CN113572338A - 一种环形绕组永磁直线同步电机的推力波动补偿型次级 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环形绕组永磁直线同步电机的推力波动补偿型次级，是由多个平板型的次级组件构成，并与具有环形绕组的初级电枢形成多面的气隙结构；初级电枢的横截面为长方形，且其长度对应的次级组件中的永磁体与初级电枢电流相互作用产生电磁推力，其宽度对应的次级组件，通过内嵌永磁体的形状设计和位置偏移来实现对电磁推力波动分量的补偿。本发明能在保证推力密度和结构紧凑性提升的同时，实现更加平稳的电磁推力输出。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域，具体涉及一种环形绕组永磁直线同步电机的推力波动补偿型次级。
背景技术
永磁直线同步电机具有推力密度高、动态响应快、定位精度高等优点，在数控机床、无绳电梯及自动化生产线等场合具有广阔的应用前景。环形绕组是将环形线圈缠绕在初级铁心上，线圈平面与电机运动方向垂直，具有端部不交叉，占据空间小且机械强度好的优点，在永磁直线同步电机获得广泛关注和应用。但是环形绕组永磁直线同步电机的初级电枢绕组电流磁势谐波较大，电机中会产生较大的推力波动，进而引起振动噪声等一系列问题，严重的影响了其运行特性，降低了加工精度，成为环形绕组永磁直线同步电机推广应用的瓶颈问题。
专利“准正弦绕组直线电机”(CN201410172462)通过将环形绕组进行准正弦化设计来降低该类电机的推力波动，正弦化绕组可以有效地降低绕组的磁动势和电动势谐波但绕组制造较为复杂，工艺难度较大。在多气隙结构的直线电机中，还常采用双边错位的方法来进行推力波动的抑制，即把电机两侧的电枢铁心或磁极错开合适的距离，使电机两侧产生的电磁力波动分量相互抵消，此方法虽然可以降低电机的推力波动，但会使得推力平均值也大幅度降低。
发明内容
本发明针对现有环形绕组直线电机中存在的推力波动大的问题，提出一种环形绕组永磁直线同步电机的推力波动补偿型次级，以期能在保证推力密度和结构紧凑性提升的同时，实现更加平稳的电磁推力输出。
本发明为达到上述发明目的采用如下技术方案：
本发明一种环形绕组永磁直线同步电机的推力波动补偿型次级的特点在于：
所述推力波动补偿型次级是由四个平板型次级组件组成，并与初级电枢形成多面的气隙结构；其中，第一平板型次级组件和第三平板型次级组件为镜像对称的结构，第二平板型次级组件和第四平板型次级组件为镜像对称的结构；
所述初级电枢的横截面为a×b的长方形，且其长度b对应所述第一平板型次级组件和第三平板型次级组件中的永磁体的长度，使得所述永磁体在所述初级电枢的电流相互作用下产生能推动电机运动的电磁推力；其宽度a对应所述第二平板型次级组件和第四平板型次级组件的轭板开槽，并在其中嵌入N级、S级交替的永磁体，使得所述永磁体在所述初级电枢的电流相互作用下产生能补偿所述电磁推力的波动分量的电磁力；以所述能推动电机运动的电磁推力和补偿所述电磁推力的波动分量的电磁力共同形成平稳的电磁推力；
在第一平板型次级组件和第三平板型次级组件中的每个永磁体的充磁方向与电机运动方向垂直，且相邻永磁体的充磁方向相反，处于镜像对称位置的永磁体的充磁方向相反；
在第二平板型次级组件和第四平板型次级组件中的每个永磁体的充磁方向与电机运动方向平行，且相邻永磁体的充磁方向相反，处于镜像对称位置的永磁体的充磁方向相反。
本发明所述的环形绕组永磁直线同步电机的推力波动补偿型次级的特点也在于：所述第二平板型次级组件和第四平板型次级组件的永磁体的极距与第一平板型次级组件和第三平板型次级组件的永磁体的极距相同。
