CN114362472B - 具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机及其拼接补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机，包括多对分段拼接的模块化直线电机单元及电机次级动子,所述电机次级动子设置于每对模块化直线电机单元的中央；每个模块化直线电机单元包括呈直线或弧形布置的定子铁心；所述定子铁心两端外侧边端处开有不少1个的段间补偿绕组槽，定子铁心的内侧开有多个电机绕组槽，所述段间补偿绕组槽与电机绕组槽内嵌入段间补偿绕组，电机绕组槽上绕有电机绕组；可以有效提升可分段拼接电机段间的磁感应强度，进而提高可分段拼接电机拼接后整体电机的推力。

Description

具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机及其拼接补偿方法
技术领域
本专利涉及直线电机设备领域，具体说是一种具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机。
背景技术
自动化工业应用中经常需要机械结构在较长的行程内完成直线或旋转运动，目前自动化工业应用一般采用齿轮或丝杆结构配合电机的方案，通过电机驱动齿轮等中间机械结构，齿轮等中间机械结构再驱动后级机械结构完成预定动作。另一种方案是直接采用电机对机械结构直接进行驱动，省略了齿轮结构、丝杆等中间变速、转换结构，可靠性较高。但若电机直接驱动的机械结构需要较长的行程、旋转半径时，常常需要电机的初级或次级的尺寸较大，直接制造大尺寸电机，需要较高的生产制造条件、较高的制造成本，也不利于电机的运输、安装、维护。对于上述问题，一种解决方案是分段制造后进行拼接使用。
但在分段的边端会由于磁介质的不连续造成电机磁场的波动，进而影响分段拼接后电机的整体性能，主要表现在电机在分段边缘电磁力下降，使得电机的整体推力密度下降。因此需要一种段间磁场绕组补偿结构以消除或减弱该影响。
发明内容
本发明要解决的是电机在分段边缘电磁力下降，使得电机的整体推力密度下降的问题。
针对上述问题，本发明采用的技术方案是：一种具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机，包括多对分段拼接的模块化直线电机单元及电机次级动子,所述电机次级动子设置于每对模块化直线电机单元的中央；
每个模块化直线电机单元包括呈直线或弧形布置的定子铁心；所述定子铁心两端外侧边端处开有数量不少1个的段间补偿绕组槽，定子铁心的内侧开有多个电机绕组槽，所述段间补偿绕组槽与电机绕组槽内嵌入段间补偿绕组，电机绕组槽上绕有电机绕组。
进一步的，不同的分段模块化直线电机单元之间的绕组连接可以通过多相电机的相绕组引出线在外部接线板上进行连接；连接关系为串联或者并联。
进一步的，电机次级动子为单个金属板。
进一步的，所述段间补偿绕组槽及电机绕组槽为全开口槽或半开口槽。
进一步的，当段间补偿绕组采用与电机绕组相同匝数时，分段模块化直线电机单元之间的拼接间隙为不大于单个定子铁心长度的1％。当电机间隙要求大于单个定子铁心长度的1％时，应当增加段间补偿绕组的槽深和与补偿绕组垂直对应的电机绕组槽的槽深，其他与补偿绕组不垂直对应的电机绕组槽保持不变，增加补偿绕组匝数以补偿电机在段间的磁感应强度的下降。
进一步的，电机供电相数为多相。
进一步的，当段间补偿绕组采用与电机绕组相同匝数时，所述段间补偿绕组槽内的体积为电机绕组槽单个槽的一半。
进一步的，单个定子铁心上的每相的段间补偿绕组与对应每相电机绕组进行串联后作为一个电机的一相绕组整体引出；分布在电机次级动子两侧的定子铁心上的引出整体绕组再进行串联后作为一组电机的一相整体引出。
进一步的，所述定子铁心上还设置多个用于安装定位的装配孔，所述定子铁心上还设置多个装配孔，装配孔可以承受与电机功率相匹配的固定力矩，便于机械安装时精确控制模块化直线电机单元的拼接安装间隙。
本发明的有益效果和特点是：
(1)本发明的具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机；可以实现分段电机制造后拼接形成一个整体电机，在分段拼接电机中设置了补偿绕组，分段拼接电机的绕组连接形式和相序，使得可以有效提升可分段拼接电机段间的磁感应强度，进而提高可分段拼接电机拼接后整体电机的推力。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的可分段拼接电机结构示意图；
