CN113098227B

CN113098227B - 圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机

Info

Publication number: CN113098227B
Application number: CN202110453652.0A
Authority: CN
Inventors: 张铸; 柳洪; 刘云凡; 张小平
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2041-04-26
Also published as: CN113098227A

Abstract

本发明涉及圆筒型动子结构优化方法，包括：将直线开关磁阻电机的动子对称的等分为N_r个模块，再将N_r个模块分为N_g组，每组模块数为N_m，且每组的筒面高度相同，相邻组之间的筒面在纵向上有α的偏移；根据动子在其筒面上的纵向偏移α，计算每相动子所受的力F_ph(z，i)：根据F_ph(z，i)计算LSRAs产生的推进力F_SR(z，i)；求得波动系数f_ripple，再求其最小值。本发明采用横向磁通结构实现磁路和电路在几何设计上的解耦，设计灵活方便；对动子模块空间位移进行了优化，能够有效降低电机推力波动；在电机电磁设计、外形尺寸和控制策略上均不需要任何更改；因此，该电机简单，成本低廉，可行且有效。

Description

圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及机械控制领域，特别涉及一种圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机。

背景技术

近年来，直线开关磁阻电机(LSRM)由于其结构简单，制造成本低，运行可靠性高，具有能够在各种恶劣条件下运行的优势，维护成本低，获得了广泛关注。除此之外，直线开关磁阻电机起动和调速性能优越，控制策略灵活。直线开关磁阻电机包括横向磁通开关磁阻电机和纵向磁通开关磁阻电机。横向磁通开关磁阻电机线性(TFLSRM)利用了垂直于运动的方向和电流流动的方向的磁回路，这种结构使得它非常容易制造和维护，同时离散极简化了线性电动机的设计，相比于纵向磁场直线开关磁阻电机，这种结构可以降低总成本。单位体积的高力密度和高效率是其主要优点。因此，TFLSRM作为一个有吸引力的旋转电动机代替品，正在成为直线运动的最优选择。

然而，由于直线开关磁阻电机采用双定子齿结构和磁路饱和非线性的影响，电磁推力脉动大一直限制了直线开关磁阻电机的使用范围。此外，单边型直线开关磁阻电机为两端开放的开放式平板结构，电机铁芯两侧存在横向开断，有一定的横向边缘效应，造成电机内磁场分布不连续，影响电机运行性能。单边型直线开关磁阻电机除了产生直线推力之外，还会在定子组和定子组之间产生法向磁拉力，加重导轨负荷，降低导轨的使用寿命。基于上述背景，研制一种推力脉动小，电机可靠性高的圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机具有重要的理论意义和工程实用价值。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机，解决了现有的直线开关磁阻电机推力脉动大，运行不平稳以及单边型直线电机存在一定的横向边缘效应和法向磁拉力的问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

横向磁通直线开关磁阻电机，其具体包括：一壳体和设于壳体内的沿运动方向等距间隔排列的若干相模块，所述相模块包括从外至内同轴设置一圆筒型定子和一动子，所述定子和动子的轴心处贯穿有传动轴，所述动子与定子之间形成一气隙；所述动子的筒面呈二级错位或三级错位，所述定子和动子磁力连接。

所述定子包括定子轭、定子齿和电枢绕组，所述定子齿均匀间隔分布于定子轭内表面且沿定子轭径向朝向内侧延伸，所述电枢绕组以集中绕组形式绕制在定子齿上。

所述动子根据其独立的N_r个磁路进行等分，并分为N_g组，所述动子的筒面在其相邻组的纵向上有位移α。

上述圆筒型动子的结构优化方法，包括如下步骤：

步骤a)为保证相绕组励磁时径向力的对称性，将直线开关磁阻电机的动子对称的等分为N_r个模块，再将N_r个模块分为N_g组，每组模块数为N_m，每组的筒面高度相同，相邻组之间的筒面在纵向上有α的偏移；其中，N_r为磁路数，N_r＝N_g* N_m；

步骤b)根据动子在其筒面上的纵向偏移α，代入公式(1)求得每相动子所受的力F_ph(z,i)：

式中，N_g为组数，N_m为模块数，f_m(z+g*α，i)为动子的单个模块在其相对定子的位移为(z+g*α)、电流为i的情况下受到的力；式中α为相邻组之间在纵向上的错位差，g表示第g组；

