CN219576834U - 初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构。所述直线电机包括定子、动子和气隙，所述定子包括沿指定方向间隔排列的多段初级定子单元，所述动子包括次级背铁和结合于次级背铁上的多个永磁体，所述气隙分布在动子和定子之间，所述指定方向为动子的直线运动方向；所述推力优化结构包括两个次级辅助齿，两个次级辅助齿分别设置于次级背铁的两端，并沿指定方向延伸。本实用新型通过在次级背铁的两端各设置一个次级辅助齿，利用次级辅助齿的端部效应，至少抵消一部分初级定子单元间隔所产生的端部效应，从而有效抑制了动子在定子段间切换时的定位力，进而显著降低了该直线电机在通电负载时的推力波动。

Description

初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构

技术领域

本实用新型涉及一种动磁式直线电机，特别涉及一种初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构，属于直线电机技术领域。

背景技术

近年来，随着制造技术向精密化、智能化和柔性化发展，工厂生产线以及物流运输行业对于自动化程度要求逐步提高，传统输送系统通常采用旋转电机加链条、皮带等机械部件实现直线传动，难以保证效率和控制精度，由于永磁直线电机具有高推力密度、高速度、高精度和高效率等显著优点，能够较好地满足自动化传输系统的要求。永磁直线电机通常初级为动子部分，电缆供电驱动在铺满磁钢的定子上做双向运行，但由于电缆的限制无法适应长行程的运输。

为解决直线电机系统在长行程运输中的电缆拖线问题，通常将次级永磁体部分设置为动子，即采用动磁式永磁同步直线电机。在长行程工况条件下直线电机通常为长初级短次级型，应用中需要将初级分段并采用分段供电的驱动方式，初级分段布置在于提高效率、节约电能并减小对电源容量的要求。长初级短次级型直线电机通常分为绕组分段铁芯连续型、初级分段连续型和初级分段不连续型。初级分段不连续型直线电机相比于初级分段不连续或绕组分段铁芯连续的直线电机的散热性能以及驱控性能要更加有优势，而且为驱动控制元件留有了安装空间；从电机整体成本出发，初级分段不连续型动磁式直线电机相较于连续型电机可以最多节省一半的初级铁芯绕组，并且对永磁体的用量极少。初级分段不连续型直线电机在长行程物流运输线和工厂生产线的应用前景十分广阔，但这类电机还存在着本体结构自身的不足：每两段初级存在间隔，动子在每两段初级间运行切换时存在很大的端部效应，驱动时电机推力波动过大，导致运行不稳定、抖动和噪声过大。

发明内容

本实用新型的主要目的在于提供一种初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型的一个方面提供了一种初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构，所述直线电机包括定子、动子以及气隙，所述定子包括沿指定方向间隔排列的多段初级定子单元，所述动子包括次级背铁和结合于次级背铁上的多个永磁体，所述气隙分布在动子和定子之间，所述指定方向为动子的直线运动方向；其中，所述推力优化结构包括两个次级辅助齿，两个所述次级辅助齿分别设置于次级背铁的两端，并沿指定方向延伸。

在一个实施例中，所述次级辅助齿的宽度设置为所述动子中的永磁体极对距。

在一个实施例中，所述次级辅助齿的高度为所述次级背铁的高度与所述永磁体的高度之和。

在一个实施例中，所述初级定子单元的长度K＝K0+2e，相邻初级定子单元的间距J＝K0-2e，其中K0为每段初级定子单元在所述直线电机的初级与次级耦合时的实际有效电磁长度。

在一个实施例中，任意两个相邻初级定子单元的间距相等。

在一个实施例中，所述动子的长度为每段初级定子单元的长度与相邻初级定子单元的间距之和。

在一个实施例中，所述动子的长度为次级背铁的长度与两个次级辅助齿的宽度之和，所述次级背铁的长度为所述动子在所述直线电机的初级与次级耦合时的实际有效电磁长度。

在一个实施例中，所述动子中的多个永磁体为沿指定方向NS级交替排布。

在一个实施例中，所述直线电机还包括滑板和直线导轨，所述动子安装在所述滑板上，所述滑板与直线导轨滑动或滚动配合，并能沿直线导轨往复移动。

在一个实施例中，所述直线电机还包括位置检测装置和/或位移检测装置，所述位置检测装置用于监测动子的位置，所述位移检测装置包括光栅尺和限位固定底座，所述光栅尺安置在滑板上，所述限位固定底座固定于直线导轨一侧。

在一个实施例中，所述直线电机的初级与次级之间的极槽配合方式包括4级3槽。

本实用新型的另一方面提供了一种初级分段不连续型动磁式直线电机的结构优化方法，所述直线电机包括定子和动子，所述定子包括沿指定方向间隔排列的多段初级定子单元，所述动子包括次级背铁和结合于次级背铁上的多个永磁体，所述指定方向为动子的直线运动方向；所述优化方法包括：在所述次级背铁的两端各设置一个次级辅助齿，并使所述次级辅助齿沿指定方向延伸。