所述第一平板型次级组件的永磁体个数为2p1，初、次级耦合部分的槽数为Q，则第二平板型次级组件的永磁体个数为2p2＝2mp1/t，其中，t为槽数Q和极对数p1的最大公约数，m为非零自然数，且m≤t。
所述第一平板型次级组件和第二平板型次级组件对应位置的永磁体沿电机运动方向相差的距离为一个槽距d1。
在第二平板型次级组件和第四平板型次级组件中的每个永磁体的两端位置均匀设置若干空气隔磁桥。
所述第二平板型次级组件和第四平板型次级组件中的永磁体的纵向长度不大于初级电枢的横截面宽度a，第一平板型次级组件和第三平板型次级组件中的永磁体的纵向长度等于初级电枢的横截面长度b。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明侧面的次级组件通过内置永磁体的位置偏移或形状设计，与初级电枢的电流相互作用形成电磁推力波动的补偿分量，电磁设计的灵活性强，整体次级的结构紧凑，电机的推力密度高，且工艺易于实现。同时，该方案不影响其余面次级组件的磁场和电磁推力输出，实现了推力平均值的提升和推力波动有效抑制。
2、本发明侧面的次级组件的内嵌永磁体两端所设置的空气隔磁桥避免了不同面的永磁体磁场通过轭部交联而产生漏磁，从而减小了电机的漏磁，提升了功率因数，同时起到了减重的目的。
3、本发明侧面的次级组件的内嵌永磁体具有磁极个数和纵向长度的限制，减小了永磁体的用量，降低了电机的成本，推进环形绕组永磁直线同步电机的工程实用化进程。
附图说明
图1是本发明的环形绕组永磁直线同步电机结构示意图；
图2是本发明的电机横截面示意图；
图3是少磁极的推力波动补偿型次级示意图；
图4a是整体斜极的推力波动补偿型次级示意图；
图4b是分段斜极的推力波动补偿型次级示意图；
图5为菱形磁极的推力波动补偿型次级示意图；
图6为齿槽结构的环形绕组永磁直线同步电机图；
图7为三面气隙结构的推力波动补偿型次级示意图；
图8是应用本发明后的电机的推力补偿原理及效果图；
图中标号：1-1环形线圈；1-2初级铁心；2-1第一平板型次级组件、2-2第二平板型次级组件、2-3第三平板型次级组件、2-4第四平板型次级组件；3永磁体；4空气槽；5环形绕组电流；a电枢横截面长方形的宽度；b电枢横截面长方形的长度；d1第一平板型次级组件和第二平板型次级组件对应位置的磁极中心线在电机运动方向上的偏移距离；d2第二平板型次级组件的永磁体斜极距离。
具体实施方式
本实施例中，如图1和图2所示，一种环形绕组永磁直线同步电机的推力波动补偿型次级为四面的平板型结构，每一面的次级组件均包括永磁体及导磁轭板。其中，第一平板型次级组件2-1和第三平板型次级组件2-3中永磁体采用表贴形式，第二平板型次级组件2-2和第四平板型次级组件2-4中永磁体采用内嵌形式，第一平板型次级组件2-1和第三平板型次级组件2-3为镜像对称的结构，第二平板型次级组件2-2和第四平板型次级组件2-4为镜像对称的结构。多面的次级组件与初级电枢形成多面的气隙结构。初级电枢采用环形绕组，缠绕在初级铁心上，通入电流后可以与不同面的次级组件中永磁体相互作用产生电磁推力，如图2所示，初级电枢的横截面为a×b的长方形，且其长度b对应第一平板型次级组件2-1和第三平板型次级组件2-3中的永磁体的长度，第一平板型次级组件2-1和第三平板型次级组件2-3与初级电枢的电流相互作用下产生推动电机运动的电磁推力，其宽度a对应的第二平板型次级组件2-2和第四平板型次级组件2-4的轭板开槽，并在其中嵌入N级、S级交替的永磁体，并与初级电枢的电流相互作用，产生能补偿电磁推力的波动分量的电磁力，使得能推动电机运动的电磁推力和补偿电磁推力的波动分量的电磁力共同形成平稳的电磁推力。
