CN201956875U - 梯形线圈型永磁无铁直线电机 - Google Patents

梯形线圈型永磁无铁直线电机 Download PDF

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Abstract

梯形线圈型永磁无铁直线电机包括定子基体、定子绕组、动子基体、海尔贝克永磁阵列。动子位于定子正上方并留有气隙，在定子基体上缠绕有定子绕组，定子绕组由梯形线圈互连构成，梯形线圈是两条元件边截面均为梯形的线圈，在动子基体下表面安装海尔贝克永磁阵列，定子基体和动子基体由铝合金材料制成。采用梯形线圈替代现有海尔贝克永磁无铁直线电机的薄层线圈后，可以大幅降低采用薄层线圈时电机产生的5次、9次脉动力，进而提高了电机的出力平滑性，在半导体加工产业等超高精度伺服领域中具有广阔的应用前景。

Description

梯形线圈型永磁无铁直线电机
技术领域
本实用新型是一种可以应用于高精度伺服领域的永磁无铁直线电机，特别涉及一种采用梯形线圈的永磁无铁直线电机。
背景技术
直线电机直接驱动不存在传动机构的齿隙、不确定的滚珠运动、粉尘、润滑等影响定位精度的难题，不存在传动机构的附加质量，响应更快。和旋转电机类似，直线电机主要分为变磁阻型、永磁同步型、感应型3大类，其中永磁同步型在结构设计和控制精度等方面具有明显优势。本发明涉及的永磁无铁直线电机指的是具有以下特点的永磁同步型直线电机：永磁阵列无背铁，绕组芯采用非铁磁材料制成。永磁无铁直线电机虽然出力密度比有铁电机要低，但完全消除了永磁体对定子铁芯的磁吸力和齿槽力，从而进一步提高了高精度定位能力，其定位精度和重复定位精度可达到亚微米级，甚至纳米级，在半导体加工产业等超高精度伺服领域中具有广阔的应用前景。
根据麦克斯韦应力张量法可知：在无铁直线电机中，只有当永磁阵列和绕组磁场的第n次谐波分量都存在时，力的n次谐波分量才存在，且力的该次分量的幅值与磁场的该次分量的幅值成正比。可知，如果想要消除高次脉动力，则应该尽可能消除永磁阵列和绕组产生的磁场的高次谐波分量。
海尔贝克永磁阵列的磁场呈现单边性，可在没有背铁的情况下产生较大的磁场，而且其强侧的磁场具有优良的正弦性能，只含有基波、5次、9次等谐波分量，以上特点使得海尔贝克永磁阵列被广泛应用于无铁直线电机领域。现有的海尔贝克永磁无铁直线电机多采用薄层线圈构成的绕组，薄层线圈元件边的截面为矩形(在旋转电机中，元件边指的是线圈安放在槽中的部分；在无铁直线电机中，元件边指的是线圈产生有效电磁力的部分)，具有容易使用模具加工和安装简单的特点，这种线圈产生的磁场包含基波、5次、9次等谐波分量。综上所述，如果采用海尔贝克永磁阵列和薄层线圈结构，则该无铁直线电机含有5次、9次等脉动力分量。
发明内容
技术问题：本实用新型提供一种采用梯形线圈和海尔贝克永磁阵列的无铁直线电机，该直线电机具有高次脉动力极小的特点。
技术方案：本实用新型的梯形线圈型永磁无铁直线电机包括定子基体、定子绕组、动子基体、海尔贝克永磁阵列。动子位于定子正上方并留有气隙，在定子基体上缠绕有定子绕组，定子绕组由梯形线圈互连构成，梯形线圈是两条元件边的截面均为梯形的线圈，在动子基体下表面安装海尔贝克永磁阵列，定子基体和动子基体由铝合金材料制成。
所述的定子基体在一个周期内从左至右分别由第一线圈芯、第二线圈芯、第三线圈芯、第四线圈芯组成；定子绕组在一个周期内由第一梯形线圈～第八梯形线圈构成，其中，第一梯形线圈套装在第一线圈芯的上下两侧，第二梯形线圈套装在第二线圈芯的左右两侧，第三梯形线圈套装在第三线圈芯的上下两侧，第四梯形线圈套装在第四线圈芯的左右两侧，第五梯形线圈套装在第一线圈芯的左右两侧，第六梯形线圈套装在第二线圈芯的上下两侧，第七梯形线圈套装在第三线圈芯的左右两侧，第八梯形线圈套装在第四线圈芯的上下两侧；第一梯形线圈、第二梯形线圈、第三梯形线圈、第四梯形线圈互连构成A相定子绕组，其中第一梯形线圈的上侧元件边与第二梯形线圈的右侧元件边互连，第二梯形线圈的左侧元件边与第三梯形线圈的上侧元件边互连，第三梯形线圈的下侧元件边与第四梯形线圈的左侧元件边互连，第四梯形线圈的右侧元件边与下一周期的第一梯形线圈的下侧元件边互连；第五梯形线圈、第六梯形线圈、第七梯形线圈、第八梯形线圈互连构成B相定子绕组，其中第五梯形线圈的右侧元件边与第六梯形线圈的下侧元件边互连，第六梯形线圈的上侧元件边与第七梯形线圈的右侧元件边互连，第七梯形线圈的左侧元件边与第八梯形线圈的上侧元件边互连，第八梯形线圈的下侧元件边与下一周期的第五梯形线圈的左侧元件边互连。A相定子绕组所通电流相位超前B相定子绕组所通电流90度，用于形成定子行波磁场。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
