CN113794350B - 一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机及其优化设置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机及其优化设置方法。包括初级模块和次级模块，次级模块保持固定，初级模块相对次级模块沿运动方向可运动，初级模块在两个次级模块之间并有气隙；初级铁芯中部为轭部，轭部两侧设有半闭口槽，电枢绕组绕制在半闭口槽的轭部上；初级铁芯两侧齿部外端面均布置永磁阵列；两个次级模块在朝向初级模块表面开设齿槽，齿槽沿运动方向间隔布置。本发明在相同永磁体用量下可产生较高幅值的两倍极对数的谐波磁动势，均衡利用基波磁动势和二次谐波磁动势，有效提高电机的推力密度，大幅降低空载定位力及负载推力波动，有效消除初级所受法向力，降低电机安装难度，且提高电机槽满率。
Description
技术领域
本发明属于直线电机技术领域的一种电机结构及其优化设置方法，具体涉及一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机及其优化设置方法。
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机械传动部分。因此，永磁直线电机具有高推力密度、高速度、高精度、高效率等显著优点，在高档数控机床、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。
传统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。与此同时，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。电机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。
在高速物流系统领域，由于电机运动的行程较长(通常几十米至几百米)，传统永磁直线电机推广应用的一大制约在于成本，因为无论采用长电枢还是长磁极结构，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动子，而次级仅由叠片铁芯构成并作为长定子，即初级励磁型永磁直线电机。
初级励磁型永磁直线电机主要有以下两种类型：
1、开关磁链型永磁直线电机
如中国专利CN101355289B、CN108155775B所提出的开关磁链型永磁直线电机，该拓扑结构把永磁体夹在电枢铁芯齿的中间位置，其永磁体用量较小且电枢长度较短，在长行程应用场合可以大大降低成本，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，散热条件较差。
2、磁通反向型永磁直线电机
如中国专利CN101552535B所提出的磁通反向型永磁直线电机，该拓扑结构把永磁体放置在电枢铁芯齿靠近气隙的表面，其永磁体用量较小且电枢长度较短，在长行程应用场合可以大大降低成本，但也带来新的问题：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。
上述两种类型的初级励磁型永磁直线电机均为对称励磁结构，即两种极性的永磁体所产生的励磁磁场相互对称，因而经过快速傅里叶变换后，只存在基波及奇数次的谐波磁动势分量，而不存在偶数次的谐波磁动势分量。对于初级励磁型永磁直线电机这一类依靠有效谐波磁场产生推力的电机而言，仅依靠基波及奇数次的谐波磁动势限制了电机推力密度的进一步提升。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提出了一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机及其优化设置方法，通过构造永磁体的非对称励磁结构，在相同永磁体用量下可以产生较高幅值的两倍极对数的谐波磁动势。在此基础上，通过合理选择次级极数，可均衡利用基波磁动势和两次谐波磁动势，有效提高电机的推力密度。
本发明的技术方案如下：
一、一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机
包括初级模块和两个次级模块，次级模块保持固定，初级模块相对于次级模块沿运动方向可运动，初级模块安装在两个次级模块之间并初级模块分别和两个次级模块之间设有沿运动方向的气隙；