在一个实施例中，所述次级辅助齿的宽度设置为所述动子中的永磁体极对距，高度设置为所述次级背铁的高度与所述永磁体的高度之和。

在一个实施例中，所述初级定子单元的长度K＝K0+2e，相邻初级定子单元的间距J＝K0-2e，其中K0为每段初级定子单元在所述直线电机的初级与次级耦合时的实际有效电磁长度。

在一个实施例中，任意两个相邻初级定子单元的间距相等。

在一个实施例中，所述动子的长度为每段初级定子单元的长度与相邻初级定子单元的间距之和。

本实用新型的又一个方面提供了一种初级分段不连续型动磁式直线电机，其具有所述的推力优化结构。

相较于现有技术，本实用新型通过在初级分段不连续型动磁式直线电机的次级动子的次级背铁的两端各设置一个次级辅助齿，实现了对该种直线电机的结构优化，其中利用次级辅助齿的端部效应，至少抵消了一部分初级定子单元间隔所产生的端部效应，从而有效抑制了动子在定子段间切换时的定位力，进而显著降低了该种直线电机在通电负载时的推力波动。

附图说明

图1是本实用新型一实施例中一种初级分段不连续型动磁式直线电机的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例中一种结构优化后直线电机的初级及次级的结构示意图；

图3是本实用新型一实施例中一种次级辅助齿的结构示意图；

图4是本实用新型一实施例中一种直线电机的初级与次级电磁耦合有效的结构示意图；

图5是本实用新型一实施例中一种结构优化前后直线电机空载的定位力对比图；

图6是本实用新型一实施例中一种结构优化前后直线电机负载时电磁力对比图；

附图标记说明：1-滑板、2-初级定子单元、3-霍尔元件、4-缓冲阻尼器、5-防撞块、6-端板、7-极限位块、8-直线导轨、9-光栅尺、10-底座、11-限位固定底座。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步说明本实用新型的技术方案，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。

本实用新型的一个实施例提供了一种对初级分段不连续型动磁式直线电机的次级结构进行优化的方案，以抑制电机在运行中的推力波动，提升电机的运行性能。

请参阅图1，该初级分段不连续型动磁式直线电机包括定子和动子，该定子和动子分别作为电机的初级和次级。优选的，定子与动子之间存在气隙，且沿定子及动子的长度方向，气隙的宽度保持不变。

请参阅图1及图2，该定子主要由若干初级定子单元2间隔排列构成，即，电机的初级具有分段式不连续型结构。定子中的若干段初级定子单元间隔距离相同且排布在直线电机的底座10上。图2中A+、A-、B+、B-等分别代表初级线圈绕组中各相线圈在齿槽中通入电流的方向。

请参阅图1-图3，该动子主要由次级背铁和固定在次级背铁上的若干永磁体组成。这些永磁体可以均匀分布在次级背铁上，并优选采用NS级交替排布。该优化方案主要是，在次级背铁的两端分别设置两个次级辅助齿，各次级辅助齿均沿次级背铁的长度方向，也即是动子的运动方向延伸。利用次级辅助齿的端部效应，可以抵消一部分初级定子单元间隔所产生的端部效应，从而抑制动子在定子段间切换时的定位力。

其中，次级辅助齿可以是通过机械连接、焊接等方式与次级背铁连接，也可以是与次级背铁一体设置，优选为后者。次级辅助齿的形状可以有多种，例如矩形等。

图2中e为一段初级定子单元的边端齿宽度，W为初级定子单元两槽间的槽距，L为动子的长度，D为次级辅助齿的宽度，L0为所述直线电机的初级与次级耦合时的实际有效电磁长度，L＝2D+L0。

请继续参阅图3-图4，该动子中，次级辅助齿的宽度D设置为永磁体极对距2τ。次级辅助齿的高度H为次级背铁的高度h1与永磁体的高度h2之和。次级辅助齿所采用的这些尺寸是通过尺寸参数多目标优化后得出的最优解，其可以使电机的电磁特性得到更显著的优化，对于电机运行时的推力波动、噪声振动等抑制效果最显著。动子在直线电机的初级与次级相耦合时实际有效的电磁长度为L0，即次级背铁的长度。

进一步的，请参阅图2-图4，若定义定子中每段初级定子单元在电机的初级与次级耦合时的实际有效电磁耦合长度为K0。则相邻初级定子单元间的距离J与初级定子单元长度K的关系为：J＝K0-2e、K＝K0+2e。以及，每段初级定子单元的长度K与相邻初级定子单元的间隔J之和等于动子的长度L。采用此类动子、定子间长度尺寸关系可使电机的初级与次级耦合时的实际有效电磁耦合长度不变，从而在段间切换时不影响动定子间的电磁特性，尽管在结构上初级分段不连续，但在电机运行时所呈现的电磁特性可近似为定子连续。

