坐标表示动子位置(电角度)，纵坐标表示推力(N)，H.本发明的次级模块采用单边或双边结构产生的推力，G，传统斜级结构产生的推力。
图1-18中：1.永磁体，2.次级轭板，3.初级铁心，4.电枢绕组，5.铁极，6.第二永磁体。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图以及具体实施例对本发明进行清楚地描述，在此处的描述仅仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例
如图1-18所示，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，以3槽4极直线电机为例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-3所示，所述永磁直线电机的次级采用斜极结构，以减少永磁直线电机的齿槽力，该结构应用于4极3槽的隐极式单边永磁同步直线电机，次级由永磁体1与次级轭板2构成，各永磁体1宽度相同并沿轴向倾斜并安装在次级轭板2上，通常情况下，永磁体1沿轴向倾斜一个齿距安装以削弱齿槽力。
如图4所示，本发明提供的一种拓扑结构采用双边结构的组合式低齿槽力永磁直线电机的结构图，其由多个单元电机模块拼装组合而成，每个电机单元为3槽4极，每个电机单元包括组合式双边初级(定子)和组合式双边次级(动子)，组合式双边初级由两个面对面设置的组合式单边初级构成，组合式单边初级由3个结构相同的初极模块组成并形成连续初级，所述初级模块由初级铁心3和电枢绕组4组成，电枢绕组4绕在初级铁心3的齿上，所述组合式双边次级由两个不同极弧系数的次级模块组合拼装成，单个次级模块由永磁体1和次级轭板2组成，每个次级模块包括1个主次级模块和1个副次级模块，主、副次级模块中包含相同个数的永磁体1，单个次级模块内的永磁体1的极弧系数相同，不同的次级模块具有不同的极弧系数(不同次级模块的永磁体1的宽度w不同，厚度相等)，主次级模块的齿槽力在前半周期为正值，后半周期为负值，副次级模块的齿槽力在前半周期为负值，后半周期为正值，主副次级模块的齿槽力波形高度互补，主次级模块及与其匹配的副次级模块沿次级运动方向积木式组合，主、副次级模块的次级轭板2呈背靠背式紧密拼装，双边的永磁体1呈现背离状态，组合式次级模块合成后实现总的低齿槽力，组合式双边初级与设置在组合式双边初级之间的双边次级模块配合构成双边直线电机。
如图5、图18所示，本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的次级模块采用单边或双边结构在不同极弧系数下的的齿槽力波形，求解出以0.01为增量(此时△t取值为0.01)，在相同初级结构下，次级模块的极弧系数在0～1内变化时电机的齿槽力波形，因为图中空间有限，图5仅列出了极弧系数为0.6，0.65，0.7，0.75，0.8，0.85，0.9时的齿槽力波形。由图中数据可知，随着极弧系数的变化，齿槽力波形的初始相位会反转，因此把具有不同极弧系数次级模块分为主次级模块与副次级模块。主次级模块的永磁体的极弧系数为0.6,0.65,0.7时，产生的齿槽力在前半周期为正值，后半周期为负值；副次级模块中的永磁体1的极弧系数为0.75,0.8,0.85,0.9时，产生的齿槽力在前半周期为负值，后半周期为正值。在已知次级在不同极弧系数下的齿槽力、推力波形和总的次级模块数量后，以总的齿槽力波动最小为目标函数，各次级模块的极弧系数为优化参数，通过计算机的排列组合运算，选取出最优主副次级模块的极弧系数。经计算，主次级模块的极弧系数为0.66，副次级模块的极弧系数为0.78时，为最优值。图5用于解释说明存在齿槽力波形会随极弧系数的变化而反转这一现象。
如图6所示，本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的次级模块采用单边或双边结构时，经计算机排列组合运算后选取最优的两个主次级模块和两个副次级模块的齿槽力波形及总的合成齿槽力波形。
如图7所示，本发明提供了一种拓扑结构采用单边结构的组合式低齿槽力永磁直线电机的次级结构，其次级由1个主次级模块和1个副次级模块拼装而成，各次级模块具有相等的极距τ，主副次级模块内有相同个数的永磁体1，所述永磁体1的厚度相同，主副次级模块内永磁体1的宽度不同，即具有不同的极弧系数，主次级模块的极弧系数为0.66，副次级模块的极弧系数为0.78，结合图6数据可知，主副次级模块产生的齿槽力相位相反，有高度互补性，叠加后实现减少总的直线电机齿槽力效果。
如图8所示，本发明提供了一种拓扑结构采用双边结构的低齿槽力永磁直线电机的次级结构，其次级由两个主次级模块和两个副次级模块组合拼装而成，其中,主次级模块的极弧系数分别为0.66，0.72,副次级模块的极弧系数分别为0.78，0.86。结合图6数据可知，主副次级模块产生的齿槽力相位相反，有高度互补性，合成后齿槽力极低。
图9显示了采用有限元法求解得到的，本发明组合式低齿槽力永磁直线电机的与采用传统斜级方法抑制齿槽力对比，在磁钢用量相同的情况下，本发明中的模块化低齿槽力永磁直线电机产生的平均推力比传统斜级结构的推力更大。
由图1至图9可知，当选取合适的具有不等极弧系数次级模块组合，本发明提出的组合式低齿槽力永磁直线电机不仅能显著地削弱齿槽力，同时与传统斜级方法相比不影响永磁体1的利用率，在相同的磁钢用量下具有更高的推力输出。