所述初级模块包括初级铁芯、永磁阵列和电枢绕组；初级铁芯布置在两个次级模块之间，初级铁芯中部为轭部，轭部的两侧均开设有多个半闭口槽，多个半闭口槽沿运动方向间隔布置，电枢绕组绕制在半闭口槽处的轭部上；初级铁芯两侧齿部的外端面均紧贴布置有永磁阵列；
两个所述次级模块各自在朝向初级模块的一侧表面开设齿槽，齿槽沿运动方向间隔布置。
所述的初级铁芯轭部的两侧为齿部，两侧的齿部关于轭部对称布置，每侧齿部中相邻两齿之间形成半闭口槽。
所述的初级铁芯主要由多个十字形初级铁芯模块沿运动方向依次相扣连接而成，十字形初级铁芯模块主要由两个条形部交叉构成十字，其中一个条形部作为轭部，相邻十字形初级铁芯模块的轭部两端之间通过卯榫结构连接扣接，且在扣接处的轭部外绕制电枢绕组；另一个条形部的两端作为齿。
所述的永磁阵列由多个永磁单元组成，每个永磁单元贴于初级铁芯的齿的外端面，多个永磁单元沿运动方向并排依次布置，每个永磁单元沿运动方向单方向由永磁体A和永磁体B并排依次紧贴构成，永磁体A和永磁体B沿运动方向的宽度不同且极性相反；永磁体A固定布置在初级铁芯的一个齿外端面的中间，永磁体B固定布置在初级铁芯的相邻两个齿外端面的之间。
所述的永磁体A和永磁体B均采用矩形结构，充磁方向为垂直于运动方向，其中永磁体A的几何中心线对准十字形初级铁芯模块的齿的几何中心线，位于初级铁芯两侧的永磁阵列排布相同。
所述的十字形初级铁芯模块由硅钢片沿垂直于运动方向且垂直于初级铁芯的齿方向叠压而成。
所述次级模块为整体冲片式齿槽结构的叠片铁芯，叠片铁芯的叠方向是沿垂直于运动方向和垂直于初级铁芯的齿方向，所述次级模块的齿槽所在表面和所述初级铁芯的齿所在表面之间存在气隙。
两侧次级模块齿的中心线沿着运动方向错开二分之一极距而形成不对称结构，极距是指次级模块相邻齿之间的周期间距。
位于初级铁芯单侧的所述永磁单元的数目与初级铁芯单侧的齿数相同，且次级模块的齿槽数按照以下方式设置：单个次级模块的齿数设置为(kNph+2Nph)±1，其中kNph表示初级铁芯单侧的齿数，k表示槽数系数，Nph为永磁直线电机的相数。
二、永磁直线电机的优化设置方法：
所述方法在永磁基波磁动势和二次谐波磁动势之间寻求平衡，针对非对称多谐波励磁的永磁直线电机的永磁体宽度最佳比例和次级铁芯齿宽度的最佳比例进行设置，方法包括以下步骤：
步骤1：根据永磁直线电机的相数预先设置槽数系数k，不同相数下具有不同的槽数系数k。初级铁芯单侧的齿数设置为kNph，单个次级模块的齿数设置为(kNph+2Nph)±1；Nph为永磁直线电机的相数；
步骤2：在仅区别设置次级模块不设有齿和齿槽情况下，建立次级模块无齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度解析模型，表示为：
其中，α为永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例，g为初级模块和次级模块之间的气隙长度，μr为永磁体的相对磁导率，永磁体是指永磁体A/永磁体B，均相同，Br为永磁体的剩磁，hm为永磁体在充磁方向上的长度，lp为初级铁芯中的相邻半闭口槽之间的周期槽距，Bslotless(x)表示次级无齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度，x表示初级模块沿运动方向移动的距离，i表示各次谐波倍数；
步骤3：计算极对数等于初级铁芯单侧齿数Np时的气隙磁通密度Bslotless(x)作为基波幅值，同时计算极对数等于两倍初级铁芯单侧齿数Np时的气隙磁通密度Bslotless(x)作为二次谐波幅值，以基波幅值和二次谐波幅值之和最大为优化目标，优化求解获得永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例α；
步骤4：在仅区别设置次级模块设有齿和齿槽情况下，考虑次级铁芯齿槽结构的影响，建立次级模块导磁解析模型，表示为：
其中，τ为次级模块相邻两齿之间的距离，wst为单个次级模块的齿宽，μ0为真空磁导率，Ns为与初级模块相同长度范围内的次级模块的齿数，Np为初级模块的单侧齿数槽数，Vs为初级模块相对于次级模块的运动速度，xs0为初级模块相对于次级模块的初始位置；Λs(x,t)表示时间t下初级模块沿运动方向移动了距离x情况下的磁导函数，t表示时间；Λs0表示0阶磁导值，Λs1表示1阶磁导值，β表示变化系数；
