CN112636557A - 提高直线磁场调制电机功率因数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机领域，公开了一种提高直线磁场调制电机功率因数的方法，通过设置Halbach永磁阵列、采用最优的槽极组合、减小绕线槽的开口和调整调磁块的形状等方法减小电机的绕组系数和降低气隙磁密的谐波含量，以减小电机的q轴电感，进而提高电机的功率因素。采用本发明的方法能够以极小的成本优选地提高电机的功率因数。

Description

提高直线磁场调制电机功率因数的方法

技术领域

本发明涉及直线电机，具体地，涉及一种提高直线磁场调制电机功率因数的方法。

背景技术

直线磁场调制电机是一种结合了磁齿轮电机结构原理的直线电机。直线电机由于消除了中间传动而被应用于直线运动中，以提高直线运动系统的效率和可靠性，其具有推力密度大、效率高、结构简单、动态响应快和定位精度高的优点，在机器人、精密机床、直线平台和工厂自动化等领域得到了广泛的应用。

相比于直线磁场调制，传统直线电机相对较低的成本效率是长行程应用的一大障碍，但直线磁场调制电机的功率因数较低，限制了直线磁场调制电机的应用。现有提高直线磁场调制电机功率因数的方法通常采用双侧定转子结构，但该结构不利于长行程应用，并且增加了电机的成本和结构复杂性。

如何有效地提高直线磁场调制电机功率因数成了本领域亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高直线磁场调制电机功率因数的方法，能够以较低的成本提高直线磁场调制电机功率因数。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种提高直线磁场调制电机功率因数的方法，通过减小电机的绕组系数和降低电机气隙磁密的谐波含量来减小电机的q轴电感，进而提高电机的功率因数。

优选地，将电机转子的永磁体设置为Halbach永磁阵列，以使气隙磁密更接近正弦，从而降低所述气隙磁密的谐波含量。通过该优选技术方案，能够有效提高气隙侧的磁场强度，使得相邻永磁体间的充磁方向的跳变更小，降低气隙磁密的谐波含量。

进一步优选地，将所述Halbach永磁阵列的永磁比设置为0.1-0.9。在该优选技术方案中，Halbach永磁阵列的永磁比为法向永磁体长度与永磁体极距的比值。Halbach永磁阵列的永磁比与气隙磁密的谐波含量具有明显的相关性，通过设置合理的永磁比，能够降低气隙磁密的谐波含量，提高直线磁场调制电机功率因数。

优选地，通过将电机绕组的槽数设置为12槽，将电机的等效电枢绕组的极对数设置为1对、2对或者4对来减小所述绕组系数。在该优选技术方案中，电机绕组的槽数、等效电枢绕组的极对数及其配合，均对绕组系数形成影响，通过优化电机绕组的槽极组合来减小电机的绕组系数。

进一步优选地，通过将永磁体极对数设置在14对至17对之间来减小所述绕组系数。在该优选技术方案中，在电机有效长度不变的前提下，永磁体极对数的大小可以改变磁通密度。较小的永磁体极对数，会增加永磁体与调磁块之间的漏磁；较大的永磁体极对数，则会增加永磁体间的漏磁。选择适当的永磁体极对数，有助于减小漏磁，减小气隙磁密谐波含量。

进一步地，将所述等效电枢绕组的极对数设置为2对，所述永磁体极对数设置为17对。通过该优选技术方案，电机永磁体的磁漏更小，电机磁场分布更均匀，能够更好地降低气隙磁密谐波含量。

优选地，通过采用半口槽形式的绕线槽来降低所述气隙磁密的谐波含量。通过该优选技术方案，将直线磁场调制电机的定子槽由传统的开口槽更改为半口槽，槽口减小，磁通可通过的路径面积增加，从而使磁通量增加，提高了气隙的导磁率；气隙磁密分布更均匀，降低了气隙磁密的谐波含量。

进一步优选地，所述半口槽的槽口宽度为槽体宽度的83-93％。在该优选技术方案中，通过设置合理的槽口宽度，使得直线磁场调制电机的功率因数和平均推力均处于较优的状态。

优选地，采用梯形调磁块来降低所述气隙磁密的谐波含量。在该优选技术方案中，梯形调磁块可以使电机获得更大的磁通密度，降低电机的气隙磁密谐波含量，通过改进梯形调磁块上下边的长度可以进一步调整电机气隙磁通密度分布。