本发明的有效性不受磁钢结构的限制，除以上列举的隐极结构外，当磁极为交替极结构，Halbach结构，Halbach交替极结构时,齿槽力波形同样会随极弧系数的变化而反转，本发明提供的各次级模块不等极弧系数抑制齿槽力的方法仍然有效。
如图10所示，本发明提供了一种组合式低齿槽力永磁直线电机，其拓扑结构采用单边结构，次级模块的磁极采用交替极结构，其各次级模块内的磁极由宽、高相同的永磁极1和铁极5交替排列构成。
如图11所示，本发明提供了一种组合式低齿槽力永磁直线电机，其拓扑结构采用双边结构，次级模块的磁极采用交替极结构。
如图12所示，本发明提供了本发明提供了一种组合式低齿槽力永磁直线电机，其采用双边结构，次级模块的磁极采用交替极结构并作为图11的进一步改进结构，双边磁极错开一个极距以优化电机推力特性。
如图13所示，本发明提供了一种组合式低齿槽力永磁直线电机，其拓扑结构采用单边结构，次级模块采用Halbach结构。其磁极由永磁体1(径向充磁，垂直于电机运动方向)、第二永磁体6(切向充磁，平行于电机运动方向)按照图中顺序紧密排列构成，所有永磁体1和第二永磁体6高度相等，极弧系数定义为永磁体1的宽度除以极距。
如图14所示，本发明提供了一种组合式低齿槽力永磁直线电机，其拓扑结构采用双边结构，次级模块采用Halbach结构。
如图15所示，本发明提供了一种组合式低齿槽力永磁直线电机，其拓扑结构采用单边结构，次级模块采用Halbach交替极结构。其磁极由永磁体1(径向充磁，垂直于电机运动方向)、第二永磁体6(切向充磁，平行于电机运动方向)和铁极5按照图中顺序紧密排列构成，所有永磁体1和第二永磁体6高度相等，极弧系数定义为永磁体1的宽度除以极距。
如图16所示，本发明提供了一种组合式低齿槽力永磁直线电机，其拓扑结构采用双边结构，次级模块采用Halbach交替极结构。
如图17所示，本发明提供了一种组合式低齿槽力永磁直线电机，其拓扑结构采用双边结构时，次级模块采用Halbach交替极结构并作为图16的进一步改进结构，双边磁极错开一个极距以优化电机推力特性。
上述实施例中，x1、x2、x3、x4、x5、x6表示不同次级模块中永磁体1的宽度，永磁体1宽度与极距τ的比值为极弧系数。
本发明的工作原理是，主、副次级模块产生的齿槽力高度互补，通过把主次级模块及与其匹配的副次级模块沿次级运动方向积木式组合，使电机总的齿槽力大大降低。当电枢绕组4通电，次级运动并输出推力时，总的齿槽力低，对电机输出推力影响小，使电机的运行更加平滑稳定，并且有利于提高电机的控制精度，减少震动和噪声。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。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 (6)
1.一种组合式低齿槽力永磁直线电机，其特征在于：所述组合式永磁直线电机由多个单元电机模块拼装组合而成，每个电机单元包括组合式初级和组合式次级，组合式初级由结构相同的初极模块组成并形成连续初级，所述初级模块由初级铁心和电枢绕组组成，电枢绕组绕在初级铁心齿上，组合式次级由具有不同极弧系数的次级模块组成，单个次级模块由永磁体和次级轭板组成，不同次级模块的永磁体宽度不同，厚度相等，通过把具有特定极弧系数的次级模块组合起来形成主次级模块和副次级模块，主次级模块的齿槽力在前半周期为正值，后半周期为负值，副次级模块的齿槽力在前半周期为负值，后半周期为正值，主副次级模块的齿槽力波形高度互补，主次级模块及与其匹配的副次级模块沿次级运动方向积木式组合。
2.根据权利要求1所述的组合式低齿槽力永磁直线电机，其特征在于：所述直线电机的拓扑结构采用单边结构，设有单边初级，其次级由至少一组主、副次级模块沿电机运动依次紧密排列构成，与初级形成面对面结构，单个次级模块由次级轭板和永磁体组成，所述各主副次级模块中包含相同个数的永磁体，单个次级模块内的永磁体的极弧系数相同，不同的次级模块具有不同的极弧系数。
3.根据权利要求1所述的组合式低齿槽力永磁直线电机，其特征在于：所述直线电机的拓扑结构采用双边结构，其初级由两个面对面设置的单边初级构成，双边初级与设置在双边初级之间的双边次级模块配合构成双边直线电机，双边直线电机的次级由至少一组主、副次级模块组成，次级模块次级轭板呈背靠背式紧密拼装，双边永磁体呈现背离状态。
4.根据权利要求2或3所述的组合式低齿槽力永磁直线电机，其特征在于：一组主、副次级模块中，主、副次级模块个数相等或不相等。
5.根据权利要求1所述的组合式低齿槽力永磁直线电机，其特征在于：所述永磁直线电机的磁极采用隐极结构、交替极结构、halbach结构或halbach交替极结构。
6.权利要求1-6任意一项所述的组合式低齿槽力永磁直线电机的实现方法，其特征在于：所述永磁直线电机的齿槽力随动子位置周期性变化，且其初始相位会随着极弧系数逐渐变大而反转，设定总的次级模块数量为M，主次级模块数量为A，副次级模块数量B，M＝A+B,通过有限元求解的方法，以△t为增量求解出次级模块的极弧系数在0～1内变化时的齿槽力与推力波形，各次级模块采用不等极弧系数，共实现种组合，其中N等于1/△t，在得出不同极弧系数下磁极的齿槽力、推力波形后，通过计算机的排列组合运算，计算各组合齿槽力与推力情况，按齿槽力最优构成待选序列，以总的齿槽力波动最小为目标函数，以主、副次级模块的个数及其各自对应的极弧系数为优化参数，选出在推力满足设计要求的条件下最合适的正次级模块数量A，副次级模块数量B及各自对应的极弧系数。
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