CN115622302B - 动子可自供电的多动子永磁直线电机及其协同控制方法 - Google Patents

动子可自供电的多动子永磁直线电机及其协同控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动子可自供电的多动子永磁直线电机及其模块化分段协同控制方法。包括多个动子模块和定子模块，定子模块固定，动子模块相对定子模块直线运动；动子铁芯一侧开设有多个开口齿槽并间隔布置，位于动子铁芯左右两个端部处的齿上绕制有自供电绕组，剩余齿的齿槽布置有动子永磁体；定子铁芯一侧开设有多个半闭口齿槽并间隔布置，定子铁芯每间隔一个齿有凹槽，定子永磁体布置在凹槽内；同一定子模块的电枢绕组串联后经和上位机通信连接。本发明可同时利用两种励磁源，可有效提高电机的推力密度，动子模块的自供电绕组可以感应出电动势，实现长行程下动子模块的无线缆供电。定子模块可实现模块化分段供电，节省系统能耗。

Description

动子可自供电的多动子永磁直线电机及其协同控制方法
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控制方法，具体涉及一种动子可自供电的多动子永磁直线电机及其模块化分段协同控制方法。
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。
在长行程柔性输送系统领域，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永磁体的成本，因而通常采用长初级、短次级结构，即包含电枢绕组的长初级作为定子在整个行程范围内铺设，而包含永磁体的短次级作为动子进行直线运动。这种方式可以大幅降低永磁体的用量进而降低成本，但是由于动子仅包含永磁体无法进行供电，动子所能使用的应用场景较为有限。如专利CN108631540B、CN109217622B和CN113746298B所提出的结构，动子均无法供电。
在长行程柔性输送系统领域，另一种降低成本的办法是将永磁体和电枢均集中在初级一侧作为短动子，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；2、磁通反向型永磁直线电机：如专利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。上述两种类型的初级励磁型永磁直线电机的动子均需要利用线缆对电枢供电，在长行程下线缆供电较为复杂，且初级励磁型永磁直线电机的推力密度不如传统永磁直线电机。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提出了动子可自供电的多动子永磁直线电机及其模块化分段协同控制方法，通过构造动定子双励磁源共同励磁及设置动子自供电绕组，可以实现动子的无线缆供电。与此同时，通过合理选择动子极数，可均衡利用双励磁源下的基波磁动势和谐波磁动势，有效提高电机的推力密度。此外，定子模块可实现模块化分段供电，在保证各动子模块独立运动的同时节省系统能耗。
本发明的技术方案如下：
一、一种动子可自供电的多动子永磁直线电机：
包括动子模块和定子模块，动子模块和定子模块平行间隔布置，定子模块保持固定，动子模块相对于定子模块沿运动方向可直线运动；
所述动子模块包括动子铁芯，动子铁芯在朝向定子模块的一侧沿运动方向间隔开设有多个齿，相邻齿之间形成开口齿槽；
所述定子模块包括定子铁芯和电枢绕组，定子铁芯在朝向动子模块的一侧沿运动方向间隔开设有多个齿，相邻齿之间形成半闭口齿槽，定子永磁体的齿上均绕制有电枢绕组；
包括多个定子模块和多个动子模块，多个所述定子模块沿着运动方向沿同一直线方向拼接布置；
所述动子模块还包括动子永磁体和自供电绕组，动子铁芯上除了左右两个端部所在的齿槽以外的剩余齿槽内设置有动子永磁体，且动子永磁体和齿槽的内端面紧贴布置，位于动子铁芯左右两个端部处的齿上绕制有自供电绕组；
所述定子模块还包括定子永磁体，定子铁芯每间隔一个齿的齿端面上开设有一个凹槽，凹槽内设置定子永磁体；
