CN115967309A - 一种基于独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机 - Google Patents
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Abstract
一种基于独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机，明涉及一种直线电机，为了解决现有的直线电机推力波动率较大的问题。本发明采用的绕组形式为独立绕组；独立绕组电机采用集中绕组的形式，并且将所有线圈的进出端均引出，每个线圈连接一个单独的驱动器，这种电机本体结构形式实现每一个线圈的独立控制，摆脱了传统三相的通电逻辑，对同一极槽配合的电机，采用多相控制，多相直线电机中不同相中通入不同的电流，并且通入的电流采用独立的方式进行控制。本发明的有益效果为明显的降低了推力波动以及推力波动率，解决了直线电机推力波动率较大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种直线电机。
背景技术
直线电机由于简化了传统旋转电机加滚珠丝杠的机械传动结构，而在半导体精密加工领域广泛应用；有齿槽型永磁直线同步电机推力密度大、绕组发热量低、结构简单而受到广泛关注；但相比于旋转电机，直线电机的初级单元和次级单元均为有限长，永磁体阵列在运行方向上两端与空气相连，端部的气隙磁场发生畸变，产生纵向端部效应；此外，与旋转电机类似，有齿槽型永磁直线同步电机气隙磁场分布会在铁芯开槽处发生变化，即所谓的齿槽效应；通常，这种由端部效应与齿槽效应带来磁路磁阻变化的推力波动，称之为定位力或磁阻力，定位力的存在降低了直线电机的动态性能和定位精度，是直线电机本体设计的优化目标；此外，在工业生产需要电机具有一定的容错功能，多相电机在驱动控制方面更加复杂但具有良好的容错性能；为了降低永磁同步直线电机的定位力，常采用极槽数相近的极槽配合，但传统的三相直线电机极槽配合有限，对电机性能的提升也到达了极限；同时，三相电机容错也更加困难，因此，现有的直线电机推力波动率较大问题仍未解决。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的直线电机推力波动率较大的问题，提出了一种基于独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机。
本发明所述的一种基于独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机，该直线电机为m极n槽的多相电机，其中，m，n为互质的整数；所述m极n槽的多相电机的不同相中通入不同的电流，并且通入的电流采用独立的方式进行控制；其中，不同相中通入的电流为：
Ih＝Ah sin(ωt+θh)
其中，Ih表示不同相h通入的电流；ω为电流角速度，t为通入电流的时间，且
其中，τ为直线电机的极距，v表示直线电机的运行速度；θh为不同相h电流的相位；Ah表示不同相h通入电流的幅值；
相邻相之间的相位差为：
其中，Δθ为相邻相之间通入电流的相位差。
进一步的，m＝6，n＝5，所有相电流的表达式；
其中，θ0表示直线电机次级单元所在初始相位角。
进一步的，所述m极n槽的多相电机采用的绕组形式为独立绕组。
进一步的，所述独立绕组采用集中绕组的形式，并且将所有绕组的进出端均引出，每个绕组连接一个单独的驱动器。
进一步的，该直线电机的初级单元和次级单元的长度相一致，即：
mτ＝nτs
其中，τs为直线电机的槽距。
进一步的，在m极n槽的多相电机中，m为偶数。
进一步的，对于体积一定的直线电机，极槽配合为：
m＝n±1。
进一步的，在m极n槽的多相电机中，不同相之间的绕组数为任意个数。
进一步的，Ah与多相电机输出推力的有效值有关。
本发明的有益效果为：对于不同极槽配合的直线电机分别采用传统三相驱动和本发明提出的多相驱动方式，采用单位面积输出推力的方式衡量电机的推力密度；采用6极5槽直线电机多相驱动的独立绕组电机输出的单位面积推力为0.35838N/mm2，采用4极3槽直线电机传统三相驱动的电机输出的单位面积推力为0.32075N/mm2，推力密度增加了11.7％。此外，推力波动也从7.315N降低到了6.310N，推力波动率从8.61％降低到了3.93％，因此本发明所述的直线电机明显的降低了推力波动以及推力波动率，解决了直线电机推力波动率较大的问题。
附图说明
图1为具体实施方式一中4极5槽独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机；
