CN110572003A - 一种初级halbach永磁型直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种初级halbach永磁型直线电机，其短初级包括电枢铁芯、电枢绕组和halbach永磁阵列；电枢绕组为集中式开绕组结构，可通入直流偏置型三相正弦电流，halbach永磁阵列由两种充磁方向的永磁体构成，其中一种永磁体的充磁方向垂直于短初级的运动方向且在相邻电枢齿处极性相反，另一种永磁体的充磁方向平行于短初级的运动方向且在相邻电枢槽口处极性相反。本发明电机既能够使磁极与电枢都集中在短初级一侧，不需要采用分立部件结构且永磁体不被线圈包围，大大降低系统成本和永磁体的退磁风险，而且采用halbach永磁阵列结构可以发挥聚磁效应，进一步提高推力密度，此外增加了直流励磁磁场，实现气隙磁场可调。
Description
技术领域
本发明属于直线电机技术领域，具体涉及一种初级halbach永磁型直线电机。
背景技术
永磁直线电机兼具永磁电机和直线电机的优势，能够直接将电能转换成直线运动的机械能而不需要中间连动部分。因此，永磁直线同步电动机具有结构简单、高速度、高精度、高效率和大推力等显著优点，在高速数控机床、半导体加工、垂直升降输送系统、高速物流系统等领域已得到广泛应用。
永磁直线电机的工作原理如下所述：当电枢绕组通入交流电时，会在气隙中产生电枢磁场，同时永磁磁极在气隙中产生励磁磁场，上述电枢磁场与永磁励磁磁场共同构成气隙磁场；起动时拖动磁极或电枢，电枢行波磁场和永磁励磁磁场相对静止，从而电枢绕组中的电流在所述气隙磁场的作用下产生电磁推力；如果电枢固定，则磁极在推力作用下牵入同步做直线运动；反之，则电枢牵入同步做直线运动。
针对高速物流系统领域，由于运动的行程较长(从几米到几十米)，永磁直线电机推广应用的一大制约在于成本，因为不管采用长电枢还是长磁极的结构，整体成本都很高。为了降低成本，现有的办法是将永磁体和电枢均集中在电枢一侧作为短初级，而次级仅由叠片铁芯构成作为长定子，即初级永磁型直线电机。
初级永磁型直线电机主要有以下几种类型：
一：开关磁链永磁直线电机。
该结构把永磁体放置在电枢齿中间位置，其永磁体用量较小，电枢长度较短，在长行程应用场合成本可以大大降低，但也带来新的问题：1.电枢铁芯由多个分立部件构成，加工及安装困难；2.槽面积与永磁体互相制约，推力密度受到了限制；3.永磁体被电枢绕组包围，散热条件太差；4.气隙磁场调节困难，弱磁扩速范围受到了限制。
二：磁通反向型永磁直线电机。
该结构把永磁体放置在电枢铁芯齿面上(靠近气隙)，其永磁体用量较小，电枢长度较短，在长行程应用场合成本大大降低，但也带来新的问题：1.由于磁路串联，电枢磁路需经过永磁体，使得电枢磁路的等效气隙变大，推力密度受到限制；2.电枢磁场需经过永磁体，在电枢电流较大时，永磁体有非常高的退磁风险；3.气隙磁场调节困难，弱磁扩速范围受到了限制。
三：初级轭部永磁型直线电机。
该结构把永磁体放置在电枢铁芯相邻电枢齿之间的轭部，其永磁体用量较小，电枢长度较短，在长行程应用场合成本大大降低，同样也带来新的问题：1.由于磁路串联，电枢磁路需经过永磁体，永磁体有非常高的退磁风险；2.初级铁芯由多个分立部件构成，加工及安装困难；3.电机轭部非常容易饱和，推力密度受到限制；4.气隙磁场调节困难，弱磁扩速范围受到了限制。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种初级halbach永磁型直线电机，该电机既能够使磁极与电枢都集中在短初级一侧，不需要采用分立部件结构且永磁体不被线圈包围，大大降低系统成本和永磁体的退磁风险，而且采用halbach永磁阵列结构可以发挥聚磁效应，进一步提高推力密度，此外增加了直流励磁磁场，实现气隙磁场可调。