步骤5：在步骤3和步骤4的基础上，考虑次级铁芯齿的调制作用，根据步骤3获得永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例α代入次级模块无齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度解析模型中，再结合次级模块导磁解析模型代入以下次级模块有齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度解析模型，进行求解获得气隙磁通密度：
其中，Bslotted(x,t)表示次级有齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度；
步骤6：按照步骤5的公式计算不同极对数下的气隙磁通密度经快速傅里叶变换之和再求和，i＝1,2,3作为不同极对数倍数，并以上述气隙磁通密度之和最大化为目标，优化求解获得单个次级模块的齿宽作为最优值，进而完成对永磁直线电机的优化设置。
所述的极对数具体计算为：|iNp±Ns|。
本发明的结构下，永磁单元中永磁体A和永磁体B的两个永磁体宽度不同，且在初级铁芯的两侧均布置齿结构形成双边，减小定位力。
本发明的结构下，使得电枢绕组是绕制在初级铁芯的轭部，而不是绕制在齿上，这样结构设计能够显著增加匝数，提高槽满率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明采用永磁体非对称励磁结构，在相同永磁体用量下可以产生较高幅值的两倍极对数的谐波磁动势，通过合理选择次级极数，可均衡利用基波磁动势和二次谐波磁动势，有效提高电机的推力密度。
(2)本发明采用非对称双边型结构，将上下两个次级在空间位置上错开半个极距(对应180电角度)，使得电机初级端部所产生的边端力在上下两个次级的综合作用下自行抵消，空载定位力及负载推力波动可大幅降低。同时，双边型结构可以有效消除初级所受法向力，降低电机安装难度。
(3)本发明采用模块化初级铁芯结构，电枢绕组可以在外部绕制后从十字形初级铁芯模块的轭部嵌套放入，加工方便且有利于提高电机槽满率。
(4)本发明采用基于非对称励磁下气隙磁通密度解析函数的快速数值优化策略，针对非对称多谐波励磁最关键的永磁体宽度比例和次级铁芯齿宽度比例进行设置，可避开复杂的有限元优化，并快速计算最优值。
附图说明
图1是非对称多谐波励磁的永磁直线电机结构示意图；
图2是十字形初级铁芯模块结构示意图；
图3是电枢绕组与十字形初级铁芯模块安装示意图；
图4是永磁单元结构及磁场分布示意图；
图5是次级无槽铁芯下的气隙磁密波形及谐波分布对比图；
图6是基波与二次谐波幅值之和随永磁体宽度比例的变化图；
图7是次级铁芯调制下各次有效谐波幅值之和随次级铁芯齿宽比例的变化图；
图8是电机平均推力随次级铁芯齿宽比例的变化图；
图9是非对称励磁与对称励磁下电机平均推力的对比图。
图中：初级1、初级铁心11、十字形初级铁芯模块111、永磁阵列12、永磁单元121、电枢绕组13、次级模块2。
具体实施方式
为了更详细地描述本发明，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。
如图1所示，电机结构包括初级模块1和两个次级模块2，其特征在于：两个次级模块2呈沿运动方向布置的条状，次级模块2保持固定，初级模块1相对于次级模块2沿运动方向可运动，初级模块1安装在两个次级模块2之间并设有沿运动方向的气隙，两个次级模块2分别在初级模块1的两侧对称布置；初级模块1包括初级铁芯11、永磁阵列12和电枢绕组13；初级铁芯11布置在两个次级模块2之间，初级铁芯11中部为轭部，轭部的两侧均开设由多个半闭口槽，多个半闭口槽沿运动方向间隔布置，电枢绕组13绕制在半闭口槽处的轭部上；初级铁芯11两侧齿部的外端面均紧贴布置由永磁阵列12。
具体地，初级铁芯11轭部的两侧为齿部，两侧的齿部关于轭部对称布置，每侧齿部中相邻两齿之间形成半闭口槽。
初级铁芯11主要由多个十字形初级铁芯模块111沿运动方向依次相扣连接而成，如图2所示，十字形初级铁芯模块111主要由两个条形部交叉构成十字，其中一个条形部作为轭部，如图3所示，相邻十字形初级铁芯模块111的轭部两端之间通过卯榫结构连接扣接，且在扣接处的轭部外绕制电枢绕组13；另一个条形部的两端作为齿，同一个条形部两端的齿对称布置。
