CN109889013A - 一种非均匀齿无磁轨直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非均匀齿无磁轨直线电机，它涉及永磁直线电机技术领域。它包括动子和定子两个部件，所述的动子包括有动子轭、动子齿、动子齿端部、绕组和永磁体，定子包括有定子轭和定子齿，与动子轭连接的动子齿在空间上非均匀排列，永磁体放置在动子齿端部，绕组放置在由动子齿形成的槽内，定子齿连接在定子轭上。本发明无需在定子上放置永磁体，成本低廉，安装运输简单，电机寿命长，电磁干扰小，安全隐患小，应用前景广阔。

Description

一种非均匀齿无磁轨直线电机

技术领域

本发明涉及的是永磁直线电机技术领域，具体涉及一种非均匀齿无磁轨直线电机。

背景技术

近些年来，随着高端机床、半导体、光伏、激光切割、液晶面板、锂电行业的快速发展，对直线运动系统的高速度、高精度、长行程和高寿命提出了迫切需求，传统的滑动推进系统，由于其自身固有的缺点，已经无法满足市场需求。直线电机因其直接用动定子产生的电磁力作为推进力，有效地解决了滑动推进系统的四大缺点，适合长行程，高精度，高动态响应，高寿命等工况，近年来越发受到市场的青睐。

目前，市场上的直线电机均在动子上放置电枢绕组，定子上依次间隔安装永磁体。当通入三相交流电后，动子上的线圈产生电枢磁场，该磁场与定子上永磁体产生的磁场相互作用，产生推力。目前所有厂商生产的直线电机(按安装形态分为平板型、U型、圆筒型，按有铁芯特征分为有铁芯型和无铁芯型)，均需要在定子上铺上由交替的永磁体做成的磁轨。该特征导致以下五个缺陷：

(1)价格极其昂贵：因为永磁体的主要成分稀土是稀缺不可再生资源，所以在定子上铺满永磁体，行程较长(2米以上)的应用工况下，价格及其昂贵。

(2)安装运输附加成本高：永磁体会在周围产生强大的磁场，在定子的制作过程中需要做特殊工装护具，在运输过程中需要做隔磁防护罩，导致电机附加成本高。

(3)电机寿命短：定子上的强磁场在电机运行时，会吸引铁屑，灰尘进电机，影响电机寿命。虽然一些厂家会在防尘上采用手段，如采用屏蔽罩、风琴罩等防尘措施，但此举无疑会增加电机成本。

(4)产生电磁干扰：定子上的永磁体会在周围产生强力磁场，会干扰周围电子元器件的正常运行，导致在3C行业的精密检测领域应用受限。

(5)安全隐患大：强力永磁体在电机的搬运，安装和使用过程中，若操作不当，会导致工人受伤。

为了解决上述常规直线电机的五大缺陷，设计一种新型的定子上不需要永磁体的无磁轨直线电机尤为必要。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种非均匀齿无磁轨直线电机，结构设计合理，该电机无需在定子上放置永磁体，成本低廉，安装运输简单，电机寿命长，电磁干扰小，安全隐患小，易于推广使用。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种非均匀齿无磁轨直线电机，包括动子和定子两个部件，所述的动子包括有动子轭、动子齿、动子齿端部、绕组和永磁体，定子包括有定子轭和定子齿，与动子轭连接的动子齿在空间上非均匀排列，永磁体放置在动子齿端部，绕组放置在由动子齿形成的槽内，定子齿连接在定子轭上。

作为优选，所述的动子齿呈非均匀排列，相邻齿间的距离分别为交替的d1和d2，且d1不等于d2；所述的动子齿的数量N_S为6的倍数。

作为优选，所述的动子齿端部和磁铁的接触面为平面或者为开槽的凹凸面，磁铁贴在动子齿端部的表面上或者嵌入在动子齿端部的凹槽内；所述的动子齿端部上所开槽的形状包括有矩形、梯形、半圆形和正弦形，开槽从端部的中间位置或从两边位置开始，开槽后形成的小齿数m为大于等于1的整数。

作为优选，所述的动子轭、动子齿、定子轭、定子齿均采用导磁材料制成，导磁材料包括有硅钢片、纯铁、电工钢、坡莫合金。

作为优选，所述的永磁体的永磁体材料包括有钕铁硼、铁氧体、钐钴；所述的永磁体的形状包括有矩形、梯形、半圆形、正弦形和海尔贝克形；所述的永磁体的充磁方向为统一向上、统一向下或者交替向上向下。

本发明的有益效果：(1)采用无磁轨结构，降低了电机的原材料和制作加工成本，同时降低了防护难度，减少了电磁干扰，使得该电机更安全可靠，寿命更长。

(2)采用非均匀齿结构，调制了气隙磁场，抑制了齿槽力，使得输出推力更大，推力波动更小。

(3)通过将无磁轨和非均匀齿特征组合起来，实现了其它电机难以同时具备的低成本、高推力密度、低推力波动三个优点，在直线运动系统中有非常广阔的前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明采用的非均匀齿示意图；

图3为本发明采用的永磁体安装方式示意图；

图4为本发明本发明采用的动子齿端部开槽的形状示意图；

图5为本发明采用的动子齿端部开槽示意图；

图6为本发明采用的矩形、梯形、半圆形、正弦形以及海尔贝克形永磁体结构示意图；

图7为本发明无磁轨直线电机的齿槽力波形图；

图8为本发明无磁轨直线电机的反电势波形图；

图9为本发明无磁轨直线电机的电磁转矩波形图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1-9，本具体实施方式采用以下技术方案：一种非均匀齿无磁轨直线电机，包括动子1和定子2两个部件，所述的动子1包括有动子轭3、动子齿4、动子齿端部5、绕组6和永磁体7，定子2包括有定子轭8和定子齿9，与动子轭3连接的动子齿4在空间上非均匀排列，永磁体7放置在动子齿端部5，绕组6放置在由动子齿4形成的槽内，定子齿9连接在定子轭8上。