图2图1虚线处的放大结构示意图；
图3为本发明较佳实施例的电机绕组布置示意图；
图4为本发明较佳实施例的电机绕组A相、B相、C相绕组通入电流相序；
图5为本发明较佳实施例的单个模块化直线电机单元的接线图；
图6为本发明较佳实施例的模块化直线电机单元的整体相序图；
图7为本发明较佳实施例的两段电机拼接间隙在1mm时，加入补偿绕组后段内磁感应强度图；
图8为本发明较佳实施例的两段电机拼接间隙在1mm时，加入补偿绕组后段间磁感应强度图；
图9为本发明较佳实施例的两段电机拼接间隙在1mm时，与图5同等条件下未加入补偿绕组时的段内磁感应强度图；
图10为本发明较佳实施例的两段电机拼接间隙在1mm时，与图6同等条件下未加入补偿绕组时的段间磁感应强度图；
图11为本发明较佳实施例的两段电机拼接间隙在1mm时，本发明可分段拼接电机实施例中加入补偿绕组后在堵动工况下的电机推力图；
图12为本发明较佳实施例的两段电机拼接间隙在1mm时，与图9同等条件下未加入补偿绕组时在堵动工况下的电机推力图；
说明：图8—图10英文纵坐标表示磁感应强度,单位是mT,毫特斯拉；
图11—图12英文纵坐标表示力，单位是N，牛顿；
图中附图标记分别表示：1-定子铁心、11-一号定子铁芯、12-二号定子铁心、13-三号定子铁心、14-四号定子铁心、2-电机绕组、3-电机次级动子、4-段间补偿绕组电机槽、41-一号段间补偿绕组槽、42-二号段间补偿绕组槽、43-三号段间补偿绕组槽、5-段间补偿绕组、51-一号段间补偿绕组、52-二号段间补偿绕组、53-三号段间补偿绕组，6-电机绕组槽、61-一号电机绕组槽、62-二号电机绕组槽、63-三号电机绕组槽、7-装配孔。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1-3，作为本发明的一个方面，本发明具体涉及一种具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机，包括多对分段拼接的模块化直线电机单元及电机次级动子3,所述电机次级动子3设置于每对模块化直线电机单元的中央，电机次级动子3为导电性好、导磁性弱的单个金属板；例如为铝板、铜板等。
每个模块化直线电机单元包括呈直线或弧形布置的定子铁心1；所述定子铁心1两端外侧边端处开有数量不少1个的段间补偿绕组槽4，定子铁心1的内侧开有多个电机绕组槽6，所述段间补偿绕组槽4与电机绕组槽6内嵌入段间补偿绕组5，电机绕组槽6上绕有电机绕组2。单个定子铁心上的每相的段间补偿绕组5与对应每相电机绕组6进行串联后作为一个电机的一相整体引出；分布在电机次级动子3两侧的定子铁心1上的引出整体绕组再进行串联后作为一组电机的一相绕组整体引出。
不同的分段模块化直线电机单元之间的绕组连接可以通过ABC三相电机绕组引出线在外部接线板上进行连接；连接关系为串联或者并联。
所述段间补偿绕组槽4及电机绕组槽6为全开口槽或半开口槽。
考虑到工装难度及电机铁心的热胀冷缩因素，当段间补偿绕5组采用与电机绕组相同匝数时，分段模块化直线电机单元之间的拼接间隙应不大于单个定子铁心1长度的1％，例如对于单个364mm长度的电机间隙应不大于3.64mm。当电机间隙要求大于单个定子铁心1长度的1％时，应当增加段间补偿绕组5的槽深和与补偿绕组垂直对应的电机绕组槽的槽深，其他与补偿绕组不垂直对应的电机绕组槽保持不变，增加段间补偿绕组5匝数以补偿电机在段间的磁感应强度的下降。
当段间补偿绕组5采用与电机绕组2相同匝数时，所述段间补偿绕组槽4内的体积为电机绕组槽6单个槽的一半。
作为优选的方案，电机供电相数可以为多相；所述定子铁心1上还设置多个装配孔7，装配孔7可以承受与电机功率相匹配的固定力矩，便于机械安装时精确控制模块化直线电机单元的拼接安装间隙。
上述具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机的拼接补偿方法，具体为：在单个定子铁心1的两端外侧边端处开设数量不少1个的段间补偿绕组槽4，定子铁心1的内侧开设多个电机绕组槽6，所述段间补偿绕组槽4与电机绕组槽6内嵌入段间补偿绕组5，电机绕组槽6上绕制电机绕组2，将两个定子铁心沿电机次级动子3对称布置，形成一对定子铁心组件，多对定子铁心组件沿弧线或直线依次布置，形成具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机；多对定子铁心组件可以多个分段拼接，最大拼接长度不受限制；每个模块化直线电机单元可独立制造、运输、维修更换。