永磁阵列12由多个永磁单元121组成，每个永磁单元121表贴于初级铁芯11的齿的外端面，多个永磁单元121沿运动方向并排紧密依次布置，每个永磁单元沿运动方向单方向由永磁体A和永磁体B并排依次紧贴构成，如图4所示，永磁体A和永磁体B沿运动方向的宽度不同且极性相反；永磁体A固定布置在初级铁芯11的一个齿外端面的中间，永磁体B固定布置在初级铁芯11的相邻两个齿外端面的之间，使得初级铁芯11的每个齿的外端面中间均有一个永磁体A，每相邻两个齿的外端面之间均有一个永磁体B。
具体实施中，永磁体A和永磁体B的充磁方向相同但相反，充磁方向均沿初级铁芯11的齿延伸方向，即两个次级模块2的连线方向。
永磁单元121中，永磁体A和永磁体B宽度的最佳比例，次级铁芯齿的宽度与次级极距的最佳比例，由所建立的优化磁通密度解析函数及优化目标进行快速优化设置。
永磁体A和永磁体B均采用矩形结构，充磁方向为垂直于运动方向，其中永磁体A的几何中心线对准十字形初级铁芯模块111的齿的几何中心线，位于初级铁芯11两侧的永磁阵列12排布相同。
十字形初级铁芯模块111由硅钢片沿垂直于运动方向且垂直于初级铁芯11的齿方向叠压而成，且在十字形初级铁芯模块111轭部两端的中间区域留有相扣的齿槽结构。
电枢绕组13为集中绕组结构，在各个十字形初级铁芯模块111扣装前嵌套在其轭部，嵌套后由环氧树脂封装固定。
具体实施以初级铁芯槽数Np＝12为例，图1所示为本实施例的永磁直线电机结构示意图，其包括初级1和两个次级模块2，初级1利用直线导轨安装在两个次级模块2之间并留有一定的气隙，通常气隙大小在0.8～1.5mm之间。初级1沿着直线导轨运动，在上下两层气隙中完成机电能量转换，将电磁能转化为直线运动的机械能。初级铁芯11上下两边各开有Np＝12个半闭口槽，上下两边的半闭口槽关于初级轭部对称，并且可由Np+1＝13个十字形初级铁芯模块111相扣连接而成。需要注意的是，由于初级模块受左右两侧边端铁芯开断的影响，初级模块铁芯齿的个数会比半闭口槽的个数多1，在实际计算初级模块半闭口槽数、永磁单元数和次级齿槽数之间的配合时，仍然以初级模块半闭口槽数作为基准，而忽略由于铁芯开断对初级模块铁芯齿所带来的影响。
图2所示为本实施例的十字形初级铁芯模块结构示意图，其由硅钢片叠压而成，且在左右轭部的中间区域留有可以相扣的齿槽结构，如燕尾槽、T型槽等。图3所示为本实施例的电枢绕组与十字形初级铁芯模块安装示意图，电枢绕组13在外部绕制后，套装在十字形初级铁芯模块111的轭部，嵌套后由环氧树脂封装固定，可以有效提高电机的槽满率。
永磁阵列12由Np＝12个永磁单元121并排组成并表贴于初级铁芯电枢齿的上下表面，每个永磁单元从左到右由永磁体A和永磁体B并排贴合构成，永磁体A和永磁体B宽度不同且极性相反。图4所示为永磁单元结构及磁场分布示意图，由图可知，当永磁体A和永磁体B呈宽度不同的非对称分布后，永磁体A和B磁场的峰值并不相同，主要表现为宽度较小的永磁体下磁场幅值较高而宽度较大的永磁体下磁场幅值较低，幅值的正负非对称会带来额外的偶数次谐波。图5所示为本实施例在次级无槽铁芯下的气隙磁密波形及谐波分布，通过引入非对称永磁励磁结构，电机中的永磁磁动势分布可以从原来的对称型奇数倍分布拓展到非对称型整数倍分布，在相同永磁体用量的情况下，可以额外增加并有效利用幅值较大的偶数倍谐波磁动势特别是二次谐波磁动势，构造多永磁磁动势共同励磁的全新运行模式。
两个次级模块2各自在朝向初级模块1的一侧表面开设齿槽，齿槽沿运动方向间隔布置，相邻齿槽之间形成齿。
次级模块2为整体冲片式齿槽结构的叠片铁芯，齿槽朝向初级铁芯11的齿，叠片铁芯的叠方向是沿垂直于运动方向和垂直于初级铁芯11的齿方向，即沿图1所示的垂直于纸面方向，所述次级模块2的齿槽所在表面和所述初级铁芯11的齿所在表面之间存在气隙。
两侧次级模块2齿的中心线沿着运动方向错开二分之一极距而形成不对称结构，极距是指次级模块2相邻齿之间的周期间距。即一侧次级模块2齿的中心线对准位于另一侧次级模块2齿槽的中心线上，如图1所示。
位于初级铁芯11单侧的所述永磁单元121的数目与初级铁芯11单侧的齿数相同，且次级模块2的齿槽数按照以下方式设置：单个次级模块2的齿数设置为(kNph+2Nph)±1，其中kNph表示初级铁芯11单侧的齿数，k表示槽数系数，k为大于2的整数，Nph为永磁直线电机的相数。在本实施例中，采用的相数为3相，次级模块2的齿数(次级铁芯齿数)为17。
