CN115995934B - 一种独立绕组多动子直线电机及其推力波动抑制方法 - Google Patents
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Abstract
一种独立绕组多动子直线电机及其推力波动抑制方法，涉及一种直线电机的推力波动抑制方法，为了解决直线电机推力波动大的问题。本发明中相邻的两个动子单元之间通过非金属连接件连接；相邻的两个动子单元之间的距离为：mτs+L；同时位于第一个动子单元正下方耦合的独立绕组采用的三相模式工作，而位于第x个动子单元正下方耦合的对应独立绕组通电相位在三相模式工作的基础上对应引入一个相位差；该相位差为：(x‑1)πL/3τ；其中，x＝2，3，…,m。有益效果为降低了直线电机的推力波动。
Description
技术领域
本发明涉及一种直线电机的推力波动抑制方法。
背景技术
在现代生产生活中，往复式伺服系统、工厂自动化、输送系统以及交通运输方面大多采用永磁同步直线电机或永磁直线伺服电机。永磁同步直线电机具有结构简单、高效节能等优点，但普遍存在端部效应，在一定程度上限制了它的发展和应用，其电磁推力一直以来都是学者们研究的重点。本文所研究的是一种动磁钢型永磁同步直线电机。动磁钢形电机具有比动电枢电机等大的推力密度。此外，动磁钢形直线电机因其动子没有额外的线缆，减少了线缆力对推力的影响，可以应用在更为精密的领域。但动磁钢形直线电机仍然存在端部效应、推力纹波等问题，本发明针对这些推力波动进行了削减。
发明内容
本发明的目的是为了解决直线电机推力波动大的问题，提出了一种独立绕组多动子直线电机及其推力波动抑制方法。
本发明所述的一种独立绕组多动子直线电机，该直线电机包括定子单元和m个动子单元；
定子单元包括初级铁轭以及独立绕组；动子单元包括次级铁轭以及永磁体；
所述独立绕组设置在初级铁轭的正上方；永磁体设置在次级铁轭的正下方；
相邻的两个动子单元之间通过非金属连接件连接；并且相邻的两个动子单元之间的距离为：mτs+L；其中，τs为相邻两个独立绕组之间的间距；m为大于1的正整数；L为待消除的推力谐波，并且L＝2τ/mn，n为直线电机推力谐波次数，τ为相邻两个永磁体之间的间距。
进一步的，所述非金属连接件采用玻璃纤维环氧树脂制成。
进一步的，所述多动子直线电机为8极6槽动磁钢形永磁同步直线电机，8极的直线电机包括两个4极的动子单元，相邻的两个动子单元之间通过非金属连接件连接，两个动子单元之间的距离为2τs+L，其中，L＝τ/n。
进一步的，所述多动子直线电机为三动子的动磁钢形直线电机，且同一个定子单元对应三个动子单元。
进一步的，所述多动子直线电机为有齿槽结构的8极6槽动磁钢形直线电机，且包括两个4极的动子单元。
进一步的，所述电机还包括驱动器，每个独立绕组采用独立的驱动器进行控制。
一种独立绕组多动子直线电机的推力波动抑制方法，该推力波动抑制方法为：位于第一个动子单元正下方耦合的独立绕组采用的三相模式工作，而位于第x个动子单元正下方耦合的对应独立绕组通电相位在三相模式工作的基础上对应引入一个相位差；该相位差为：(x-1)πL/3τ；其中，x＝2，3，…,m。
本发明的工作原理为：磁极阵列在气隙磁场中激发出正弦磁场，基波磁场周期为2τ，还有更高次谐波，这些磁场谐波与独立绕组耦合形成了电机推力纹波；此外，电机的端部效应也会引入电机推力波动。
所以现有的直线电机的推力波动的表达式表示为
式中，n代表电机推力谐波次数，ω代表电机供电的电角频率，Fn代表推力波动的第n次谐波幅值；
而本发明通过将多个动子模块的推力谐波引入一个相位差，达到输出总推力时谐波推力互相抵消的效果。
对于m个动子单元，相邻动子单元间的间距表示为L＝2τ/mn；第x个动子单元独立绕组的通电相位差为(x-1)πL/3τ。