具体实施中，在第二平板型次级组件2-2和第四平板型次级组件2-4中的每个永磁体的两端位置均匀设置若干空气隔磁桥，避免不同面的永磁体磁场通过轭部交联而产生漏磁，改善电机的功率因数，同时起到一定的减重和散热目的。
第二平板型次级组件2-2和第四平板型次级组件2-4中的永磁体纵向长度不大于初级电枢横截面的宽度a。由于第二平板型次级组件2-2和第四平板型次级组件2-4的作用是产生补偿电磁推力的波动分量，从节约永磁体用量的角度出发，在设计实践中以电磁推力波动峰峰值大小来确定其永磁体纵向长度，若峰峰值较大，则其纵向长度长，反之则长度短。第一平板型次级组件2-1和第三平板型次级组件2-3与初级电枢的电流相互作用产生电机运动所需要的电磁推力，其永磁体纵向长度应于所对应的环形绕组的边长匹配，即等于初级电枢横截面长方形的长度b。
本发明中实现推力波动补偿的基本原理是：第二平板型次级组件2-2和第四平板型次级组件2-4的永磁体的极距与第一平板型次级组件2-1和第三平板型次级组件2-3的永磁体的极距相同，若两者对应位置永磁体的中心线对齐，则两者会产生波动规律相似的电磁推力，这样在多面气隙中合成的电磁推力平均值增大，但推力波动峰峰值未得到抑制。若两者对应位置永磁体的中心线相差距离d1为一个槽距时，第一平板型次级组件2-1与初级电枢的电流形成的电磁推力，与第二平板型次级组件2-2与初级电枢的电流形成的电磁力产生的波峰和波谷位置不同，以此波峰对彼波谷，通过错位补偿的方式减小电磁推力的波动分量。同时，通过第二平板型次级组件2-2中内嵌永磁体的极弧系数设计，来修正电磁推力波动补偿分量的波形特征，进而去抑制电磁力高次谐波成分，这样在提升电机平均推力的基础上实现了推力波动的降低。
如图3所示，为减小次级的重量和永磁体用量，对于电磁推力波动峰峰值不大的环形绕组电机，可以采用少磁极的推力波动补偿型次级。若第一平板型次级组件2-1的永磁体个数为2p1，初、次级耦合部分的槽数为Q，则第二平板型次级组件2-2的永磁体个数为2p2＝2mp1/t，其中，t为槽数Q和极对数p1的最大公约数，m为非零自然数，且m≤t。例如，对于6极9槽的电机来说，第二平板型次级组件2-2和第四平板型次级组件2-4的永磁体个数可以为2极或4极。随着永磁体个数的减少，平板型轭板长度也应相应缩减，以进一步减重和节省材料。
结合图4a和图4b说明，与图3不同的是，推力波动补偿型次级中第二平板型次级组件2-2采用在平板型轭板上开斜槽，槽内再嵌放永磁体，通过永磁体位置倾斜实现电磁推力波动分量的错位补偿，其中倾斜距离d2为一个槽距。在图4a中的整体斜极中，由于永磁体为细长型，且多数机械特性较脆，容易折断，所以可以采用图4b所示的分段斜极方式。
结合图5和图6说明，推力波动补偿型次级可用于初级电枢为无槽结构的电机，也可用于初级电枢为齿槽结构的电机，电磁设计的灵活性非常强。在图5中，推力波动补偿型次级中第二平板型次级组件2-2的永磁体采用菱形形状，其电磁本质为不同极弧系数永磁体的组合设计，会产生波动频次更加丰富的电磁力谐波成分，可以更有效地补偿第一平板型次级组件2-1所产生的电磁推力波动分量，该方案更适用于齿谐波含量丰富的齿槽结构环形绕组电机。
结合图7说明，与图1不同的是，与环形绕组匹配的推力波动补偿型次级除了采用四个平板型次级组件组成外，还可采用三个平板型次级组件组成，即将第四平板型次级组件2-4去掉，仅依靠第二平板型次级组件2-2来进行电磁推力波动分量的补偿，该方案适用于电磁推力波动较小的环形绕组电机。
结合图8说明，以6极9槽电机的仿真计算结果来说明本发明的实施效果，其中线1是第一平板型次级组件2-1和第三平板型次级组件2-3所产生的电磁推力，推力波动较大，达到6.8％。线2是第二平板型次级组件2-2和第四平板型次级组件2-4位置偏移所产生的补偿电磁力，两者合成之后电磁推力的平均值上升了42.1％，推力波动下降了55.9％，如线3所示。可知本发明具有显著的应用效果和技术优势。