本发明方法具体实施过程包括以下步骤：
步骤1：根据永磁直线电机的相数预先设置槽数系数k，初级铁芯11单侧的齿数设置为kNph，单个次级模块2的齿数设置为(kNph+2Nph)±1；k为大于2的整数，Nph为永磁直线电机的相数；
例如，当初级铁芯槽数为2NphNph为相数时，即k＝2，次级模块2中次级铁芯的齿数为4Nph±1；当初级铁芯槽数为4Nph时，即k＝4，次级模块2中次级铁芯的齿数为6Nph±1；当初级铁芯槽数为6Nph时，即k＝6，次级模块2中次级铁芯的齿数为8Nph±1，并以此类推。这样能够获得次级模块2中次级铁芯的齿数的最佳数目。
步骤2：在仅区别设置次级模块2不设有齿和齿槽情况下，建立次级模块无齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度解析模型，表示为：
步骤3：计算极对数等于初级铁芯11单侧齿数Np时的气隙磁通密度Bslotless(x)作为基波幅值，同时计算极对数等于两倍初级铁芯11单侧齿数Np时的气隙磁通密度Bslotless(x)作为二次谐波幅值，以基波幅值和二次谐波幅值之和最大为优化目标，优化求解获得永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例α；
步骤4：在仅区别设置次级模块2设有齿和齿槽情况下，建立次级模块导磁解析模型，表示为：
步骤5：根据步骤3获得永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例α代入次级模块无齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度解析模型中，再结合次级模块导磁解析模型代入以下次级模块有齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度解析模型，进行求解获得气隙磁通密度：
其中，Bslotted(x,t)表示次级有齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度；
步骤6：按照步骤5的公式计算不同极对数下的气隙磁通密度经快速傅里叶变换之和再求和，i＝1,2,3作为不同极对数，并以上述气隙磁通密度之和最大化为目标，优化求解获得单个次级模块的齿宽作为最优值，进而完成对永磁直线电机的优化设置。
上述极对数具体计算为：|iNp±Ns|。
不同次级铁芯齿数下的相反电动势基波幅值如以下表1所示，由表可知，当次级铁芯齿数为17时，相反电动势基波幅值最大，而次级铁芯齿数为19时基波幅值次之。随着次级铁芯齿数的减小，相反电动势基波幅值也随之减小，次级铁芯齿为13/14近槽极配合下的基波幅值小于次级铁芯齿为17/19时的幅值，主要原因在于次级铁芯齿数较小的近槽极配合不能高效利用二次谐波磁动势。随着次级铁芯齿数的增加，相反电动势基波幅值下降更加明显，主要原因在于次级铁芯齿数较大时不能高效利用基波磁动势。由此可以看出，为了同时有效利用基波磁动势和二次谐波磁动势，初级槽数与次级极数配合突破了传统对称励磁中的“近槽极配合”，次级铁芯齿数在基波极对数和两倍谐波极对数之间寻求平衡，其最佳数目满足上述所述关系。
表1不同次级铁芯齿数下相反电动势基波幅值
| 次级铁芯齿数 | 13 | 14 | 16 | 17 | 19 | 20 | 22 | 23 |
| 相反电动势基波幅值(V) | 32.4 | 33.2 | 35.1 | 38.6 | 37.8 | 29.1 | 26.3 | 23.5 |
在确定次级铁芯齿的最佳数目后，可用基于解析函数的优化设置方法对永磁体宽度最佳比例和次级铁芯齿宽度的最佳比例进行快速优化设置。利用步骤2所得到的解析计算表达式，计算气隙磁通密度中极对数等于初级铁芯槽数的基波和极对数等于两倍初级铁芯槽数的二次谐波的幅值，并以基波幅值和二次谐波幅值之和最大为优化目标，优化永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例α。图6所示为基波与二次谐波幅值之和随永磁体宽度比例的变化图，由图可知，基于解析函数的快速计算方法所得到的结果与基于有限元计算的结果变化趋势一致，具体数值上略有差异。与此同时，当永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例α约为三分之一时，基波和二次谐波的幅值之和最大，此时该比例可设定为最优比例。