图2为具体实施方式一中不同极槽配合电机输出推力对照图；
图3为具体实施方式一中采用本发明的电机结构以及传统三相驱动的直线电机结构相同极槽配合的电机输出推力对照图；
图4为具体实施方式一中6极5槽独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机；
图5为具体实施方式一中6极7槽独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机；
图6为具体实施方式一中8极7槽独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机；
图7为具体实施方式一中6极5槽双边型独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机；
图8为具体实施方式一中8极7槽独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机。
具体实施方式
结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机该直线电机为m极n槽的多相电机，其中，m，n为互质的整数；所述m极n槽的多相电机的不同相中通入不同的电流，并且通入的电流采用独立的方式进行控制；其中，不同相中通入的电流为：
Ih＝Ah sin(ωt+θh)
其中，Ih表示不同相h通入的电流；ω为电流角速度，t为通入电流的时间，且
其中，τ为直线电机的极距，v表示直线电机的运行速度；θh为不同相h电流的相位；Ah表示不同相h通入电流的幅值。
在本实施方式中，该直线电机，将电机的极槽配合数进一步扩展，该结构将增加电机的推力密度并降低电机推力波动；
相邻相之间的相位差为：
其中，Δθ为相邻相之间通入电流的相位差。
优选实施例中，m＝6，n＝5，所有相电流的表达式；
其中，θ0表示直线电机次级单元所在初始相位角。
在本实施方式中，所有相的电流是根据直线电机的初始位置确定任意一相的反电势相位。
优选实施例中，所述m极n槽的多相电机采用的绕组形式为独立绕组。
优选实施例中，所述独立绕组采用集中绕组的形式，并且将所有绕组的进出端均引出，每个绕组连接一个单独的驱动器。
优选实施例中，该直线电机的初级单元和次级单元的长度相一致，即：
mτ＝nτs
其中，τs为直线电机的槽距。
优选实施例中，在m极n槽的多相电机中，m为偶数。
优选实施例中，对于体积一定的直线电机，极槽配合为：
m＝n±1。
优选实施例中，在m极n槽的多相电机中，不同相之间的绕组数为任意个数。
优选实施例中，Ah与多相电机输出推力的有效值有关。
在本实施方式中，传统的三相电机m，n的取值存在限制，m必须为偶数，n必须为3的倍数，例如广泛应用的2极3槽直线电机、4极3槽直线电机、8极9槽直线电机极槽配合；传统的三相电机采用Y型或三角型连接。
本实施方式所述的同步直线电机，所采用的绕组形式为独立绕组；独立绕组电机采用集中绕组的形式，并且将所有线圈的进出端均引出，每个线圈连接一个单独的驱动器，这种电机本体结构形式实现每一个线圈的独立控制，摆脱传统三相的通电逻辑，通入不同线圈内的电流没有耦合；本实施方式所涉及的多相电机就是在该结构的基础上实现。
理论上本实施方式所述的直线电机能够实现任意极槽配合的组合形式，即任意相的多相直线电机形式，例如：6极5槽直线电机、4极5槽直线电机、8极7槽直线电机或12极11槽直线电机；对于本实施方式所述的多相电机m，n的约束条件为m为偶数即可；此外，对于体积一定的直线电机，极槽配合为m＝n±1的直线电机会有更小的推力波动，更大的推力密度；而且，采用独立绕组的直线电机，初级绕组的线圈数并非必须为三的倍数，初级绕组的线圈为任意个数，即不同相之间的线圈数可以不一致，如图1所示是一种采用了独立绕组结构的4极5槽直线电机五相直线电机；图中1、6、11、16以及21为A相；2、7、12、17以及22为B相；3、8、13以及18为C相；4、9、14以及19为D相；5、10、15以及20为E相；其中A相和B相含有5个线圈绕组，而其余C相、D相和E相仅含有4个线圈绕组，但直线电机的性能并没有降低。
在本实施方式中，图2展示了对于不同极槽配合的直线电机分别采用传统三相驱动的直线电机和本实施方式提出的多相驱动方式的直线电机，采用单位面积输出推力的方式衡量直线电机的推力密度；采用6极5槽直线电机多相驱动的独立绕组电机输出的单位面积推力为0.35838N/mm2,采用4极3槽直线电机传统三相驱动的电机输出的单位面积推力为0.32075N/mm2，推力密度增加了11.7％。此外，推力波动也从7.315N降低到了6.310N，推力波动率从8.61％降低到了3.93％。