步骤c)将步骤b)所得F_ph(z，i)代入公式(2)求得LSRAs产生的推进力F_SR(z,i)：

式中，N_ph是相数，F_SR(z,i)为整个直线开关磁阻电机所有相动子在初始位移为z、电流为i的情况下受LSRAs产生的推进力，F_phk(z,i)为直线开关磁阻电机某一项动子在初始位移为z、电流为i的情况下受其对应定子对其产生的合力，k 为第k相；

步骤d)根据步骤c所得推进力F_SR(z,i)代入公式(4)求得力波动系数f_ripple的最小值；

式中，f_ripple(α^opt)为优化率，

表示推进力F_SR(z,i)在动子12的相邻组之间的空间位移为α时的最大值，

表示推进力F_SR(z,i)在动子12的相邻组之间的空间位移为α时的最小值，

表示推进力F_SR(z，i)在动子12的相邻组之间的空间位移为α时的平均值；α表示任意两个相邻组之间的空间位移。

本发明提供了一种可减小推力纹波的圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机，与现有的直线开关磁阻电机相比，具有以下优点：

1.本发明的圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机采用定子和动子同轴结构，定子采用相模块化设计，每相都由六个独立模块组成，每个模块具有相同的磁结构且各模块的磁路相互独立；另外，每个模块产生的推进力是相同的；

2.本发明的圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机采用圆筒型结构，能够解决单边型直线电机存在的横向边缘效应和法向磁拉力，提高电机性能；

3.本发明的圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机采用横向磁通结构，可以实现磁路与电路在几何结构上的解耦，可实现电机的灵活设计；

4.本发明的圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机动子组通过改变动子的结构即对动子进行α的偏移来优化其出力的大小，能够有效降低电机推力波动；

5.本发明的圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机在模块设计和电机控制上均不需要任何更改。因此，它简单，成本低廉，可行且有效。

附图说明

图1为本发明提供的圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的结构示意图；

图2为本发明提供的圆筒型横向磁通直线开关磁阻电机定子的结构示意图；

图3为本发明提供的圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机每相的磁路结构；

图4a为圆筒型横向磁通直线开关磁阻电机的动子无错位结构示意图；

图4b为本发明提供的圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的动子二级错位结构示意图；

图4c为本发明提供的圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的动子三级错位结构示意图；

图5a为圆筒型横向磁通直线开关磁阻电机的动子无偏移平面展开图；

图5b为本发明提供的圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的动子二级偏移平面展开图；

图5c为本发明提供的圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的动子三级偏移平面展开图；

图6a为圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机在二级偏移情况下的动子叠片图；

图6b为圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机在三级偏移情况下的动子叠片图；

图7a为圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的动子在无偏移情况下的出力特性曲线图；

图7b为圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的动子在二级偏移情况下的出力特性曲线图；

图7c为圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的动子在三级偏移情况下的出力特性曲线图；

图8a为圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的动子在无偏移情况下的力波动图；

图8b为圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的动子在二级偏移情况下的力波动图；

图8c为圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的动子在三级偏移情况下的力波动图；

图9为圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的力波动系数优化比较数据图；

其中，1、相模块；11、定子；111、定子轭；112、定子齿；113、电枢绕组； 12、动子；2、传动轴；3、气隙。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步具体的说明。

如图1所示，为本发明提供的横向磁通直线开关磁阻电机内部示意图，该电机包括壳体(图中未示出)，于壳体内设有四个沿运动方向等距间隔排列的相模块1 和一传动轴2，每个相模块1从外至内同轴设置一圆筒型定子11和一动子12，定子 11和动子12的轴心处贯穿传动轴2，动子12与定子11之间形成一气隙3实现定子11 和动子12沿轴向相对直线运动。

本实施例以设计四相开关磁阻电机的动子为例，则壳体内固定了四个相模块1，即四个定子11和四个动子12等间距相互间隔穿于传动轴2上。定子11包括定子轭111、均匀间隔分布于定子轭111内表面且沿径向朝向内侧的定子齿112、以集中绕组形式绕制在定子齿112上的电枢绕组113，每个相模块1所包含的电枢绕组113 均属于同一相，则电机所包含的四个相模块1分属于四相，每个相模块1中的定子齿112上绕制的电枢绕组113均采用相同的集中绕组绕制形式，相邻电枢绕组113反向串联，在通电后产生的磁场极性相反。