在此基础上，利用步骤4所得到的简化的次级铁芯磁导解析计算公式求解气隙磁通密度，将求解后的气隙磁通密度进行快速傅里叶变换，得到不同极对数下气隙磁通密度的幅值，将极对数为|12i±17|,i＝1,2次谐波的幅值求和，并以上述次谐波的幅值之和最大化为目标，对次级铁芯齿宽度的最佳比例进行优化，得到最优值。图7所示为次级铁芯调制下各次有效谐波幅值之和随次级铁芯齿宽比例的变化图，由图可知，基于解析函数的快速计算方法所得到的结果与基于有限元计算的结果变化趋势一致，具体数值上略有差异。当次级铁芯齿宽度占次级极距的比例约为三分之一时，5，7，29和41次谐波幅值之和最大，此时该比例可设定为最优比例。
图8所示为电机平均推力随次级铁芯齿宽比例的变化图，由图可知，平均推力随次级铁芯齿宽比例的变化趋势与各次有效谐波幅值之和随次级铁芯齿宽的变化趋势一致。由此可以看出，通过基于解析函数的优化设置方法对永磁体宽度最佳比例和次级铁芯齿宽度的最佳比例进行快速优化设置，可以达到优化并提升电机推力密度这一目标，并快速实现关键参数的优化设置。
图9所示为非对称励磁与对称励磁下电机平均推力的对比图，其中非对称励磁采用的最优的槽极配合为12槽17极，对称励磁采用的最优的槽极配合为12槽14极。由图可知，在相同铜耗和永磁体用量下，通过改变永磁体的宽度比例，非对称励磁下的平均推力可以比对称励磁时提高约37.5％，电机的推力密度得到大幅提高。由此可以看出，本发明所提出的非对称多谐波励磁的永磁直线电机及其优化设置方法能够有效提高初级励磁型永磁直线电机的推力密度。
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 (9)
1.一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，包括初级模块(1)和两个次级模块(2)，其特征在于：次级模块(2)保持固定，初级模块(1)相对于次级模块(2)沿运动方向可运动，初级模块(1)安装在两个次级模块(2)之间并设有沿运动方向的气隙；
所述初级模块(1)包括初级铁芯(11)、永磁阵列(12)和电枢绕组(13)；初级铁芯(11)布置在两个次级模块(2)之间，初级铁芯(11)中部为轭部，轭部的两侧均开设有多个半闭口槽，多个半闭口槽沿运动方向间隔布置，电枢绕组(13)绕制在半闭口槽处的轭部上；初级铁芯(11)两侧齿部的外端面均紧贴布置有永磁阵列(12)；
两个所述次级模块(2)各自在朝向初级模块(1)的一侧表面开设齿槽，齿槽沿运动方向间隔布置；
所述的永磁阵列(12)由多个永磁单元(121)组成，每个永磁单元(121)贴于初级铁芯(11)的齿的外端面，多个永磁单元(121)沿运动方向并排依次布置，每个永磁单元沿运动方向单方向由永磁体A和永磁体B并排依次紧贴构成，永磁体A和永磁体B沿运动方向的宽度不同且极性相反；永磁体A固定布置在初级铁芯(11)的一个齿外端面的中间，永磁体B固定布置在初级铁芯(11)的相邻两个齿外端面的之间。
2.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述的初级铁芯(11)轭部的两侧为齿部，两侧的齿部关于轭部对称布置，每侧齿部中相邻两齿之间形成半闭口槽。
3.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述的初级铁芯(11)主要由多个十字形初级铁芯模块(111)沿运动方向依次相扣连接而成，十字形初级铁芯模块(111)主要由两个条形部交叉构成十字，其中一个条形部作为轭部，相邻十字形初级铁芯模块(111)的轭部两端之间通过卯榫结构连接扣接，且在扣接处的轭部外绕制电枢绕组(13)；另一个条形部的两端作为齿。
4.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述的永磁体A和永磁体B均采用矩形结构，充磁方向为垂直于运动方向，其中永磁体A的几何中心线对准十字形初级铁芯模块(111)的齿的几何中心线，位于初级铁芯(11)两侧的永磁阵列(12)排布相同。
5.根据权利要求3所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述的十字形初级铁芯模块(111)由硅钢片沿垂直于运动方向且垂直于初级铁芯(11)的齿方向叠压而成。