同一个所述定子模块上的所有电枢绕组串联后和数字化驱动单元电连接，不同所述定子模块的电枢绕组分别和数字化驱动单元独立地连接，数字化驱动单元和上位机通信连接。
所述的动子铁芯和定子铁芯均由硅钢片层叠构成且为整体冲片式齿槽结构，硅钢片沿垂直于运动方向且垂直于动子铁芯和定子铁芯的齿方向叠压而成。
所述的动子永磁体和定子永磁体均采用矩形结构且两者充磁方向相同，充磁方向均垂直于运动方向，其中动子永磁体的几何中心线位于动子铁芯的齿槽的几何中心线，定子永磁体的几何中心线位于定子铁芯的齿的几何中心线。
位于定子模块上的定子永磁体的数目是定子铁芯齿槽数的一半。
所述的动子模块上的动子铁芯的齿数设置为(kNph+2Nph+3)±1，动子永磁体的个数设置为(kNph+2Nph)±1，其中kNph表示定子铁芯的齿槽数，k表示齿槽数系数，Nph为永磁直线电机的相数。
位于动子模块上的自供电绕组外接同位于定子模块上的单相不控整流电路模块的输入端，自供电绕组的输出端和动子模块连接，单相不控整流电路模块将自供电绕组感应的交流电整流成直流电进行存储并为动子模块进行供电。
二、多动子永磁直线电机的协同控制方法，方法包括以下步骤：
步骤1：根据动子模块的数量N，在数字化驱动单元内设置N个三相全桥功率驱动模块，三相全桥功率驱动模块按控制方式有序电连接到定子模块，用于驱动动子模块的运动；
步骤2：利用位置传感器模块标定所有N个动子模块的两个边端在全运动行程范围内的空间绝对位置[PM1A，PM1B，PM2A，PM2B，…，PMNA，PMNB]以及所有K个定子模块的两个边端的空间绝对位置[PS1α，PS1β，PS2α，PS2β，…，PSKα，PSKβ]；
其中A、B分别表示动子模块沿着运动方向依次的两个边端，即沿着运动方向第一个边端标记为A，第二个边端标记为B，PM1A表示第一个动子模块沿运动方向第一个边端，PM1B表示第一个动子模块沿运动方向第二个边端；同理α、β分别表示定子模块沿着运动方向依次的两个边端，即沿着运动方向第一个边端标记为α，第二个边端标记为β，PS1α表示第一个定子模块沿运动方向第一个边端，PS1β表示第一个定子模块沿运动方向第二个边端；
步骤3：利用通讯模块将实时的动子模块和定子模块的空间绝对位置传送至上位机，上位机根据第i个动子模块与第j个定子模块的空间位置关系决定定子模块的开通与关断。
所述步骤3具体为：根据第i个动子模块的空间绝对位置[PMiA，PMiB]，当第i个动子模块沿运动方向第一个边端PMiA进入第j个定子模块的空间绝对位置[PSjα，PSjβ]之内时，数字化驱动单元保持第j-1个定子模块三相绕组的电枢绕组导通状态不变，且同时将第j个定子模块三相绕组的电枢绕组导通，同时将第j-2个定子模块三相绕组的电枢绕组关断，剩余定子模块均保持关断状态。
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谐波磁动势，通过合理选择动子极数，可均衡利用基波磁动势和谐波磁动势，有效提高电机的推力密度。
(2)本发明采用动定子双励磁源及动子自供电绕组结构，自供电绕组可从定子励磁源有效感应出反电动势，进而实现动子的无线缆供电，有效扩大了动子的应用场景。
(3)本发明采用模块化分段供电，在保证各动子模块独立运动的同时节省系统能耗。
附图说明
图1是动子可自供电的多动子永磁直线电机整体结构示意图；
图2是动子模块结构示意图；
图3是定子模块结构示意图；
图4是定子铁芯结构图；
图5是动子铁芯结构图；
图6是铁芯与永磁体安装示意图；
图7是自供电绕组感应电动势示意图；
图8是单相桥式不控整流电路；
图9是定子模块三相绕组接线图；
图10是三相全桥功率驱动模块；
图11是定子模块分段控制示意图；
图12是双励磁源和动子单励磁源下电机平均推力的对比图。
图中：动子模块(1)、动子铁芯(11)、动子永磁体(12)、自供电绕组(13)；定子模块(2)、定子铁芯(21)、定子永磁体(22)、电枢绕组(23)。