一种初级halbach永磁型直线电机，包括短初级和长次级；
所述短初级包括电枢铁芯、电枢绕组和halbach永磁阵列，所述电枢铁芯为整体冲片式齿槽结构，其每个电枢齿上均绕制有所述电枢绕组；
所述halbach永磁阵列由多个永磁单元并排组成，每个永磁单元嵌设于电枢铁芯对应的电枢槽口处，相邻永磁单元通过对应电枢齿上的凸状结构隔离，所述永磁单元从左到右由永磁体A1、永磁体B和永磁体A2并排贴合构成，永磁体B正对电枢槽口且充磁方向平行于短初级的运动方向，相邻两个永磁单元中的永磁体B极性相反；永磁体A1和A2分别设立于电枢槽两侧的电枢齿上且充磁方向垂直于短初级的运动方向，同一永磁单元中的永磁体A1与A2极性相反。
进一步地，所述长次级为整体冲片式齿槽结构的叠片铁芯，其齿槽朝向电枢铁芯的齿槽，且两者之间存有一定气隙。
进一步地，对于任一永磁单元，其永磁体A1与左侧相邻永磁单元的永磁体A2设立于同一电枢齿上且两者极性相同，其永磁体A2与右侧相邻永磁单元的永磁体A1设立于同一电枢齿上且两者极性相同，故相邻电枢齿上的永磁体极性相反。
进一步地，所述电枢绕组采用集中式开绕组结构，工作时通入直流偏置型三相正弦电流，即同时通入直流电和三相正弦交流电。
进一步地，所述电枢绕组中的直流电用于产生直流励磁磁场，当用于增磁时，该直流励磁磁场与永磁单元的磁场方向在短初级中相反，而在长次级中相同；当用于去磁时，该直流励磁磁场与永磁单元的磁场方向在短初级中相同，而在长次级中相反。
进一步地，与短初级相对区域内的长次级齿数比短初级齿数多1～2个。
优选地，所述电枢铁芯两端的电枢齿采用不规则形状，即两端电枢齿的外侧铁芯被削掉一部分，能够减小边端效应，实现削弱边端力的目的。
进一步地，所述电枢铁芯的两端以及背向长次级的底部均开有焊接安装孔，即电枢铁芯采用底部和端部焊接的固定方式。
本发明初级halbach永磁型直线电机的短初级同时包括了电枢和磁极部分，其固定于移动平台上，通过驱动短初级使移动平台在长行程中获得高速直线运动，实现了现有初级励磁型永磁直线电机结构的优点，同时本发明相对现有技术具有以下有益技术效果：
1.本发明把电枢与磁极都集中到短初级上，且电枢绕组中可以输入直流励磁电流，实现了电励磁与永磁体共同励磁的混合励磁结构，不仅大大减小了磁极(电枢)的长度，而且不需要采用分立部件，适用于需要长行程、大推力、高速度、低成本的应用场合，如高速物流系统。
2.本发明的halbach永磁阵列具有聚磁效应，可以进一步提高电机推力密度，同时由于采用并联磁路结构，永磁体退磁风险大大降低。
3.本发明只需要单套电枢绕组，即可同时产生直流励磁磁场和电枢磁场，直流励磁磁场可以对气隙磁场进行动态调节，以适应短时大推力及弱磁扩速等不同工况；电枢绕组与普通永磁直线电机相同，加工方便，成本低。
4.本发明长次级仅为开齿槽的冲片叠压组成，成本低，加工及安装方便，易于实现模块化。
附图说明
图1为本发明直线电机第一种实施结构示意图。
图2为本发明直线电机第一种实施结构的电枢绕组连接示意图。
图3为本发明直线电机第一种实施结构的驱动电路连接示意图。
图4为本发明直线电机的永磁励磁时磁场方向示意图。
图5为本发明直线电机的混合励磁时磁场方向示意图。
图6为本发明直线电机端部电枢齿的结构示意图。
图7为传统采用直流励磁绕组的直线电机结构示意图。
图8为传统采用直流励磁绕组的直线电机与本发明的性能对比示意图。
图9为本发明直线电机第二种实施结构的电枢绕组连接示意图。
图10为本发明直线电机第二种实施结构的驱动电路连接示意图。
图11为本发明直线电机第三种实施结构示意图。
图12为本发明直线电机第四种实施结构示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例一：