本发明的有益效果为：该独立绕组多动子直线电机，通过对相邻的两个动子单元之间的设置，在保证了电机推力密度的同时，极大的改善了电机的动态性能，降低了直线电机的推力波动；电机的推力波动在未采用该抑制方法时的电机推力为6.47N，而采用本发明所述的推力波动抑制方法时的电机推力为3.64N。
附图说明
图1为具体实施方式一中8极6槽动磁钢形永磁同步直线电机采用独立绕组多动子直线电机的推力波动抑制方法后的电机结构示意图；
图2为现有的8极6槽动磁钢形永磁同步直线电机结构示意图；
图3为利用maxwell2D对同步直线电机进行优化前后的有限元仿真结果对比图；
图4为采用独立绕组多动子直线电机的推力波动抑制方法后的三动子动磁钢形直线电机结构示意图；
图5为采用独立绕组多动子直线电机的推力波动抑制方法后的双动子有齿槽结构的动磁钢形直线电机结构示意图；
图6为采用独立绕组多动子直线电机的推力波动抑制方法后的三动子有齿槽结构的动磁钢形直线电机结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述的一种独立绕组多动子直线电机，该直线电机包括定子单元和m个动子单元；
定子单元包括初级铁轭1以及独立绕组2；动子单元包括次级铁轭3以及永磁体4；
所述独立绕组2设置在初级铁轭1的正上方；永磁体4设置在次级铁轭3的正下方；
相邻的两个动子单元之间通过非金属连接件连接；并且相邻的两个动子单元之间的距离为：mτs+L；其中，τs为相邻两个独立绕组2之间的间距；m为大于1的正整数；L为待消除的推力谐波，并且L＝2τ/mn，n为直线电机推力谐波次数，τ为相邻两个永磁体4之间的间距。
优选实施例中，所述非金属连接件采用玻璃纤维环氧树脂制成。非金属连接件具有隔磁作用，非金属连接件如Fr4；非金属连接件使得相邻的两个动子单元彼此之间磁路断开，没有耦合。
优选实施例中，所述多动子直线电机为8极6槽动磁钢形永磁同步直线电机，8极的直线电机包括两个4极的动子单元，相邻的两个动子单元之间通过非金属连接件连接，两个动子单元之间的距离为2τs+L，其中，L＝τ/n。
优选实施例中，所述多动子直线电机为三动子的动磁钢形直线电机，且同一个定子单元对应三个动子单元。
优选实施例中，所述多动子直线电机为有齿槽结构的8极6槽动磁钢形直线电机，且包括两个4极的动子单元。
优选实施例中，所述电机还包括驱动器，每个独立绕组2采用独立的驱动器进行控制。
具体实施方式二、基于具体实施方式一所述的一种独立绕组多动子直线电机的推力波动抑制方法，该推力波动抑制方法为：位于第一个动子单元正下方耦合的独立绕组2采用的三相模式工作，而位于第x个动子单元正下方耦合的对应独立绕组2通电相位在三相模式工作的基础上对应引入一个相位差；该相位差为：(x-1)πL/3τ；其中，x＝2，3，…,m。
在本实施方式中，现有的8极6槽电机如图2所示，8个永磁体的磁极用一个铁轭连接，在磁路结构上是连续的；而本实施方式所提出的推力波动抑制方法，是将直线电机现有的单动子拆分成多个动子；如图1所示，为8极6槽动磁钢形永磁同步直线电机，将8极的电机分为两个4极的单元动子；此外，动子之间的通过隔磁材料连接，彼此之间磁路断开没有耦合；电机的极距代表相邻磁极之间的间距，用τ表示；电机的槽距代表相邻绕组之间的间距，用τs表示。本实施方式所提出的结构，两个动子之间的安装间距为mτs+L。L的选择与电机设计时所需要消除的推力谐波次数有关。如果要消除电机的n次推力谐波L＝τ/n。例如，本实施方式中要消除电机的6次推力谐波，则L＝τ/6。