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，具体实施的电机包括动子模块1和定子模块2，动子模块1和定子模块2均呈条状、沿运动方向布置，动子模块1和定子模块2平行间隔布置，具体地动子模块1安装于定子模块2之上并留有气隙，定子模块2保持固定，动子模块1相对于定子模块2沿运动方向可直线运动；
如图2所示，动子模块1包括动子铁芯11、动子永磁体12和自供电绕组13，动子铁芯11在朝向定子模块2的一侧面沿运动方向间隔开设有多个齿，相邻齿之间形成开口齿槽，也即多个开口齿槽并沿运动方向间隔布置；动子铁芯11上除了左右两个端部所在的齿槽以外的剩余齿槽内均设置有动子永磁体12，且动子永磁体12和齿槽的内端面紧贴布置，仅位于动子铁芯11左右两个端部处的齿上绕制有自供电绕组13；
如图3所示，定子模块2包括定子铁芯21和电枢绕组23、定子永磁体22，定子铁芯21在朝向动子模块1的一侧面沿运动方向间隔开设有多个齿，相邻齿之间形成半闭口齿槽，也即开设有多个半闭口齿槽并沿运动方向间隔布置，定子永磁体22的齿上均绕制有电枢绕组23，绕组结构为单层集中绕组结构；定子铁芯21在齿部每间隔一个齿的齿端面上开设有一个凹槽，凹槽内设置定子永磁体22，定子永磁体22紧贴布置在凹槽内。
具体实施包括多个定子模块2和多个动子模块1，多个定子模块2根据运动行程沿着运动方向沿同一直线方向拼接布置，多个动子模块1在拼接布置后的多个定子模块2的同一侧旁沿同一直线移动。
同一个定子模块2上的所有电枢绕组23串联后和数字化驱动单元电连接，不同定子模块2的电枢绕组23分别和数字化驱动单元独立地连接，由数字化驱动单元控制每个定子模块2的电枢绕组23的导通，进而控制工作，数字化驱动单元和上位机通信连接。
动子铁芯11和定子铁芯21均由硅钢片层叠构成且为整体冲片式齿槽结构，硅钢片沿垂直于运动方向且垂直于动子铁芯11和定子铁芯21的齿方向叠压而成。
动子永磁体12和定子永磁体22均采用矩形结构且两者充磁方向相同，充磁方向均垂直于运动方向，其中动子永磁体12的几何中心线位于各自所在动子铁芯11的齿槽的几何中心线，定子永磁体22的几何中心线位于各自所在定子铁芯21的齿的几何中心线。
位于定子模块2上的定子永磁体22的数目是定子铁芯21齿槽数的一半。
动子模块1上的动子铁芯11的齿数设置为(kNph+2Nph+3)±1，动子永磁体12的个数设置为(kNph+2Nph)±1，其中kNph表示定子铁芯21的齿槽数，k表示齿槽数系数，Nph为永磁直线电机的相数。
位于动子模块1上的自供电绕组13外接同位于动子模块1上的单相不控整流电路模块的输入端，自供电绕组13的输出端和动子模块1的用电设备连接，单相不控整流电路模块将自供电绕组13感应的交流电整流成直流电进行存储并为动子模块1上的用电设备供电。
本发明的永磁直线电机下设置了单边动定子配合结构，且在此基础上在定子每间隔一齿的齿端面上设置定子永磁体形成双永磁体结构，以及在动子的两端额外设置可自供电的绕组结构，能够巧妙实现动子的无线缆供电，有效提高电机的推力密度。
具体实施以三相定子铁芯槽数Np＝12为例，图1所示为本实施例的动子可自供电的多动子永磁直线电机整体结构示意图。该电机包括多个动子模块1和多个定子模块2，动子模块1利用直线导轨安装在两个定子模块2之上并留有一定的气隙，通常气隙大小在0.8～1.5mm之间。动子模块1沿着直线导轨运动，在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。定子模块2的个数可根据运动行程的需要进行增减。
定子铁芯21在气隙侧开有Np＝12个半闭口槽，由于直线电机边端效应的影响，定子铁芯21的齿数比槽数多1，位于两个边端处的齿为半齿结构。与此同时，定子铁芯21在齿部表面每间隔一个齿开设有一个小槽，用于安装定子永磁体22。因此，定子永磁体的个数为定子铁芯槽数的一半，即Npm＝6。单层集中绕组绕制在含有定子永磁体的定子齿上，绕组的数量也为6个。图4所示为本实施例的定子铁芯结构图，定子铁芯由硅钢片构成且为整体冲片式齿槽结构，其沿垂直于运动方向且垂直于定子铁芯21的齿方向叠压而成，可用激光焊等方式在叠压方向进行少量焊接加固，保证铁芯结构可靠性。