下面以2对模块化直线电机单元，3相电机，4对极为例，对本发明方案进行说明，
定子铁心1包括：一号定子铁芯11、二号定子铁心12、三号定子铁心13和四号定子铁心14；所述一号定子铁心11三号与定子铁心13为一对；所述二号定子铁心12与四号定子铁心14为一对；分段结构可以由多对铁心组成；在该实施例中，所述的定子铁心为4个，组成2个分段拼接结构的电机，
单个定子铁心具有24个电机绕组槽6、6个段间补偿绕组槽4，6个段间补偿绕组5，21个电机绕组2。
2对所述定子铁心拼接形成一个尺寸为原来2倍的整体电机铁心，在所述的定子铁心边端开有段间补偿绕组槽5，段间补偿绕组槽分布在所述定子铁心的两侧边端，本发明可应用于多相电机，现以3相电机结构为例说明。单个定子铁心的段间补偿绕组槽为3个。以定子铁心11为例，段间补偿绕组槽为一号段间补偿绕组槽41、二号段间补偿绕组槽42、三号段间补偿绕组槽43。段间补偿绕组槽4单个槽(一号段间补偿绕组槽41、二号段间补偿绕组槽42、三号段间补偿绕组槽43)内的体积为电机绕组槽6的相对应单个槽(一号电机绕组槽61、二号电机绕组槽62、三号电机绕组槽63)的一半(一号段间补偿绕组槽41对应一号电机绕组槽61，二号段间补偿绕组槽42对应二号电机绕组槽62，三号段间补偿绕组槽43对应三号电机绕组槽63)。
本发明在段间补偿绕组槽4(一号段间补偿绕组槽41、二号段间补偿绕组槽42、三号段间补偿绕组槽43)与电机绕组槽6(一号电机绕组槽61、二号电机绕组槽62、三号电机绕组槽63)内嵌入段间补偿绕组5(一号段间补偿绕组51、二号段间补偿绕组52及三号段间补偿绕组53)。
所述的电机绕组槽6共有24个，沿电机的运动方向均匀依次排列，24个电机绕组槽内共绕有21个电机绕组2，所述的21个电机绕组2可以分为3相，每相7个绕组，按照AZBXCY的三相绕组顺序进行排列。如图2所示。
单个电机铁心上的每相的段间补偿绕组5与对应每相电机绕组6进行串联后作为一个电机的一相整体引出。
分布在电机次级动子3两侧的定子铁心1上的引出整体绕组再进行串联后作为一组电机的一相整体引出。
所述的电机次级动子3为一块金属板构成，该金属板可以为铝板、铜板等，该金属板要求导电性好、导磁性弱。
所述定子槽为全开口或半开口。在本发明的该实施例中，定子槽为半开口。
所述段间补偿绕组槽为全开口或半开口。在本发明的该实施例中，段间补偿绕组槽为全开口。
所述的电机绕组A相、B相、C相绕组通入电流相序为3所示。可以形成3相绕组合成的行波磁场，该行波磁场在所述的电机次级动子3内感应出涡流，在涡流与3相绕组的行波磁场内形成电磁力，推动电机次级动子3沿着电机方向运行。
本发明2对电机的电机定子铁心、补偿绕组、电机绕组均为独立制造，之间没有相互需要进行连接的部分，方便运输、制造、装配以及后期的维护更换。
请参考图4-图6，不同的分段电机之间的绕组连接可以通过ABC三相电机绕组引出线在外部接线板上进行连接。连接关系可以为串联或者并联。
图7、图8为两段电机拼接间隙在1mm时，本发明可分段拼接电机实施例中加入补偿绕组后段内与段间磁感应强度图。图9、图10为同等条件下未加入补偿绕组时的段内与段间磁感应强度图。由图9、图10可见，本发明可分段拼接电机实施例中加入补偿绕组后段内磁感应强度幅值为223mT，段间磁感应强度幅值为225mT，磁感应强度幅值基本相当，未见明显下降。由图9、图10可见，同等条件下未加入补偿绕组时的段内磁感应强度幅值为222mT，段间磁感应强度幅值为121mT，下降幅度达45.5％。
由图7、图8和图9、图10对比发现，在同等条件下，采用本发明可分段拼接电机加入补偿绕组后在段间的磁感应强度下降较少，可以有效的利用每个电机分段的边端部分，在边端部分仍然能形成较强的磁感应强度，进而可以提高电机整体的推力，有效提升电机的推力密度。
图11为两段电机拼接间隙在1mm时，本发明可分段拼接电机实施例中加入补偿绕组后在堵动工况下的电机推力图。图12为同等条件下未加入补偿绕组时在堵动工况下的电机推力图。由图11可见，本发明可分段拼接电机实施例中加入补偿绕组后在堵动工况下的电机推力最大值为514N，最小值为471N，均值为492.5N；由图12可见，同等条件下未加入补偿绕组时在堵动工况下的电机推力最大值为440N，最小值为398N，均值为419N。