此外，电机的驱动控制策略也有所不同，现有的分段直线电机各个单元的通电逻辑是相同的，相序也是相同的，而本实施方式提出的多动子分段直线电机各独立绕组之间的通电逻辑并不相同；本实施所使用的独立绕组结构每一个线圈绕组都独立控制，例如，在图1中，1+和1-代表一个线圈的两个直线边；位于第一个动子下方耦合的电枢绕组以正常的三相模式工作。以图1为例，图中3+和3-通入正弦电流I0sin(ωt+2π/3)，4+和4-通入I0sin(ωt-2π/3)，5+和5-通入I0sin(ωt)，以此递推6+和6-通入I0sin(ωt+2π/3)。而第二个动子单元所耦合的独立绕组通电逻辑与L有关；按照正常的三相电机通电逻辑，7+和7-应该通入I0sin(ωt-2π/3)，而本申请7+和7-通入I0sin(ωt-2π/3+Lπ/τ)；8+和8-通入I0sin(ωt+Lπ/τ)；即第二个动子单元耦合的电枢绕组通入的正弦电流应该加上相位Lπ/τ；其中，ω为电机供电的电角频率；I0为通入电流的幅值，t为时间。
在图4中，显示了一种三动子的动磁钢形直线电机，设计原理和两动子结构一致，但L的选择有所不同。采用三动子结构时L＝2τ/3n。第二个动子耦合的电枢绕组相位差为πL/3τ，第三个动子耦合的电枢绕组相位差为2πL/3τ。
对于图5图6为有齿槽结构的动磁钢形直线电机，对比无槽式结构，图5、6仅改变了铁芯的结构，采用了有齿槽结构，但是分段间的尺寸选择和设计方法与无槽结构一致。
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)
1.一种独立绕组多动子直线电机，该直线电机包括定子单元和m个动子单元；
定子单元包括初级铁轭(1)以及独立绕组(2)；动子单元包括次级铁轭(3)以及永磁体(4)；
所述独立绕组(2)设置在初级铁轭(1)的正上方；永磁体(4)设置在次级铁轭(3)的正下方；
其特征在于，相邻的两个动子单元之间通过非金属连接件连接；并且相邻的两个动子单元之间的距离为：mτs+L；其中，τs为相邻两个独立绕组(2)之间的间距；m为大于1的正整数；L为待消除的推力谐波，并且L＝2τ/mn，n为直线电机推力谐波次数，τ为相邻两个永磁体(4)之间的间距。
2.根据权利要求1所述的一种独立绕组多动子直线电机，其特征在于，所述非金属连接件采用玻璃纤维环氧树脂制成。
3.根据权利要求1所述的一种独立绕组多动子直线电机，其特征在于，所述多动子直线电机为8极6槽动磁钢形永磁同步直线电机，8极的直线电机包括两个4极的动子单元，相邻的两个动子单元之间通过非金属连接件连接，两个动子单元之间的距离为2τs+L，其中，L＝τ/n。
4.根据权利要求1所述的一种独立绕组多动子直线电机，其特征在于，所述多动子直线电机为三动子的动磁钢形直线电机，且同一个定子单元对应三个动子单元。
5.根据权利要求1所述的一种独立绕组多动子直线电机，其特征在于，所述多动子直线电机为有齿槽结构的8极6槽动磁钢形直线电机，且包括两个4极的动子单元。
6.根据权利要求1所述的一种独立绕组多动子直线电机，其特征在于，所述电机还包括驱动器，每个独立绕组(2)采用独立的驱动器进行控制。
7.基于权利要求6所述的一种独立绕组多动子直线电机的推力波动抑制方法，其特征在于，该推力波动抑制方法为：位于第一个动子单元正下方耦合的独立绕组(2)采用的三相模式工作，而位于第x个动子单元正下方耦合的对应独立绕组(2)通电相位在三相模式工作的基础上对应引入一个相位差；该相位差为：(x-1)πL/3τ；其中，x＝2，3，…,m。
8.一种计算机可读的存储设备，所述存储设备存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现如权利要求7所述的独立绕组多动子直线电机的推力波动抑制方法。
9.一种独立绕组多动子直线电机的推力波动抑制装置，包括存储设备、处理器以及存储在所述存储设备中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序实现如权利要求7所述的独立绕组多动子直线电机的推力波动抑制方法。
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