优选地，所述梯形调磁块的两侧面为曲面。通过该优选技术方案，两侧面为曲面的调磁性能更好，能够更大限度的降低电机的气隙谐波含量，提高功率因数。

本发明的方法能够在电机有效长度不变的前提下：通过调整永磁体的极对数改变磁通密度，较小的永磁体极对数，会增加永磁体与调磁块之间的漏磁；较大的永磁体极对数，则会增加永磁体间的漏磁，选择适当的永磁体极对数，有助于减小漏磁。通过调整绕组等效极对数可以直接改变绕组系数，从而影响电机磁路以及q轴电感值。将电机定子的绕线槽设置为半口槽，相较于传统的开口槽，减小了槽口宽度，增加了磁通的可通过路径面积，从而使磁通量增加，气隙磁密分布均匀，降低了气隙磁密谐波含量。梯形调磁块的使用能够使电机获得更大的磁通密度，通过调整上下边的长度可以改变电机气隙磁通密度分布。通过上述措施，能够有效减小电机的绕组系数和降低气隙磁密的谐波含量，减小电机的q轴电感，从而有效提高电机的功率因数。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明的方法中各因素对功率因数的影响示意图；

图2是一种使用本发明的方法调整的直线磁场调制电机拓扑结构图；

图3是图2的局部结构示意图；

图4是Halbach永磁阵列电机中采用不同永磁比的磁力线分布示意图；

图5是采用不同永磁比的Halbach永磁阵列电机功率因数特征曲线图；

图6是采用不同永磁体对极数的直线磁场调制电机磁力线分布图；

图7是不同永磁体极对数对电机的功率因数影响示意图；

图8是采用不同的等效绕组极对数的电机磁力线分布示意图；

图9是不同磁极组合的电机功率因数特征曲线图；

图10是不同绕线槽槽口宽度的磁力线分布示意图；

图11是具有不同绕线槽槽口宽度的电机功率因数特征曲线图；

图12是梯形调磁块上边长对电机的功率因数影响示意图；

图13是梯形调磁块下边长对电机的功率因数影响示意图；

图14是调磁块的径向截面外形示意图；

图15是调磁块的腰部形状对电机的功率因数影响示意图；

图16是不同形状调磁块的磁力线分布示意图。

附图标记说明

1 电枢定子 11 绕线槽

2 电枢绕组 3 调磁块

4 永磁体 5 永磁定子

6 非调磁块

具体实施方式

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词“上、下”所指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提高直线磁场调制电机功率因数的方法的一个实施例，通过减小电机的绕组系数和降低气隙磁密的谐波含量来减小电机的q轴电感，使得电机的功率因数因q轴电感的减小而得到提高。

电机的功率因数可以通过式(1)来计算：

式中，

为功率因数角；ω_s为转子的角速度，在直线电机中为定值；L_q为q轴电感；I为输入电流；R₁为定子电阻。

而其中的L_q可以通过式(2)来计算：

其中，μ₀为真空磁导率，r_g为气隙半径，L_ef为电机有效长度，g为有效气隙长度，f(θ)为电机三相电枢反应磁动势，N_a(θ)为绕组系数，i为谐波次数，B_r为永磁体剩磁，H_pm为永磁体高度，μ_r为永磁体相对磁导率，α为极弧系数，P_M为永磁体极对数。

由式(1)可知，减小q轴电感可以增大功率因数，而由式(2)可以看出，气隙磁密谐波含量和电机绕组参数均能够对q轴电感值产生影响。式(1)和式(2)也是本发明的方法的理论基础。

一种使用本发明方法调整的直线磁场调制电机拓扑结构如图2所示，其结构包括电枢定子1、三相电枢绕组2、调磁块3、永磁体4和永磁定子5，电枢定子1上有绕线槽11，三相电枢绕组2嵌绕在绕线槽11中；调磁块3与非调磁块依次排开形成磁动子，永磁体4铺设在永磁定子5上，在电枢定子1与磁动子之间存在上气隙，在永磁体4与磁动子之间存在下气隙。

通过调整电机等效绕组的极对数等方法，能够减小电机的绕组系数。而通过调整电机调磁块3的形状和排布等方法，能够降低气隙磁密的谐波含量。相比现有的提高直线磁场调制电机功率因数的方法，减小电机的q轴电感和降低气隙磁密的谐波含量实现较为方便，对电机成本的影响很小，提高直线磁场调制电机的功率因数的效果明显。

在本发明的方法的一些实施例中，如图1所示，将电机绕组绕线槽11的槽数设置为12槽，将电机的等效电枢绕组的极对数设置为1对、2对或者4对，通过绕线槽的槽数和等效电枢绕组的极对数的合理配置来减小电机的绕组系数。

