CN115173667A - 一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机，包括次级组件以及分别设于次级组件上下两侧的初级组件，次级组件包括上侧永磁体组和下侧永磁体组，初级组件包括上侧驱动定子和下侧驱动定子，上侧驱动定子和下侧驱动定子分别包括多个驱动模块，驱动模块包括至少两个驱动铁心以及绕制于驱动铁心上的铁心绕组。本发明可实现根据装备空间调整模块数量，提高装备空间利用率，根据不同的驱动模块结构和驱动模块的布局可以抑制推力波动和初级、次级之间的磁拉力同时实现磁路平衡，也可实现单相到多相电机的自由组合，同时双边相对应的绕组可以在电机工作时实现电机的悬浮或者发电，具有较好的应用推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及电动机技术领域，尤其涉及一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机。
背景技术
直线电机作为直接产生直线运动的驱动电机类型，取代了“伺服电机+丝杆”的中间传动环节，实现了“零传动”，具有成本低、效率高、精确度高等特点。永磁直线同步电机具有可靠性高、功率密度高、效率高的优点。制造业的不断发展对高端数控机床等精密装备的精密性、可靠性、节能性提出了更高的要求，直线运动部件作为高端数控机床等精密装备的核心部件之一，降低直线电机的损耗、振动噪声、推力波动单边磁拉力等对装备发展有重要意义。
横向磁通直线永磁电机，具有转矩密度高、设计灵活、电磁负荷解耦、控制方便等特点，然而此类电机存在定位力、推力波动导致定位精度下降。此外，初级次级之间还存在磁拉力导致电机运行时存在噪声影响设备精度和可靠性，因此针对高精度低推力波动的横向磁通永磁直线电机的研发成为了亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机，具有高效率、低推力波动、高灵活性、高精度、高可靠性、高容错性的特点。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机，包括次级组件以及分别设于次级组件上下两侧的初级组件，所述次级组件包括上侧永磁体组和下侧永磁体组，所述初级组件包括与上侧永磁体组相对设置的上侧驱动定子以及与下侧永磁体组相对设置的下侧驱动定子，所述上侧驱动定子和下侧驱动定子分别包括多个驱动模块，所述驱动模块包括至少两个驱动铁心以及绕制于驱动铁心上的铁心绕组，其中上侧驱动定子与下侧驱动定子的驱动铁心的数量相同。
根据上述技术方案，优选地，所述上侧驱动定子与下侧驱动定子中驱动模块的数量分别为3的倍数，所述驱动模块中包括2个或3个驱动铁心。
根据上述技术方案，优选地，所述上侧永磁体组和下侧永磁体组分别包括多个永磁体。
根据上述技术方案，优选地，所述永磁体为凸形阶梯状结构。
根据上述技术方案，优选地，每个所述永磁体有多个条形永磁体组成，每个所述永磁体包括3个条形永磁体，其中位于中间位置的条形永磁体高度高于两侧的条形永磁体。
根据上述技术方案，优选地，还包括电机基座，所述初级组件安装在电机基座的中部，所述次级组件与电机基座滑动连接，所述电机基座两侧相对固接有两个基座挡板，电机基座靠近基座挡板位置安装有防撞块。
本发明的有益效果是：
本发明通过双边型模块化短初极的结构，可实现根据装备空间调整模块数量，提高装备空间利用率，根据不同的驱动模块结构和驱动模块的布局可以抑制推力波动和初级、次级之间的磁拉力同时实现磁路平衡，也可实现单相到多相电机的自由组合，同时双边相对应的绕组可以在电机工作时实现电机的悬浮或者发电，广泛应用在精密传送、精密制造等领域，具有较好的应用推广价值。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明的主视结构爆炸图。
图3是本发明上侧驱动定子部分的立体结构示意图。
图4是本发明驱动模块部分的组合结构立体图。
图5是本发明永磁体部分的立体结构示意图。
图6是当驱动模块中包括2个驱动铁心时，本发明的主视结构示意图。
图7是当驱动模块中包括3个驱动铁心时，本发明的主视结构示意图。
图8是不进行驱动模块组合的单边定子电机结构下的推力波动和磁拉力结果。
图9是进行驱动模块组合的单边电机结构下的推力波动和磁拉力结果。
图10是单个驱动模块电机结构下的推力波动和磁拉力结果。
图11是双边驱动模块电机结构下的推力波动和磁拉力结果。