动子铁芯11在气隙侧开有开口槽，当定子铁芯的槽数Np＝12时，动子铁芯11的齿数设置为(kNph+2Nph+3)±1，动子永磁体12的个数设置为(kNph+2Nph)±1，其中kNph表示定子铁芯21的槽数，k表示槽数系数，Nph为永磁直线电机的相数。在本实施例中，动子铁芯的齿数为20个，动子永磁体的个数为17个，因此动子极数Ns＝17。自供电绕组有两个，分别绕制在动子铁芯靠近左右边端的两个铁芯齿上。图5所示为本实施例的动子铁芯结构图，动子铁芯由硅钢片构成且为整体冲片式齿槽结构，其沿垂直于运动方向且垂直于动子铁芯的齿方向叠压而成，可用激光焊等方式在叠压方向进行少量焊接加固，保证铁芯结构可靠性。
图6所示为本实施例的铁芯与永磁体安装示意图，动子永磁体12和定子永磁体22均采用矩形结构且两者充磁方向相同，充磁方向均垂直于运动方向，其中动子永磁体12的几何中心线对准动子铁芯11的槽的几何中心线，定子永磁体22的几何中心线对准定子铁芯21的齿的几何中心线。
图7所示为本实施例的自供电绕组感应电动势示意图，随着动子模块1的运动，定子永磁体22所产生的励磁磁场会在动子铁芯11处发生交变，因而可以在自供电绕组上感应出反电动势。由图7可知，自供电绕组上感应电动势的电周期约为电枢绕组电周期的2.5倍，同时感应电动势的幅值与有效值动子模块1运动的速度相关，速度越高，感应电动势的幅值与有效值越大。图8所示为本实施例的单相桥式不控整流电路，自供电绕组通过连接该不控整流电路模块，可将感应出的交流电转换为直流电，进而可利用锂电池等储能模块进行储能，为动子模块上的位置传感器、通讯模块等供电，实现动子模块的无线缆供电。
图9所示为本实施例的定子模块三相绕组接线图，根据磁场调制原理，绕组极对数Pa＝|Ns-Np|＝5，因此当采用单层集中绕组时共有6个线圈，相邻线圈的电角度相差60度。
本发明模块化分段协同控制方法具体实施过程包括以下步骤：
步骤1：根据动子模块的数量N，在数字化驱动单元内设置N个三相全桥功率驱动模块，三相全桥功率驱动模块如图10所示，其中功率器件采用IGBT。
步骤2：利用位置传感器模块标定N个动子模块边端在全行程范围内的空间绝对位置[PM1A，PM1B，PM2A，PM2B，…，PMNA，PMNB]，其中沿着运动方向第一个边端标记为A，第二个边端标记为B，以及K个定子模块边端的空间绝对位置[PS1α，PS1β，PS2α，PS2β，…，PSKα，PSKβ]；
步骤3：利用通讯模块将实时的动子模块位置信号传送至上位机，上位机根据第i个动子与第j个定子的空间位置关系决定定子模块的开通与关断，具体如下：第i个动子空间绝对位置[PMiA，PMiB]，当PMiA进入第j个定子模块的空间位置[PSjα，PSjβ]时，数字化驱动单元保持第j-1个定子模块三相绕组导通状态不变，立即将第j个定子模块三相绕组导通，同时将第j-2个定子模块三相绕组关断，如图11所示
图12所示为本实施例双励磁源和动子单励磁源下电机平均推力的对比图，由图可知，通过在定子铁芯上增加一定数量的定子永磁体，在相同体积下可以提高约50％的推力。由此可以看出，本发明所提出的双励磁源能够有效提高电机的推力密度。
由此实施可见，本发明可同时利用两种励磁源，可有效提高电机的推力密度，动子模块的自供电绕组可以感应出电动势，实现长行程下动子模块的无线缆供电。定子模块可实现模块化分段供电，节省系统能耗。
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 (7)

1.一种动子可自供电的多动子永磁直线电机的协同控制方法，其特征在于：
所述的多动子永磁直线电机包括动子模块（1）和定子模块（2），动子模块（1）和定子模块（2）平行间隔布置，定子模块（2）保持固定，动子模块（1）相对于定子模块（2）沿运动方向可直线运动；
所述动子模块（1）包括动子铁芯（11），动子铁芯（11）在朝向定子模块（2）的一侧沿运动方向间隔开设有多个齿，相邻齿之间形成开口齿槽；
所述定子模块（2）包括定子铁芯（21）和电枢绕组（23），定子铁芯（21）在朝向动子模块（1）的一侧沿运动方向间隔开设有多个齿，相邻齿之间形成半闭口齿槽，定子永磁体（22）的齿上均绕制有电枢绕组（23）；