对称三相绕组的槽数为3的倍数，因此，绕线槽11的槽数可以设置为3、9、12、15、18等。采用不同槽数的直线磁场调制电机通过ansys进行有限元仿真实验，仿真结果见表1。有表1可以看出，绕线槽11的槽数Z设置为12槽时，电机的功率因数和平均推力均处于较优状态。

表1不同槽数时平均推力与功率因数

在本发明的方法的一些实施例中，如图1所示，将电机转子的永磁体设置为Halbach永磁阵列。具体地，本发明使用由4种不同充磁方向的永磁体交替排列形成的Halbach永磁阵列，采用这种结构的直线磁场调制电机的拓扑结构如图2和图3所示。Halbach永磁阵列中永磁体不同的充磁方向使得电机的气隙磁密更接近正弦。

在本发明的方法的一些实施例中，将Halbach永磁阵列的永磁比设置为0.5-0.6。永磁比r_pm等于一个法向永磁体长度与永磁体极距的比值，永磁比为1时，永磁体的排布结构即为传统法向充磁。通过对不同永磁比的Halbach永磁阵列进行仿真，不同的永磁比值感应出不同的磁力线分布如图4所示。不同的永磁比对电机功率因数和平均推力的影响如图5所示，由图5可以看出，永磁比为0.6时，功率因数为0.727，相较于传统的使用法向充磁永磁体的直线磁场调制电机0.545的功率因数，功率因数提高了33.4％。

在本发明的方法的一些实施例中，如图1所示，通过将永磁体极对数设置在14对至17对之间来减小所述绕组系数。如图6所示，不同极对数的永磁体在线圈绕组间所形成的磁场分布不同，影响了电机的气隙磁密谐波含量，进而影响电机的功率因数和平均推力。经过有限元仿真，不同永磁体极对数对功率因数和平均推力的影响如图7所示。

作为本发明方法的一种具体实施方式，将等效电枢绕组的极对数设置为2，将所述永磁体极对数设置为17。等效绕组极对数对磁场分布的影响如图8所示。考虑到电枢绕组的三相对称性，槽数Z和等效电枢绕组极对数P_a的必须满足以下关系：

式(3)中，GCD为最大公约数的缩写，LCM为最小公倍数的缩写。通过上式计算可知，当槽数Z＝12时，可行的P_a有1、2、4、5、7、10。

在选择最优磁极组合时，为了保证电机的实际工作效果，建立了磁极组合的预期目标函数和约束条件如下：

式(4)中，

为功率因数，F_avg为平均推力，F₀为法向充磁直线磁场调制电机的平均推力，P_m为永磁体极对数。在该约束条件下，在使用永磁比为0.6的Halbach永磁阵列的基础上进行仿真实验，不同磁极组合对电机功率因数和平均推力的影响如图9所示。由图9可以看出，永磁体极对数17，等效绕组极对数2时功率因数0.797，相较于传统的使用法向充磁永磁体的直线磁场调制电机0.545的功率因数，功率因数提高了46.2％。

在本发明的方法的一些实施例中，如图1至图3所示，通过将电机的绕线槽11设置为半口槽的形式来降低上、下气隙磁密中的谐波含量。出于嵌绕电机绕组的需要，绕线槽11的槽体必须具备一定的宽度。传统的直线磁场调制电机中绕线槽11为开口槽，也就是说，绕线槽11的开口宽度与槽体宽度相等。本发明中将绕线槽11该为半开口槽，也就是绕线槽11的开口宽度变窄，形成小于槽体宽度的开口部。采用半口槽对磁力线分布的影响如图10所示。

作为本发明方法的一种具体实施方式，将半口槽的槽口宽度设置为槽体宽度的83-93％。具体地，在槽体宽度为12mm时，可以将半口槽的槽口宽度设置为10mm。对进行槽极对数优化后的电机设置不同的槽口宽度进行计算机仿真，结果显示，不同槽口宽度w_t对电机功率因数和平均推力的影响如图11所示。由图11可以看出，相对于12mm的槽体宽度，槽口宽度为10mm时，功率因数为0.807，相较于传统的使用法向充磁永磁体的直线磁场调制电机0.545的功率因数，功率因数提高了48.1％。