请参见图2，相邻定子11之间的中心距为75mm，定子轭111的轴向宽度为 25mm，相邻动子12之间的中心距为75mm，动子12的轴向宽度为27mm，电机相数为4，定子轭111、定子齿112、动子12由铁磁材料构成，选用硅钢片材料50WG600- 0.5mm叠压而成。这些均为常用的直线开关磁阻电机的常用参数，可根据使用场景自行确定及设置。

请参见图3，由于定子11的定子齿112及电枢绕组113具有相同的磁结构且磁路为独立的六路(即六路电枢绕组113绕制在六个定子齿112上)，故每个动子12将受到六个相同的推进力，其动子12的结构如图4a和图5a所示。考虑到相绕组励磁时需保持径向力的对称性，本实施例将动子12的筒面等分为六个模块，再将六个模块分为两组或三组，每组的模块相互间隔设置，相邻组之间在纵向上形成一定的位移(偏移量设为α)，如图4b和图5b所示，将动子12分为两组(二级错位)，即动子12在纵向上形成三个二级台阶(也可以说将动子12的筒面等分为六份，每份高度相同，六份分为1、2共两组，每组的顶面不在同一水平面上，1、2组的模块相互间隔排列，每个模块之间的高度差为α)。又如图 4c和图5c所示，将动子12分为三组(三级错位)，即将动子12在纵向上形成两个三级台阶(也可以说将动子12的筒面等分为六份，每份高度相同，六份分为1、 2、3共三组，每组的顶面不在同一水平面上，1、2、3组的模块相互间隔排列，每个模块之间的高度差为α)。

由于每相的力特性相同，则每相动子12所受的力F_ph(z，i)可表示为：

式中，N_g为组数，N_m为每组的模块数，N_r为磁路数，N_r＝N_g*N_m，N_g和 N_m为不为0的自然数；本实施例中磁路数为6，故当二级错位时，N_g为3、N_m为2，当三级错位时，N_g为2、N_m为3，f_m(z+g*α，i)为动子12的单个模块在其相对定子的位移为(z+g*α)、电流为i的情况下受到的力；式中α为相邻组之间在纵向上的错位差，g表示第g组。

因此，LSRAs产生的推进力表示为：

式中，N_ph是相数，本实施例采用四相电机，故此处N_ph为4，F_SR(z，i)为整个直线开关磁阻电机所有相(本实施例中为四相)动子12在初始位移为z、电流为i的情况下受LSRAs产生的推进力(即四个定子产生的推进力)，F_phk(z，i) 为直线开关磁阻电机某一项动子12在初始位移为z、电流为i的情况下受其对应定子对其产生的合力，k为第k相。

图6a和图6b分别为圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的动子在二级偏移和三级偏移两种情况下的动子叠片图，图7a、图7b和图7c分别为圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的动子在无偏移、二级偏移和三级偏移三种情况下的出力特性曲线，图8a、图8b和图8c分别为圆筒型动子结构优化方法及横向磁通直线开关磁阻电机的动子在无偏移、二级偏移和三级偏移三种情况下的波动系数图，由图7a-图7c和图8a-图8c可知，由于动子的错位结构，使得动子每组的受力发生了α的偏移，这样能够达到降低力波动的效果；从图中可以看出动子三级错位可有效降低电机出力波动，提高电机运行的稳定性。

设公式(3)用于评估LSRM的力波动，定义f_ripple为力波动系数：

式中，

表示推进力F_SR(z，i)最大值，

表示推进力F_SR(z,i)最小值，

表示推进力F_SR(z,i)平均值。

每个组产生的力矢量具有相同的力分布，并且具有不同的空间位移。因此，

和

以及由此产生的力波动系数分别是两组之间的空间位移的函数。所提出的方法可以归纳为以下几个方面：

1)开发模块的空间分布方案以获得对称的受力特性；

2)任意两个相邻模块组之间的空间位移相同；

3)优化空间位移，获得最优LSRM的力波动系数。

本文提出了优化的目标函数为力波动系数的最小值：

式中，f_ripple(α^opt)为优化率，

表示推进力F_SR(z，i)在动子12的相邻组之间的空间位移为α时的最小值，

表示推进力F_SR(z，i)在动子12的相邻组之间的空间位移为α时的平均值；α表示任意两个相邻组之间的空间位移，由于动子的错位结构，使得动子每组的受力发生了α的平移，这样能够达到降低力波动的效果。