值得注意的是，为了提高反电势正弦度，抑制齿槽力，采用非均匀齿(图2)，图中的齿型只是用来说明此电机的非均匀齿特征，并不构成此电机的约束，所述的动子齿4呈非均匀排列，相邻齿间的距离分别为交替的d1和d2，且d1不等于d2；所述的动子齿4的数量N_S为6的倍数。

所述的动子齿端部5和磁铁的接触面为平面或者为开槽的凹凸面，永磁体放置在动子齿端部5，放置方式有标贴式交替充磁，内嵌式向上充磁和内嵌式向下充磁，，动子齿端部的开槽个数和开槽形状，只是用来说明此电机的永磁体安装方式，并不构成此电机的约束；所述的动子齿端部5上所开槽的形状包括有矩形、梯形、半圆形和正弦形(图4)，图中的槽只是用来说明槽的形状，并不限定槽的个数，动子齿端部5的开槽的方式和槽的个数如图5所示，可以从动子齿端部5的中间开始开槽，也可从动子齿端部5的边缘开始开槽，开槽后形成的小齿数m为大于等于1的整数。

所述的动子轭3、动子齿4、定子轭8、定子齿9均采用导磁材料制成，导磁材料包括有硅钢片、纯铁、电工钢、坡莫合金。

此外，所述的永磁体7的永磁体材料包括有钕铁硼、铁氧体、钐钴；所述的永磁体7的形状包括有矩形、梯形、半圆形、正弦形和海尔贝克形(图6)，该图只是用来说明永磁体的形状，并不限定该形状各部分组成线条的尺寸比例；所述的永磁体7的充磁方向为统一向上、统一向下或者交替向上向下。

本具体实施方式以图1所示的电机来说明实施例，其中动子齿数为12，相邻齿之间的距离分别为17.6mm和19.8mm，动子齿端部采用矩形槽。永磁体采用矩形永磁体，导磁材料用DW310硅钢片。两个动子齿之间的距离d1不等于d2。

采用上述实施方式后，获得一种动子总长度240mm，宽度95mm，高度30mm的无磁轨直线电机。该电机的空载反电势如图7所示，可见该电机的三相反电势对称度好且正弦度高；图8给出了该电机的齿槽力，其峰峰值约3N，该电机额定推力为700N，齿槽力波动占额定推力的0.4%。本实施例采用的非均匀齿特征，有效的改善了齿槽力波动。图9给出了该电机的推力波形，其额定推力可达到700N，高于目前大量使用的分数槽集中绕组方案，推力波动约为10N，约占额定推力的1.4%，输出推力非常平稳。

本具体实施方式创造性地用导磁材料来制作定子，不再需要由交替的永磁体构成的价格昂贵的磁轨，该发明提出的电机因其定子上无磁轨、推力密度大、推力波动小的优点，适合在直线运动场合应用，无需在定子上装永磁体，可大大降低直线电机的成本，成本低廉，并且定子上无强磁场，安装运输简单，电机寿命长，电磁干扰小，安全隐患小，更容易防护，更安全，该无磁轨直线电机适用于机床，自动化设备，物流仓储，智能家居等场合，具有广阔的市场应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种非均匀齿无磁轨直线电机，其特征在于，包括动子(1)和定子(2)两个部件，所述的动子(1)包括有动子轭(3)、动子齿(4)、动子齿端部(5)、绕组(6)和永磁体(7)，定子(2)包括有定子轭(8)和定子齿(9)，与动子轭(3)连接的动子齿(4)在空间上非均匀排列，永磁体(7)放置在动子齿端部(5)，绕组(6)放置在由动子齿(4)形成的槽内，定子齿(9)连接在定子轭(8)上。

2.根据权利要求1所述的一种非均匀齿无磁轨直线电机，其特征在于，所述的动子齿(4)呈非均匀排列，相邻齿间的距离分别为交替的d1和d2，且d1不等于d2。

3.根据权利要求1所述的一种非均匀齿无磁轨直线电机，其特征在于，所述的动子齿(4)的数量N_S为6的倍数。

4.根据权利要求1所述的一种非均匀齿无磁轨直线电机，其特征在于，所述的动子齿端部(5)和磁铁的接触面为平面或者为开槽的凹凸面，磁铁贴在动子齿端部(5)的表面上或者嵌入在动子齿端部(5)的凹槽内。

5.根据权利要求4所述的一种非均匀齿无磁轨直线电机，其特征在于，所述的动子齿端部(5)上所开槽的形状包括有矩形、梯形、半圆形和正弦形，开槽从端部的中间位置或从两边位置开始，开槽后形成的小齿数m为大于等于1的整数。

6.根据权利要求1所述的一种非均匀齿无磁轨直线电机，其特征在于，所述的动子轭(3)、动子齿(4)、定子轭(8)、定子齿(9)均采用导磁材料制成，导磁材料包括有硅钢片、纯铁、电工钢、坡莫合金。

7.根据权利要求1所述的一种非均匀齿无磁轨直线电机，其特征在于，所述的永磁体(7)的永磁体材料包括有钕铁硼、铁氧体、钐钴。

8.根据权利要求1所述的一种非均匀齿无磁轨直线电机，其特征在于，所述的永磁体(7)的形状包括有矩形、梯形、半圆形、正弦形和海尔贝克形。

9.根据权利要求1所述的一种非均匀齿无磁轨直线电机，其特征在于，所述的永磁体(7)的充磁方向为统一向上、统一向下或者交替向上向下。