如图1所示，本实施例的初级halbach永磁型直线电机，包括长次级1和短初级2，短初级2包括电枢铁芯21、电枢绕组22和halbach永磁阵列23；电枢铁芯21为整体冲片式齿槽结构，每个齿上绕制电枢绕组22；电枢铁芯底部与两侧开有焊接安装孔24，电枢端部齿25采用不规则形状；halbach永磁阵列23插在电枢槽口处，halbach永磁阵列有两种充磁方向的永磁体构成，其中一种永磁体231的充磁方向垂直于短初级的运动方向，并且在相邻电枢齿处极性相反，另一种永磁体232的充磁方向平行于短初级的运动方向，并且在相邻电枢槽口处极性相反，在短初级相对区域内的长次级齿数比短初级齿数多1个。
电枢绕组22在集中式开绕组结构下可通入直流偏置型三相正弦电流，即同时通入直流电和三相正弦交流电，其中直流电用于产生直流励磁磁场，三相正弦交流电用于产生电枢磁场。以A相为例，在电枢绕组中的电流形式如下：
其中：Iac和Idc分别为交流电和直流电的有效值。由于直流励磁磁场的极性在相邻电枢齿上交替变化并与halbach永磁阵列匹配，同时电枢绕组单个电枢齿上的线圈连接方式又由反电势星形图决定，因此在该槽极配合(长次级齿数比短初级多1)下，直流偏置型正弦电流存在上述两种形式，即正的直流电和负的直流电。直流电的正负由正弦电流和直流电在线圈中的流向决定，流向相同则为正，流向相反则为负。以A相为例，短初级2的三相电枢绕组22连接如图2所示。
电枢绕组22可以连接共直流母线的六桥臂逆变器，如图3所示，该结构下存在零序分量通路，利用零序电压分量可以控制三相绕组中的零序电流分量，即直流分量，从而用于产生直流励磁磁场。
本实施例直线电机的工作原理如下：
在没有通入直流励磁电流与电枢电流时，其永磁体的磁链基本只在电枢铁芯或长次级铁芯中闭合，如图4所示，在短初级与长次级相对位置不同时，电枢绕组中交链的磁链会发生变化，在三相电枢绕组中会产生近似正弦的反电动势，因此在电枢绕组中通入三相正弦电压后，就会产生相应的三相正弦电流，从而产生电磁推力，推动短初级实现直线运动。
在通入直流励磁电流时，永磁体的磁链和直流励磁磁链会同时交链电枢铁芯和长次级铁芯，如图5所示，并且随着短初级与长次级的相对位置而变化。当用于增磁时，该直流励磁磁场与永磁体的磁场方向在短初级中相反，而在长次级中相同；当用于去磁时，该直流励磁磁场与永磁体的磁场方向在短初级中相同，而在长次级中相反。
当短初级2中绕制A相绕组的电枢齿与长次级1中的一个齿对齐时，励磁磁链经长次级齿闭合，初次级耦合，A相电枢绕组交链磁链最大；随着短初级的移动，其磁链减小，当短初级移动90/Ns度时，A相电枢绕组交链磁链为零；短初级继续移动，其磁链反向增大，当短初级再移动90/Ns度时，A相电枢绕组交链磁链达到负的最大值；短初级继续移动，磁链正向增大，当短初级再移动90/Ns度时，A相电枢绕组交链磁链为零；显然磁链是正负交变的，基本为正弦型，是双极性磁链。因此，在电枢绕组中同时通入三相正弦电压后，就会产生相应的三相正弦电流，从而产生电磁推力，推动短初级实现直线运动。
当需要弱磁扩速时，可以将直流偏置型三相正弦电流的直流分量反向，减小气隙内的磁场。
电枢铁芯21的端齿采用了不规则形状，把端部齿25的一部分切掉，如图6所示，减小了端部效应，从而削弱了定位力。
传统含直流励磁绕组的直线电机结构如图7所示，其中的直流励磁绕组26单独存在，和电枢绕组22共同占用短初级电枢槽面积；在不需要直流励磁的工况下，直流励磁绕组26不能发挥作用，因此电枢绕组的利用率大大受限。而采用本发明的单绕组结构时，在不需要直流励磁的场合，电枢绕组可以输入纯正弦交流电而不带直流偏置分量，不存在直流绕组部分的损失，绕组利用率大大提高；与此同时，在纯永磁励磁与多励磁工况下可以动态切换。图8即为传统采用直流励磁绕组的电机与本发明集中开绕组电机的性能对比，可以看出，在相同铜耗下，本发明所能输出的平均推力相比传统结构大大提高，这主要是采用集中开绕组结构后，绕组的匝数大大提高，直流分量和正弦交流分量共用一套绕组，磁动势可以大大提高。