6.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述次级模块(2)为整体冲片式齿槽结构的叠片铁芯，叠片铁芯的叠方向是沿垂直于运动方向和垂直于初级铁芯(11)的齿方向，所述次级模块(2)的齿槽所在表面和所述初级铁芯(11)的齿所在表面之间存在气隙。
7.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：两侧次级模块(2)齿的中心线沿着运动方向错开二分之一极距而形成不对称结构，极距是指次级模块(2)相邻齿之间的周期间距。
8.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：位于初级铁芯(11)单侧的所述永磁单元(121)的数目与初级铁芯(11)单侧的齿数相同，且次级模块(2)的齿槽数按照以下方式设置：单个次级模块(2)的齿数设置为(kNph+2Nph)±1，其中kNph表示初级铁芯(11)单侧的齿数，k表示槽数系数，Nph为永磁直线电机的相数。
9.应用于权利要求1-8任一所述永磁直线电机的优化设置方法，其特征在于：方法包括以下步骤：
步骤1：根据永磁直线电机的相数预先设置槽数系数k，初级铁芯(11)单侧的齿数设置为kNph，单个次级模块(2)的齿数设置为(kNph+2Nph)±1；Nph为永磁直线电机的相数；
步骤2：在设置次级模块(2)不设有齿和齿槽情况下，建立次级模块无齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度解析模型，表示为：
其中，α为永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例，g为初级模块(1)和次级模块(2)之间的气隙长度，μr为永磁体的相对磁导率，Br为永磁体的剩磁，hm为永磁体在充磁方向上的长度，lp为初级铁芯(11)中的相邻半闭口槽之间的周期槽距，Bslotless(x)表示次级无齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度，x表示初级模块沿运动方向移动的距离，i表示各次谐波倍数；
步骤3：计算极对数等于初级铁芯(11)单侧齿数Np时的气隙磁通密度Bslotless(x)作为基波幅值，同时计算极对数等于两倍初级铁芯(11)单侧齿数Np时的气隙磁通密度Bslotless(x)作为二次谐波幅值，以基波幅值和二次谐波幅值之和最大为优化目标，优化求解获得永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例α；
步骤4：在设置次级模块(2)设有齿和齿槽情况下，建立次级模块导磁解析模型，表示为：
其中，τ为次级模块相邻两齿之间的距离，wst为单个次级模块的齿宽，μ0为真空磁导率，Ns为与初级模块相同长度范围内的次级模块的齿数，Np为初级模块的单侧齿数槽数，Vs为初级模块相对于次级模块的运动速度，xs0为初级模块相对于次级模块的初始位置；Λs(x,t)表示时间t下初级模块沿运动方向移动了距离x情况下的磁导函数，t表示时间；Λs0表示0阶磁导值，Λs1表示1阶磁导值，β表示变化系数；
步骤5：根据步骤3获得永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例α代入次级模块无齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度解析模型中，再结合次级模块导磁解析模型代入以下次级模块有齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度解析模型，进行求解获得气隙磁通密度：
其中，Bslotted(x,t)表示次级有齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度；
步骤6：按照步骤5的公式计算不同极对数下的气隙磁通密度经快速傅里叶变换之和再求和，并以上述气隙磁通密度之和最大化为目标，优化求解获得单个次级模块的齿宽作为最优值，进而完成对永磁直线电机的优化设置。
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