进一步的，请再次参阅图1，该实施例的直线电机还可以包括滑板1和直线导轨8等。动子安装在滑板上，滑板与直线导轨滑动或滚动配合，并能沿直线导轨往复移动。示例性的，动子固定于滑板底部的凹槽内(图中未示出)，滑板与两侧的直线导轨通过滑轮(图中未示出)相连从而次级动子可沿直线导轨进行往返移动。

由于动子设置为自身没有位置传感装置的永磁体，其速度控制与位置检测量相关，且速度较快，因此出于安全考虑在定子的两端设置防撞设施，其主要由设置于定子两端的缓冲阻尼器4、防撞块5和极限位块7等组成。缓冲阻尼器4可以采用电磁阻尼。定子两端附近还均设置有端板6。缓冲阻尼器4和防撞块5均与极限位块7连接，极限位块7设置在缓冲阻尼器4及防撞块5与端板6之间。

进一步的，该直线电机还可以包括位置检测装置和/或位移检测装置，位置检测装置用于监测动子的位置，位移检测装置用于监测动子的位移情况。

示例性的，可以在每段初级定子单元两端各放置一个霍尔元件3用作动子的位置检测装置。霍尔元件3可以通过登高块固定在底座10上。该直线电机的总长度可以柔性化，与初级定子单元2和霍尔元件3的数量相关。

并且，该实施例中不仅可以通过霍尔元件3来进行动子的位置检测，还可以利用安装在滑板底部靠近直线导轨一侧的光栅尺9及限位固定底座11来辅助检测动子的位置量，从而更好地对于动子进行移动时的位置控制，使得其到达定子两端时的速度降低，不与端板6发生剧烈碰撞。

该实施例的一个直线电机产品的极槽配置为4极3槽。定子中每一段初级定子单元2存在两组线圈完整的三相电枢绕组固定于铁芯上。动子中次级背铁上均匀排布着16块永磁体磁钢，次级背铁两端各一体设置一矩形次级辅助齿。在结构优化前后，该直线电机产品于空载时的定位力测试结果如图5所示，负载时电磁力测试结果如图6所示。对比该直线电机产品在结构优化前后的有限元数据可知，通过在次级背铁两端添加矩形次级辅助齿的结构优化设计，可使电机在空载时定位力由优化前的102N降低到25.6N，电机系统在负载时通入额定电流使得推力波动由优化前的38.9％抑制到7.4％，从而显著提升了电机的运行性能，降低设置消除电机运行不稳定、抖动和噪声过大等问题。同时，由于次级辅助齿的添加产生初次级间更好的聚磁效应，使得平均推力由279N增加到308N，在通入相同电流的工况下提高了推力，提升了电机效率。图5和图6中的横坐标为动子的位移量xx，纵坐标为在不同位移时动子受到的定位力或电磁力F。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构，所述直线电机包括定子、动子和气隙，所述定子包括沿指定方向间隔排列的多段初级定子单元，所述动子包括次级背铁和结合于次级背铁上的多个永磁体，所述气隙分布在动子和定子之间，所述指定方向为动子的直线运动方向；其特征在于：所述推力优化结构包括两个次级辅助齿，两个所述次级辅助齿分别设置于次级背铁的两端，并沿指定方向延伸。

2.根据权利要求1所述的初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构，其特征在于：所述次级辅助齿的宽度设置为所述动子中的永磁体极对距；和/或，所述次级辅助齿的高度为所述次级背铁的高度与所述永磁体的高度之和。

3.根据权利要求1所述的初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构，其特征在于：所述初级定子单元的长度K＝K0+2e，相邻初级定子单元的间距J＝K0-2e，其中K0为每段初级定子单元在所述直线电机的初级与次级耦合时的实际有效电磁长度，e为一段初级定子单元的边端齿宽度。

4.根据权利要求1所述的初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构，其特征在于：任意两个相邻初级定子单元的间距相等。

5.根据权利要求1所述的初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构，其特征在于：所述动子的长度为每段初级定子单元的长度与相邻初级定子单元的间距之和。

6.根据权利要求1所述的初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构，其特征在于：所述动子的长度为次级背铁的长度与两个次级辅助齿的宽度之和，所述次级背铁的长度为所述动子在所述直线电机的初级与次级耦合时的实际有效电磁长度。

7.根据权利要求1所述的初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构，其特征在于：所述动子中的多个永磁体为沿指定方向NS级交替排布。

8.根据权利要求1所述的初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构，其特征在于：所述直线电机还包括滑板和直线导轨，所述动子安装在所述滑板上，所述滑板与直线导轨滑动或滚动配合，并能沿直线导轨往复移动。

9.根据权利要求8所述的初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构，其特征在于：所述直线电机还包括位置检测装置和/或位移检测装置，所述位置检测装置用于监测动子的位置，所述位移检测装置包括光栅尺和限位固定底座，所述光栅尺安置在滑板上，所述限位固定底座固定于直线导轨一侧。

10.根据权利要求1所述的初级分段不连续型动磁式直线电机的推力优化结构，其特征在于：所述直线电机的初级与次级之间的极槽配合方式包括4级3槽。