根据麦克斯韦应力张量法可知：在无铁直线电机中，只有当永磁阵列和绕组磁场的第n次谐波分量都存在时，力的n次谐波分量才存在，且力的该次分量的幅值与磁场的该次分量的幅值成正比。可知，如果想要消除高次脉动力，则应该尽可能消除永磁阵列和绕组产生的磁场的高次谐波分量。现有的海尔贝克永磁无铁直线电机多采用薄层线圈构成的绕组，其中，海尔贝克永磁阵列的强侧磁场含有基波、5次、9次等谐波分量，薄层线圈元件边的截面为矩形，这种线圈产生的磁场包含基波、5次、9次等谐波分量。可见，如果无铁直线电机采用海尔贝克永磁阵列和薄层线圈结构，则该电机含有5次、9次等脉动力分量。
本实用新型的由梯形线圈构成的绕组结构被提出并应用于海尔贝克无铁直线电机。分析和仿真表明，梯形线圈型绕组产生的磁场正弦性极好，高次谐波几乎可以完全忽略，进而可以大幅降低采用薄层线圈所产生的5次、9次脉动力。本实用新型在半导体加工产业等超高精度伺服领域中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本实用新型的结构简图
图2是现有的海尔贝克永磁无铁直线电机采用的薄层线圈型绕组结构，其中，图2a是2相薄层线圈型绕组结构，图2b是3相薄层线圈型绕组结构。
图3是本实用新型的定子绕组的结构示意图。
图4是本实用新型的梯形线圈拓扑结构和绕组磁场基波比例的关系图。
图5是本实用新型的磁场谐波分析结果，其中，图5a是海尔贝克永磁阵列的磁场谐波分析结果，图5b是梯形线圈型2相绕组的磁场谐波分析结果，图5c是体积与梯形线圈型绕组相同的薄层线圈型2相绕组的磁场谐波分析结果，图5d是体积与梯形线圈型绕组相同的薄层线圈型3相绕组的磁场谐波分析结果。
附图中的主要标号有：定子基体1、定子绕组2、动子基体3、海尔贝克永磁阵列4、第一线圈芯11～第四线圈芯14、第一梯形线圈21～第八梯形线圈28、直线电机一个周期的长度L，半线圈芯长度hc，绕组层厚度为Hc。
  1   定子基体   11～14   第一线圈芯～第四线圈芯
  2   定子绕组   21～28   第一梯形线圈～第八梯形线圈
  3   动子基体   4   海尔贝克永磁阵列
  L   直线电机一个周期的长度   Hc   绕组层厚度
  hc   半线圈芯长度
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做详细说明。
参见图1，一种梯形线圈型永磁无铁直线电机，该电机包括定子基体1、定子绕组2、动子基体3、海尔贝克永磁阵列4。动子位于定子正上方并留有气隙，在定子基体1上缠绕有定子绕组2，定子绕组2由梯形线圈互连构成，梯形线圈是两条元件边的截面均为梯形的线圈，在动子基体3下表面安装海尔贝克永磁阵列4，定子基体1和动子基体3由铝合金材料制成。海尔贝克永磁阵列4中的“箭头”代表永磁体磁化方向；定子绕组2中的“点”符号代表电流方向为正x轴方向，“叉”符号代表电流方向为负x轴方向。
另外，电机的边端效应可以通过以下措施来减小：将永磁阵列的深度(图1的x轴方向)尺寸设计得比绕组电流层的深度尺寸小，并在x轴方向上将永磁阵列放置在绕组电流层的正中央；通过将产生边端效应的线圈切除(即y轴方向上位于永磁阵列边缘的线圈不通电流)。涉及边端效应的研究文献包括《Magnetically levitated planar actuator with moving magnets：Electromechanical analysis and design》。