在本实施方式中，对于传统极槽配合也可采用本发明的结构实现多相电机的驱动控制方式；例如传统电机的8极9槽直线电机通过三相驱动的方式：连续的9个线圈中依次通入A+、A-、A+、B+、B-、B+、C+、C-和C+的电流；通过本实施所述的直线电机，在连续的9个线圈中通入9个相位的电流实现9相控制，该9个相位的电流分别为：A、B、C、D、E、F、G、H和I；而且，对于同一极槽配合的电机，采用本实施方式所述直线电机的多相控制实现更高的推力密度和更低的推力波动如图3所示；在图3中展示了对于同一极槽配合8极9槽直线电机分别采用传统三相驱动和本实施方式提出的多相驱动方式，明显看出采用本实施方式所述的直线电机输出推力密度高于传统三相电机，输出推力平均值分别为295.76N和283.72N，推力密度提升了4.24％。此外推力波动也从11N降低到了9.56N，推力波动率从3.88％降低到了3.23％。
在图4中，1、6、11、16以及21为A相；2、7、12、17以及22为B相；3、8、13以及18为C相；4、9、14以及19为D相；5、10、15以及20为E相。
在图5中，1、8、15以及22为A相；2、9以及16为B相；3、10以及17为C相；4、11以及18为D相；5、12以及19为E相；6、13以及20为F相；7、14以及21为G相。
在图6中，1、8、15以及22为A相；2、9以及16为B相；3、10以及17为C相；4、11以及18为D相；5、12以及19为E相；6、13以及20为F相；7、14以及21为G相。
在图7中，1、6、11、16以及21为A相；2、7、12、17以及22为B相；3、8、13以及18为C相；4、9、14以及19为D相；5、10、15以及20为E相，同时且上下两边的初级单元以轴对称的方式设置。
在图8中，1以及8为A相；2以及9为B相；3以及7为C相；4为D相；5为E相；6为F相；7为G相。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机，其特征在于，该直线电机为m极n槽的多相电机，其中，m，n为互质的整数；所述m极n槽的多相电机的不同相中通入不同的电流，并且通入的电流采用独立的方式进行控制；其中，不同相中通入的电流为：
Ih＝Ahsin(ωt+θh)
其中，Ih表示不同相h通入的电流；ω为电流角速度，t为通入电流的时间，且
其中，τ为直线电机的极距，v表示直线电机的运行速度；θh为不同相h电流的相位；Ah表示不同相h通入电流的幅值；
相邻相之间的相位差为：
其中，Δθ为相邻相之间通入电流的相位差。
2.根据权利要求1所述的一种基于独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机，其特征在于，m＝6，n＝5，所有相电流的表达式；
其中，θ0表示直线电机次级单元所在初始相位角。
3.根据权利要求1所述的一种基于独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机，其特征在于，所述m极n槽的多相电机采用的绕组形式为独立绕组。
4.根据权利要求3所述的一种基于独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机，其特征在于，所述独立绕组采用集中绕组的形式，并且将所有绕组的进出端均引出，每个绕组连接一个单独的驱动器。
5.根据权利要求1所述的一种基于独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机，其特征在于，该直线电机的初级单元和次级单元的长度相一致，即：
mτ＝nτs
其中，τs为直线电机的槽距。
6.根据权利要求1所述的一种基于独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机，其特征在于，在m极n槽的多相电机中，m为偶数。
7.根据权利要求1所述的一种基于独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机，其特征在于，对于体积一定的直线电机，极槽配合为：
m＝n±1。
8.根据权利要求1所述的一种基于独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机，其特征在于，在m极n槽的多相电机中，不同相之间的绕组数为任意个数。
9.根据权利要求1所述的一种基于独立绕组结构的动磁式多相永磁同步直线电机，其特征在于，Ah与多相电机输出推力的有效值有关。
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