公式(4)为优化后的力波动系数表达式，通过对偏移量α的改变来找到一个动子12的筒面分组相互间受力最佳的空间位移，使力波动最小化。

上述计算结果如表1所示：

表1三种情况下的推进力及其优化率

由表1数据可知，当无错位时，α为0，求得的力波动系数为0.3789，当用计算机软件对其进行优化时，当动子12设为二级错位时，可求得α为7.5mm，此时的力波动系数为0.281，优化率为25.84％；当动子12设为三级错位时，可求得α为5.5mm，此时的力波动系数为0.2186，优化率为42.3％，较动子12无错位时优。

不同于现有的直线开关磁阻电机，本发明的横向磁通直线开关磁阻电机采用圆筒型结构，能够解决单边型直线电机存在的横向边缘效应和法向磁拉力，提高电机性能；采用横向磁通结构实现磁路和电路在几何结构上的解耦，设计灵活方便；为了使电机出力波动更小，运行更平稳，提出了动子二级错位和三级错位两种结构，基于横向通量分布，动子12被认为可分为六个独立的模块(对应定子形成的六个磁路)。考虑到径向力的对称性，将动子12的六个模块分为两组或三组,每组与相邻组在纵向上都有一定的位移α。通过力波动对二级、三级位移的分析，并对优化结果进行了比较，基于仿真分析的结果表明，所发明电机的力波动较传统电机的力波动有了很大的改善；并且在模块设计和电机控制上均不需要任何更改。因此，它简单，成本低廉，可行且有效。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims

1.圆筒型动子结构优化方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤a)将直线开关磁阻电机的动子(12)对称的等分为N_r个模块，再将N_r个模块分为N_g组，每组模块数为N_m，且每组的筒面高度相同，相邻组之间的筒面在纵向上有α的偏移；

步骤b)根据动子(12)在其筒面上的纵向偏移α，代入公式(1)求得每相动子(12)所受的力F_ph(z，i)：

式中，f_m(z+g*α，i)为动子(12)的单个模块在其相对定子(11)的位移为(z+g*α)、电流为i的情况下受到的力，g表示第g组；

步骤c)将步骤b)所得F_ph(z，i)代入公式(2)求得直线开关磁阻电机产生的推进力F_SR(z，i)：

式中，N_ph是相数，F_SR(z，i)为整个直线开关磁阻电机所有相动子(12)在初始位移为z、电流为i的情况下受直线开关磁阻电机产生的推进力，F_phk(z，i)为直线开关磁阻电机某一项动子(12)在初始位移为z、电流为i的情况下受其对应定子(11)对其产生的合力，k为第k相；

步骤d)根据步骤c)所得推进力F_SR(z，i)代入公式(4)求得力波动系数f_ripple的最小值；

式中，f_ripple(α^opt)为优化率，

表示推进力F_SR(z，i)在动子(12)的相邻组之间的空间位移为α时的最大值，

表示推进力F_SR(z，i)在动子(12)的相邻组之间的空间位移为α时的最小值，

表示推进力F_SR(z，i)在动子(12)的相邻组之间的空间位移为α时的平均值；α表示任意两个相邻组之间的空间位移。

2.具有采用权利要求1所述的圆筒型动子结构优化方法制备的圆筒型动子的横向磁通直线开关磁阻电机，其特征在于，所述横向磁通直线开关磁阻电机包括一壳体和设于壳体内的沿运动方向等距间隔排列的若干相模块(1)，所述相模块(1)包括从外至内同轴设置一圆筒型定子(11)和一动子(12)，所述定子(11)和动子(12)的轴心处贯穿有传动轴(2)，所述动子(12)与定子(11)之间形成一气隙(3)；所述动子(12)的筒面呈二级错位或三级错位，所述定子(11)和动子(12)磁力连接。

3.根据权利要求2所述的横向磁通直线开关磁阻电机，其特征在于，所述定子(11)包括定子轭(111)、定子齿(112)和电枢绕组(113)，所述定子齿(112)均匀间隔分布于定子轭(111)内表面且沿定子轭(111)径向朝向内侧延伸，所述电枢绕组(113)以集中绕组形式绕制在定子齿(112)上。

4.根据权利要求2所述的横向磁通直线开关磁阻电机，其特征在于，所述动子(12)根据其独立的N_r个磁路进行等分，并分为N_g组，所述动子(12)的筒面在其相邻组的纵向上有位移α。

5.根据权利要求2所述的横向磁通直线开关磁阻电机，其特征在于，所述定子轭(111)、定子齿(112)、动子(12)由铁磁材料50WG600-0.5mm构成。