参见图2，现有的海尔贝克永磁无铁直线电机多采用薄层线圈构成的绕组，薄层线圈元件边的截面为矩形，其中，A和A′是用于构成A相绕组的薄层线圈的两条元件边，B和B′是用于构成B相绕组的薄层线圈的两条元件边，C和C′是用于构成C相绕组的薄层线圈的两条元件边。薄型线圈具有容易使用模具加工和安装简单的特点。涉及薄层线圈的研究文献包括《Comparison of Two Types of PM Linear Synchronous Servo and Miniature Motor With Air-Cored Film Coil》和《Analytical Force Calculations for High-Precision Planar Actuator With Halbach Magnet Array》。
参见图3，本发明的定子基体1在一个周期内从左至右分别由第一线圈芯11、第二线圈芯12、第三线圈芯13、第四线圈芯14组成；定子绕组2在一个周期内由第一梯形线圈21～第八梯形线圈28构成，其中，第一梯形线圈21套装在第一线圈芯11的上下两侧，第二梯形线圈22套装在第二线圈芯12的左右两侧，第三梯形线圈23套装在第三线圈芯13的上下两侧，第四梯形线圈24套装在第四线圈芯14的左右两侧，第五梯形线圈25套装在第一线圈芯11的左右两侧，第六梯形线圈26套装在第二线圈芯12的上下两侧，第七梯形线圈27套装在第三线圈芯13的左右两侧，第八梯形线圈28套装在第四线圈芯14的上下两侧；第一梯形线圈21、第二梯形线圈22、第三梯形线圈23、第四梯形线圈24互连构成A相定子绕组，其中第一梯形线圈21的上侧元件边与第二梯形线圈22的右侧元件边互连，第二梯形线圈22的左侧元件边与第三梯形线圈23的上侧元件边互连，第三梯形线圈23的下侧元件边与第四梯形线圈24的左侧元件边互连，第四梯形线圈24的右侧元件边与下一周期的第一梯形线圈21的下侧元件边互连；第五梯形线圈25、第六梯形线圈26、第七梯形线圈27、第八梯形线圈28互连构成B相定子绕组，其中第五梯形线圈25的右侧元件边与第六梯形线圈26的下侧元件边互连，第六梯形线圈26的上侧元件边与第七梯形线圈27的右侧元件边互连，第七梯形线圈27的左侧元件边与第八梯形线圈28的上侧元件边互连，第八梯形线圈28的下侧元件边与下一周期的第五梯形线圈25的左侧元件边互连。A相定子绕组所通电流相位超前B相定子绕组所通电流90度，用于形成定子行波磁场。
参见图4，本发明的梯形线圈型绕组可以产生正弦性极好的气隙磁场，高次谐波几乎可以完全忽略，进而可以大幅降低采用薄层线圈所产生的5次、9次脉动力。举例来说，当梯形线圈长底边长度等于0.25倍直线电机一对磁极的长度L(即直线电机一个周期的长度)，绕组层厚度Hc接近0.25倍直线电机一对磁极长度L，半线圈芯长度hc接近0的时候，基波比例高达99.9％。采用电磁场专业仿真软件Ansys建模并获取计算结果，再用专业数学工具Matlab对计算结果进行谐波分析，最后得到图4所示的分析结果。
参见图5，一种梯形线圈型永磁无铁直线电机，海尔贝克永磁阵列的强侧磁场含有基波、5次、9次等谐波分量，薄层线圈型2相绕组产生的磁场包含基波、3次、5次、7次、9次等谐波分量，薄层线圈型3相绕组产生的磁场包括基波、5次、7次、11次等谐波分量。根据麦克斯韦应力张量法和图5的分析结果可知，采用梯形线圈替代现有海尔贝克永磁无铁直线电机的薄层线圈后，可以大幅降低采用薄层线圈时电机产生的5次、9次脉动力，进而提高电机的高精度定位能力。
计算所用样机的主要参数包括：直线电机一个周期的长度L＝25.4mm、永磁体高度＝6.35mm、永磁体深度＝91mm、永磁体剩磁＝1.3T、相对磁导率＝1、线圈最大电流密度＝1.5×106A×m-2、绕组层厚度Hc＝6.35mm、半线圈芯长度hc＝0mm。采用电磁场专业仿真软件Ansys建模并获取计算结果，再用专业数学工具Matlab对计算结果进行谐波分析，最后得到图5所示的磁场谐波分析结果。
另外，从图5可以看出，梯形线圈型绕组产生的基波磁场只有相同体积的薄层线圈型绕组的50％左右，根据麦克斯韦应力张量法可知，梯形线圈型电机的电磁力的基波分量也只有相同体积的薄层线圈型电机的50％左右，也就是说，梯形线圈型直线电机特别适用于对力能密度要求不高，但对力的平滑性要求很高的一些高精度伺服领域，例如半导体加工产业等。