综上所述，该推力波动补偿型次级是一种形成工艺简单、效果显著的电机推力波动补偿方案，根据环形绕组初级电枢的电磁特点，多面永磁体与环形线圈周向各部分导体产生同向电磁推力，侧面辅助永磁体采用内嵌方式，通过错位或灵活的形状设计形成推力波动的补偿分量，在内嵌永磁体的次级组件中，在每块永磁体的两端设置隔磁桥，避免不同面的永磁体磁场通过轭部交联而产生漏磁。环形绕组永磁直线同步电机采用推力波动补偿型次级可以有效解决该类电机因磁势谐波引起的推力波动问题，并同时具有结构紧凑和推力密度高的优点。
Claims (6)
1.一种环形绕组永磁直线同步电机的推力波动补偿型次级，其特征在于：
所述推力波动补偿型次级是由四个平板型次级组件组成，并与初级电枢形成多面的气隙结构；其中，第一平板型次级组件(2-1)和第三平板型次级组件(2-3)为镜像对称的结构，第二平板型次级组件(2-2)和第四平板型次级组件(2-4)为镜像对称的结构；
所述初级电枢的横截面为a×b的长方形，且其长度b对应所述第一平板型次级组件(2-1)和第三平板型次级组件(2-3)中的永磁体的长度，使得所述永磁体在所述初级电枢的电流相互作用下产生能推动电机运动的电磁推力；其宽度a对应所述第二平板型次级组件(2-2)和第四平板型次级组件(2-4)的轭板开槽，并在其中嵌入N级、S级交替的永磁体，使得所述永磁体在所述初级电枢的电流相互作用下产生能补偿所述电磁推力的波动分量的电磁力；以所述能推动电机运动的电磁推力和补偿所述电磁推力的波动分量的电磁力共同形成平稳的电磁推力；
在第一平板型次级组件(2-1)和第三平板型次级组件(2-3)中的每个永磁体的充磁方向与电机运动方向垂直，且相邻永磁体的充磁方向相反，处于镜像对称位置的永磁体的充磁方向相反；
在第二平板型次级组件(2-2)和第四平板型次级组件(2-4)中的每个永磁体的充磁方向与电机运动方向平行，且相邻永磁体的充磁方向相反，处于镜像对称位置的永磁体的充磁方向相反。
2.根据权利要求1所述的环形绕组永磁直线同步电机的推力波动补偿型次级，其特征在于：所述第二平板型次级组件(2-2)和第四平板型次级组件(2-4)的永磁体的极距与第一平板型次级组件(2-1)和第三平板型次级组件(2-3)的永磁体的极距相同。
3.根据权利要求1所述的环形绕组永磁直线同步电机的推力波动补偿型次级，其特征在于：所述第一平板型次级组件(2-1)的永磁体个数为2p1，初、次级耦合部分的槽数为Q，则第二平板型次级组件(2-2)的永磁体个数为2p2＝2mp1/t，其中，t为槽数Q和极对数p1的最大公约数，m为非零自然数，且m≤t。
4.根据权利要求1所述的环形绕组永磁直线同步电机的推力波动补偿型次级，其特征在于：所述第一平板型次级组件(2-1)和第二平板型次级组件(2-2)对应位置的永磁体沿电机运动方向相差的距离为一个槽距d1。
5.根据权利要求1所述的环形绕组永磁直线同步电机的推力波动补偿型次级，其特征在于：在第二平板型次级组件(2-2)和第四平板型次级组件(2-4)中的每个永磁体的两端位置均匀设置若干空气隔磁桥。
6.根据权利要求1所述的环形绕组永磁直线同步电机的推力波动补偿型次级，其特征在于：所述第二平板型次级组件(2-2)和第四平板型次级组件(2-4)中的永磁体的纵向长度不大于初级电枢的横截面宽度a，第一平板型次级组件(2-1)和第三平板型次级组件(2-3)中的永磁体的纵向长度等于初级电枢的横截面长度b。
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