由图11和图12对比发现，在同等条件下，本发明可分段拼接电机实施例中加入补偿绕组后在堵动工况下的电机推力较同等条件下未加入补偿绕组时在堵动工况下的电机推力均值大73.5，以未加入补偿绕组时在堵动工况下的电机推力为基准时，电机整体的推力均值提升17.5％，较为明显的提升了电机的整体推力。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机，其特征在于:包括多对分段拼接的模块化直线电机单元及电机次级动子(3),所述电机次级动子(3)设置于每对模块化直线电机单元的中央；
每个模块化直线电机单元包括呈直线或弧形布置的定子铁心(1)；所述定子铁心(1)两端外侧边端处开有数量不少1个的段间补偿绕组槽(4)，定子铁心(1)的内侧开有多个电机绕组槽(6)，所述段间补偿绕组槽(4)与电机绕组槽(6)内嵌入段间补偿绕组(5)，电机绕组槽(6)上绕有电机绕组(2)。
2.根据权利要求1所述的具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机，其特征在于:不同的分段模块化直线电机单元之间的绕组连接通过ABC三相电机绕组引出线在外部接线板上进行连接；连接关系为串联或者并联。
3.根据权利要求1所述的具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机，其特征在于:电机次级动子(3)为单个金属板。
4.根据权利要求1所述的具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机，其特征在于：所述段间补偿绕组槽(4)及电机绕组槽(6)为全开口槽或半开口槽。
5.根据权利要求1所述的具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机，其特征在于:当段间补偿绕组(5)采用与电机绕组(2)相同匝数时，分段模块化直线电机单元之间的拼接间隙应不大于单个定子铁心(1)长度的1％；当电机间隙要求大于单个定子铁心(1)长度的1％时，应当增加段间补偿绕组(5)的槽深和与补偿绕组垂直对应的电机绕组槽(6)的槽深，其他与段间补偿绕组(5)不垂直对应的电机绕组槽保持不变，增加段间补偿绕组(5)匝数以补偿电机在段间的磁感应强度的下降。
6.根据权利要求1所述的具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机，其特征在于:电机供电相数为多相。
7.根据权利要求1所述的具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机，其特征在于:当段间补偿绕组(5)采用与电机绕组(2)相同匝数时，所述段间补偿绕组槽(4)内的体积为电机绕组槽(6)单个槽的一半。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机，其特征在于:单个定子铁心上的每相的段间补偿绕组(5)与对应每相电机绕组进行串联后作为一个电机的一相绕组整体引出；分布在电机次级动子(3)两侧的定子铁心(1)上的引出整体绕组再进行串联后作为一组电机的一相整体引出。
9.根据权利要求1-7任一权利要求所述的具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机，其特征在于:所述定子铁心(1)上还设置多个装配孔(7)，装配孔(7)可以承受与电机功率相匹配的固定力矩，便于机械安装时精确控制模块化直线电机单元的拼接安装间隙。
10.一种具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机的拼接补偿方法，其特征在于:在单个定子铁心(1)的两端外侧边端处开设数量不少1个的段间补偿绕组槽(4)，定子铁心(1)的内侧开设多个电机绕组槽(6)，所述段间补偿绕组槽(4)与电机绕组槽(6)内嵌入段间补偿绕组(5)，电机绕组槽(6)上绕制电机绕组(2)，将两个定子铁心沿电机次级动子(3)对称布置，形成一对定子铁心组件，多对定子铁心组件沿弧线或直线依次布置，形成具备段间磁场补偿绕组的可分段拼接模块化直线电机；多对定子铁心组件可以多个分段拼接，最大拼接长度不受限制；每个模块化直线电机单元可独立制造、运输、维修更换。
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