实施例二：
在短初级相对区域内的长次级齿数比短初级齿数多2个时，由于直流电和正弦电流在线圈中的流向相同，因此集中开绕组中的电流形式只有一种，即：
此时，电枢绕组的连接形式如图9所示，电枢绕组22仍可以连接上述的共直流母线的六桥臂逆变器，也可以简化为四桥臂的逆变器降低功率器件成本，如图10所示。
实施例三：
在实施例一中，只存在一个短初级，一个长次级和单层气隙，这种结构为单边型结构；而将两个短初级轭部背靠背连接，同时额外增加一个长次级，则可以构成双边型结构，如图11所示。此时，由于合成后的短初级与两个长次级之间存在两个法向力且方向相反，因此合成后的短初级所受的总体法向力相比于实施例一中的单边型结构要小得多，大大降低了短初级固定于移动平台时的安装成本和难度。
实施例四：
将实施例一中的直线电机结构转化为圆周结构，则可以得到定子halbach永磁阵列的旋转电机，如图12所示。该电机结构简单，转矩和功率密度高，气隙磁场可调，弱磁扩速范围大。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种初级halbach永磁型直线电机，包括短初级和长次级；其特征在于：
所述短初级包括电枢铁芯、电枢绕组和halbach永磁阵列，所述电枢铁芯为整体冲片式齿槽结构，其每个电枢齿上均绕制有所述电枢绕组；
所述halbach永磁阵列由多个永磁单元并排组成，每个永磁单元嵌设于电枢铁芯对应的电枢槽口处，相邻永磁单元通过对应电枢齿上的凸状结构隔离，所述永磁单元从左到右由永磁体A1、永磁体B和永磁体A2并排贴合构成，永磁体B正对电枢槽口且充磁方向平行于短初级的运动方向，相邻两个永磁单元中的永磁体B极性相反；永磁体A1和A2分别设立于电枢槽两侧的电枢齿上且充磁方向垂直于短初级的运动方向，同一永磁单元中的永磁体A1与A2极性相反。
2.根据权利要求1所述的初级halbach永磁型直线电机，其特征在于：所述长次级为整体冲片式齿槽结构的叠片铁芯，其齿槽朝向电枢铁芯的齿槽，且两者之间存有一定气隙。
3.根据权利要求1所述的初级halbach永磁型直线电机，其特征在于：对于任一永磁单元，其永磁体A1与左侧相邻永磁单元的永磁体A2设立于同一电枢齿上且两者极性相同，其永磁体A2与右侧相邻永磁单元的永磁体A1设立于同一电枢齿上且两者极性相同，故相邻电枢齿上的永磁体极性相反。
4.根据权利要求1所述的初级halbach永磁型直线电机，其特征在于：所述电枢绕组采用集中式开绕组结构，工作时通入直流偏置型三相正弦电流，即同时通入直流电和三相正弦交流电。
5.根据权利要求4所述的初级halbach永磁型直线电机，其特征在于：所述电枢绕组中的直流电用于产生直流励磁磁场，当用于增磁时，该直流励磁磁场与永磁单元的磁场方向在短初级中相反，而在长次级中相同；当用于去磁时，该直流励磁磁场与永磁单元的磁场方向在短初级中相同，而在长次级中相反。
6.根据权利要求1所述的初级halbach永磁型直线电机，其特征在于：与短初级相对区域内的长次级齿数比短初级齿数多1～2个。
7.根据权利要求1所述的初级halbach永磁型直线电机，其特征在于：所述电枢铁芯两端的电枢齿采用不规则形状，即两端电枢齿的外侧铁芯被削掉一部分。
8.根据权利要求1所述的初级halbach永磁型直线电机，其特征在于：所述电枢铁芯的两端以及背向长次级的底部均开有焊接安装孔，即电枢铁芯采用底部和端部焊接的固定方式。
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