Claims (2)

1.一种梯形线圈型永磁无铁直线电机，其特征在于该电机包括定子基体（1）、定子绕组（2）、动子基体（3）、海尔贝克永磁阵列（4）；动子位于定子正上方并留有气隙，在定子基体（1）上缠绕有定子绕组（2），定子绕组（2）由多个梯形线圈互连构成，梯形线圈是两条元件边的截面均为梯形的线圈，在动子基体（3）下表面安装海尔贝克永磁阵列（4），定子基体（1）和动子基体（3）由铝合金材料制成。
2.根据权利要求1所述的梯形线圈型永磁无铁直线电机，其特征在于所述的定子基体（1）在一个周期内从左至右分别由第一线圈芯（11）、第二线圈芯（12）、第三线圈芯（13）、第四线圈芯（14）组成；定子绕组（2）在一个周期内由第一梯形线圈（21）～第八梯形线圈（28）构成，其中，第一梯形线圈（21）套装在第一线圈芯（11）的上下两侧，第二梯形线圈（22）套装在第二线圈芯（12）的左右两侧，第三梯形线圈（23）套装在第三线圈芯（13）的上下两侧，第四梯形线圈（24）套装在第四线圈芯（14）的左右两侧，第五梯形线圈（25）套装在第一线圈芯（11）的左右两侧，第六梯形线圈（26）套装在第二线圈芯（12）的上下两侧，第七梯形线圈（27）套装在第三线圈芯（13）的左右两侧，第八梯形线圈（28）套装在第四线圈芯（14）的上下两侧；第一梯形线圈（21）、第二梯形线圈（22）、第三梯形线圈（23）、第四梯形线圈（24）互连构成A相定子绕组，即第一梯形线圈（21）的上侧元件边与第二梯形线圈（22）的右侧元件边互连，第二梯形线圈（22）的左侧元件边与第三梯形线圈（23）的上侧元件边互连，第三梯形线圈（23）的下侧元件边与第四梯形线圈（24）的左侧元件边互连，第四梯形线圈（24）的右侧元件边与下一周期的第一梯形线圈（21）的下侧元件边互连；第五梯形线圈（25）、第六梯形线圈（26）、第七梯形线圈（27）、第八梯形线圈（28）互连构成B相定子绕组，其中第五梯形线圈（25）的右侧元件边与第六梯形线圈（26）的下侧元件边互连，第六梯形线圈（26）的上侧元件边与第七梯形线圈（27）的右侧元件边互连，第七梯形线圈（27）的左侧元件边与第八梯形线圈（28）的上侧元件边互连，第八梯形线圈（28）的下侧元件边与下一周期的第五梯形线圈（25）的左侧元件边互连。
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