图中：1、电机基座；2、基座挡板；3、防撞块；4、直线轴承；5、固定盖板；6、固定竖板；7、初级组件；7a、上侧驱动定子；7b、下侧驱动定子；7c、驱动模块；7d、驱动铁心；7e、铁心绕组；7f、长支架；7g、短支架；8、次级组件；8a、上侧永磁体组；8a-1、永磁体；8b、次级支架；8c、上侧背板；8d、下侧背板；8e、下侧背板固定架；8f、下侧永磁体组。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。基于发明中的实施例，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，都属于发明保护的范围。
在发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
实施例1:如图所示，本发明包括次级组件8以及分别设于次级组件8上下两侧的初级组件7，所述次级组件8包括上侧永磁体组8a和下侧永磁体组8f，所述初级组件7包括与上侧永磁体组8a相对设置的上侧驱动定子7a以及与下侧永磁体组8f相对设置的下侧驱动定子7b，所述上侧驱动定子7a和下侧驱动定子7b分别包括多个驱动模块7c，所述驱动模块7c包括至少两个驱动铁心7d以及绕制于驱动铁心7d上的铁心绕组7e，其中上侧驱动定子7a可由具有不同驱动铁心7d的驱动模块7c组成，也可由具有相同驱动铁心7d驱动模块7c组成，下侧驱动定子7b的驱动铁心7d数量与上侧驱动定子7a的驱动铁心7d数量相同，单个驱动模块7c的驱动铁心7d数量可以不同。
根据上述实施例，优选地，所述上侧驱动定子7a与下侧驱动定子7b中驱动模块7c的数量分别为3的倍数，优选的模块数量为3的倍数的偶数，所述驱动模块7c中包括2个或3个驱动铁心7d。本例中优选使用3个驱动铁心7d组成驱动模块7c，其中上侧驱动定子7a和下侧驱动定子7b分别包括6个驱动模块7c，各驱动模块7c之间的间距为(K+1/2)倍的极距，其中K为正整数，本例中各驱动模块7c之间的间距为1.5倍极距，单个驱动铁心7d的宽度为极距的整数倍，本例中单个驱动铁心7d的宽度为2倍的极距。
基于上述排列的方式进行仿真实验，图8-11显示了不进行驱动模块7c组合的单边定子电机结构、进行驱动模块7c组合的单边电机结构、单个驱动模块7c电机结构(即上侧驱动定子7a或下侧驱动定子7b中仅设置1组驱动模块7c)、双边驱动模块7c电机结构(上述优选排列方式)下的推力波动和磁拉力结果，结果显示：不进行驱动模块7c组合的单边定子电机结构推力波动峰峰值1060.7454N·m，磁拉力峰峰值1068N·m，磁拉力平均值-5894.1N·m；进行驱动模块7c组合的单边电机结构推力波动峰峰值109.4884N·m，磁拉力峰峰值134.6N·m，磁拉力平均值-5951.2N·m；单个驱动模块7c电机结构推力波动峰峰值137.7978N·m，磁拉力峰峰值149.4N·m，磁拉力平均值-2558.2N·m；双边驱动模块7c电机结构推力波动峰峰值51.8643N·m，磁拉力峰峰值207.9717N·m，磁拉力平均值-1.4246N·m。综上所述，采用了模块化驱动双边定子结构比不采用模块化结构组合单边电机结构，推力波动降低95％左右，磁拉力峰峰值降低80％左右，磁拉力平均值降低99.97％。
实施例2:如图所示，本发明包括次级组件8以及分别设于次级组件8上下两侧的初级组件7，所述次级组件8包括上侧永磁体组8a和下侧永磁体组8f，所述初级组件7包括与上侧永磁体组8a相对设置的上侧驱动定子7a以及与下侧永磁体组8f相对设置的下侧驱动定子7b，所述上侧驱动定子7a和下侧驱动定子7b分别包括多个驱动模块7c，所述驱动模块7c包括至少两个驱动铁心7d以及绕制于驱动铁心7d上的铁心绕组7e，其中上侧驱动定子7a与下侧驱动定子7b的驱动铁心7d的数量相同。
根据上述实施例，优选地，所述上侧永磁体组8a和下侧永磁体组8f分别包括多个永磁体8a-1。各永磁体8a-1依次排列形成上侧永磁体组8a和下侧永磁体组8f，本例中上侧永磁体组8a安装在上侧背板8c上，上侧背板8c固定在次级支架8b上，下侧永磁体组8f安装在下侧背板8d上，下侧背板8d通过下侧背板固定架8e固定安装在次级支架8b上。
如图5所示，每个永磁体8a-1的结构可为如下三种结构：其一，所述永磁体为凸形阶梯状结构，本例中永磁体为阶梯形状，中间的阶梯高度最高，两侧的阶梯高度对称相等，通过调整阶梯的数量，宽度和高度，可以对永磁体产生的磁场的谐波进行调控，从而实现永磁体产生的气隙磁密波形谐波畸变率最小；其二，每个所述永磁体有多个条形永磁体组成，本例中通过改变单极(N极或者S极)永磁体的个数以及宽度可以对永磁体产生的磁场的谐波进行调控，从而实现永磁体产生的气隙磁密波形谐波畸变率最小；其三，每个所述永磁体包括3个条形永磁体，其中位于中间位置的条形永磁体高度高于两侧的条形永磁体，本例中通过改变永磁体个数和高度可以永磁体产生的磁场的谐波进行调控，从而实现永磁体产生的气隙磁密波形谐波畸变率最小。