在本发明的方法的一些实施例中，如图1至图3所示，采用梯形调磁块3来降低所述气隙磁密的谐波含量。调磁块3可以设置为矩形、圆形和梯形等多种形状。从调磁效果看，传统的直线磁场调制电机中使用的矩形调磁块的调磁性能最差，圆形调磁块的调磁性能最好；但从电机结构与制作工艺看，圆形调磁块并不适用于直线磁场调制电机。梯形调磁块调磁效果仅次于圆形调磁块，加工难度也大大降低，还可以通过调整上下边的比例长度，调整调磁效果，最大限度的降低气隙谐波含量，提高功率因数。在传统的直线磁场调制电机中，调磁块通常为矩形，在动子长度为240mm，调磁块和非调磁块均为19块时，调磁块和非调磁块的长度均为6.135mm。在此基础上，调整调磁块的上边长w_mb1，不同的调磁块上边长w_mb1对电机的功率因数和平均推力的影响如图12所示。由图12可见，在调磁块的上边长为8mm时，电机的功率因数和平均推力均处于较高水平。在调磁块的上边长为8mm的基础上，调整调磁块的下边长w_mb2，不同的调磁块下边长w_mb2对电机的功率因数和平均推力的影响如图13所示。图13可见，在调磁块的下边长为4.6mm时，能够使电机的功率因数和平均推力均处于较高水平。

在本发明的方法的一些实施例中，如图1、图2所示，将梯形调磁块的两侧面设置为曲面，此时，调磁块3的径向截面为两侧腰为曲边的梯形。为了得到最优的调磁块3的形状，如图14所示，在上边长w_mb1＝8mm，下边长w_mb2＝4.6mm的等腰梯形的基础上，对梯形的左、右腰与梯形的中位线的交点距离等腰梯形中心的距离w_mb3和w_mb4进行调整，使得梯形的腰为圆弧的曲边形，测量调磁块3的梯形截面的腰为不同曲线时电机的功率因数和平均推力，结果如图15所示。由图15可以看出，在w_mb3＝4mm，w_mb4＝1.5mm时，能够使电机的功率因数和平均推力的综合效果处于较高水平。

通过对调磁块的边长和形状的调整，调磁块可以获得更大的磁通密度，改变了永磁体的磁场分布，降低了电机气隙磁密谐波含量。几种不同形状的调磁块的磁力线分布图如图16所示。

一种使用本发明优选实施例的方法调整后的电机与传统的法向充磁直线磁场调制电机的结构参数和功率因数的比较结果如表2所示。从表2可以看出，使用本发明的方法调整后，在维持直线磁场调制电机推力密度基本不变前提下，功率因数提高了50％，有效提高了直线磁场调制电机的成本效率。

表2经本发明的方法调整的直线磁场调制电机与传统直线磁场调制电机结构参数，功率因数比较

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高直线磁场调制电机功率因数的方法，其特征在于，通过减小电机的绕组系数和降低气隙磁密的谐波含量来减小电机的q轴电感，进而提高电机的功率因数。

2.根据权利要求1所述的提高直线磁场调制电机功率因数的方法，其特征在于，将电机转子的永磁体设置为Halbach永磁阵列，以使气隙磁密更接近正弦，从而降低所述气隙磁密的谐波含量。

3.根据权利要求2所述的提高直线磁场调制电机功率因数的方法，其特征在于，将所述Halbach永磁阵列的永磁比设置为0.5-0.6。

4.根据权利要求3所述的提高直线磁场调制电机功率因数的方法，其特征在于，通过将电机绕组的槽数设置为12槽，将电机的等效电枢绕组的极对数设置为1对、2对或者4对来减小所述绕组系数。

5.根据权利要求4所述的提高直线磁场调制电机功率因数的方法，其特征在于，通过将永磁体极对数设置在14对至17对之间来减小所述绕组系数。

6.根据权利要求5所述的提高直线磁场调制电机功率因数的方法，其特征在于，将所述等效电枢绕组的极对数设置为2对，所述永磁体极对数设置为17对。

7.根据权利要求1所述的提高直线磁场调制电机功率因数的方法，其特征在于，通过采用半口槽形式的绕线槽来降低所述气隙磁密的谐波含量。

8.根据权利要求7所述的提高直线磁场调制电机功率因数的方法，其特征在于，所述半口槽的槽口宽度为槽体宽度的83-93％。

9.根据权利要求1所述的提高直线磁场调制电机功率因数的方法，其特征在于，采用梯形调磁块来降低所述气隙磁密的谐波含量。

10.根据权利要求9所述的提高直线磁场调制电机功率因数的方法，其特征在于，所述梯形调磁块的两侧为曲面。

Images