包括多个定子模块（2）和多个动子模块（1），多个所述定子模块（2）沿着运动方向沿同一直线方向拼接布置；
所述动子模块（1）还包括动子永磁体（12）和自供电绕组（13），动子铁芯（11）上除了左右两个端部所在的齿槽以外的剩余齿槽内设置有动子永磁体（12），且动子永磁体（12）和齿槽的内端面紧贴布置，位于动子铁芯（11）左右两个端部处的齿上绕制有自供电绕组（13）；
所述定子模块（2）还包括定子永磁体（22），定子铁芯（21）每间隔一个齿的齿端面上开设有一个凹槽，凹槽内设置定子永磁体（22）；
同一个所述定子模块（2）上的所有电枢绕组（23）串联后和数字化驱动单元电连接，不同所述定子模块（2）的电枢绕组（23）分别和数字化驱动单元独立地连接，数字化驱动单元和上位机通信连接；
方法包括以下步骤：
步骤1：根据动子模块（1）的数量N，在数字化驱动单元内设置N个三相全桥功率驱动模块，三相全桥功率驱动模块按控制方式有序电连接到定子模块（2）；
步骤2：利用位置传感器模块标定所有N个动子模块（1）的两个边端在全运动行程范围内的空间绝对位置[PM1A，PM1B，PM2A，PM2B，… ，PMNA，PMNB]以及所有K个定子模块（2）的两个边端的空间绝对位置[PS1α，PS1β，PS2α，PS2β，… ，PSKα，PSKβ]；
其中A、B分别表示动子模块（1）沿着运动方向依次的两个边端，PM1A表示第一个动子模块（1）沿运动方向第一个边端，PM1B表示第一个动子模块（1）沿运动方向第二个边端；α、β分别表示定子模块（2）沿着运动方向依次的两个边端，PS1α表示第一个定子模块（2）沿运动方向第一个边端，PS1β表示第一个定子模块（2）沿运动方向第二个边端；
步骤3：利用通讯模块将实时的动子模块（1）和定子模块（2）的空间绝对位置传送至上位机，上位机根据第i个动子模块（1）与第j个定子模块（2）的空间位置关系决定定子模块（2）的开通与关断。
2.根据权利要求1所述的多动子永磁直线电机的协同控制方法，其特征在于：所述步骤3具体为：当第i个动子模块（1）沿运动方向第一个边端PMiA进入第j个定子模块的空间绝对位置[PSjα，PSjβ]之内时，数字化驱动单元保持第j-1个定子模块（2）的电枢绕组（23）导通状态不变，且同时将第j个定子模块（2）的电枢绕组（23）导通，同时将第j-2个定子模块（2）的电枢绕组（23）关断，剩余定子模块（2）均保持关断状态。
3.根据权利要求1所述的多动子永磁直线电机的协同控制方法，其特征在于：
所述的动子铁芯（11）和定子铁芯（21）均由硅钢片层叠构成且为整体冲片式齿槽结构，硅钢片沿垂直于运动方向且垂直于动子铁芯（11）和定子铁芯（21）的齿方向叠压而成。
4.根据权利要求1所述的多动子永磁直线电机的协同控制方法，其特征在于：
所述的动子永磁体（12）和定子永磁体（22）均采用矩形结构且两者充磁方向相同，充磁方向均垂直于运动方向，其中动子永磁体（12）的几何中心线位于动子铁芯（11）的齿槽的几何中心线，定子永磁体（22）的几何中心线位于定子铁芯（21）的齿的几何中心线。
5.根据权利要求1所述的多动子永磁直线电机的协同控制方法，其特征在于：
位于定子模块（2）上的定子永磁体（22）的数目是定子铁芯（21）齿槽数的一半。
6.根据权利要求1所述的多动子永磁直线电机的协同控制方法，其特征在于：
所述的动子模块（1）上的动子铁芯（11）的齿数设置为(kN ph+2N ph+3)±1，动子永磁体（12）的个数设置为(kN ph+2N ph)±1，其中kN ph表示定子铁芯（21）的齿槽数，k表示齿槽数系数， N ph为永磁直线电机的相数。
7.根据权利要求1所述的多动子永磁直线电机的协同控制方法，其特征在于：
位于动子模块（1）上的自供电绕组（13）外接单相不控整流电路模块的输入端，自供电绕组（13）的输出端和动子模块（1）连接，单相不控整流电路模块将自供电绕组（13）感应的交流电整流成直流电进行存储并为动子模块（1）进行供电。
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