实施例3:如图所示，本发明还包括电机基座1，所述初级组件7安装在电机基座1的中部，所述次级组件8与电机基座1滑动连接，所述电机基座1两侧相对固接有两个基座挡板2，电机基座1靠近基座挡板2位置安装有防撞块3。其中电机基座1中部安装有两个相对设置的固定竖板6，两固定竖板6上部之间固接有固定盖板5，本例中驱动模块7c通过长支架7f和短支架7g组成形成上侧驱动定子7a或下侧驱动定子7b，同时上侧驱动定子7a安装在盖板上，下侧驱动定子7b相对安装在电机基座1表面，次级组件8通过直线轴承4与电机基座1滑动连接。
与纵向磁通电机相比，本发明的横向磁通电机能够实现电磁负荷解耦，因此具备如下功能：当驱动模块(两边驱动模块数量相等)单边(上侧驱动定子或下侧驱动定子)大于2时，其中两侧的模块可以实现次级悬浮，一个或多个模块可以驱动次级组件直线运动，一个或多个模块可以实现发电功能；当驱动模块(两边驱动模块数量相等)单边(上侧驱动定子或下侧驱动定子)大于2时，其中两侧的模块可以实现次级悬浮，剩下模块可以驱动次级组件直线运动。因此本发明的横向磁通直线电机能够通过模块的自由组合实现次级组件直线运动、电机悬浮、电机发电功能或者实现次级组件直线运动、电机悬浮、电机发电三种功能的自由组合。
本发明中双边型模块化短初极结构可以抑制推力波动和初级、次级之间的磁拉力同时实现磁路平衡的技术原理如下：模块化的定子结构有利于抑制端部效应产生的推力波动，通过改变模块的位置可以消除端部效应力，通过改变模块的组合方式可以调控推力波动的谐波谐波越小推力波动越容易抑制，通过双边能够改变布局消除定位力。因此，与纵向磁通电机相比，此电机初级组件中的定子结构削弱了端部效应，通过合理布局能够进一步消除端部效应，降低推力波动。
本发明通过双边型模块化短初极的结构，可实现根据装备空间调整模块数量提高装备空间利用率，根据不同的驱动模块结构和驱动模块的布局可以抑制推力波动和初级、次级之间的磁拉力同时实现磁路平衡，也可实现单相到多相电机的自由组合，同时双边相对应的绕组可以在电机工作时实现电机的悬浮或者发电，广泛应用在精密传送、精密制造等领域，具有较好的应用推广价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机，其特征在于，包括次级组件以及分别设于次级组件上下两侧的初级组件，所述次级组件包括上侧永磁体组和下侧永磁体组，所述初级组件包括与上侧永磁体组相对设置的上侧驱动定子以及与下侧永磁体组相对设置的下侧驱动定子，所述上侧驱动定子和下侧驱动定子分别包括多个驱动模块，所述驱动模块包括至少两个驱动铁心以及绕制于驱动铁心上的铁心绕组。
2.根据权利要求1所述一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机，其特征在于，所述上侧驱动定子与下侧驱动定子的驱动铁心的数量相同。
3.根据权利要求1所述一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机，其特征在于，所述上侧驱动定子与下侧驱动定子中驱动模块的数量分别为3的倍数。
4.根据权利要求1或3所述一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机，其特征在于，所述驱动模块中包括2个或3个驱动铁心。
5.根据权利要求1所述一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机，其特征在于，所述上侧永磁体组和下侧永磁体组分别包括多个永磁体。
6.根据权利要求5所述一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机，其特征在于，所述永磁体为凸形阶梯状结构。
7.根据权利要求5所述一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机，其特征在于，每个所述永磁体有多个条形永磁体组成。
8.根据权利要求7所述一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机，其特征在于，每个所述永磁体包括3个条形永磁体，其中位于中间位置的条形永磁体高度高于两侧的条形永磁体。
9.根据权利要求1所述一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机，其特征在于，还包括电机基座，所述初级组件安装在电机基座的中部，所述次级组件与电机基座滑动连接。
10.根据权利要求9所述一种双边型模块化短初极永磁横向磁通直线电机，其特征在于，所述电机基座两侧相对固接有两个基座挡板，电机基座靠近基座挡板位置安装有防撞块。
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