專利名稱：一種各相繞組線圈拆分布置的永磁同步直線電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及直線電機(jī)領(lǐng)域，具體涉及一種永磁同步直線電機(jī)。
背景技術(shù)：
永磁同步直線電機(jī)具有直接驅(qū)動帶來的傳動鏈短，結(jié)構(gòu)簡單、加減速響應(yīng)快、推力 密度大，定位精確等突出優(yōu)點(diǎn)，但存在推力波動大的明顯缺點(diǎn)，精密運(yùn)動控制時產(chǎn)生低速爬 行等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電機(jī)的運(yùn)動控制性能。推力波動成分主要包括邊端磁阻力、齒槽效應(yīng)力 和電磁推力脈動，其中邊端磁阻力是由于初級電樞鐵芯具有的長直、開斷的邊端，受到電磁 吸力拖曳而產(chǎn)生的隨運(yùn)動位置大幅變化的邊端力；同時鐵芯邊端又使得直線電機(jī)不具備旋 轉(zhuǎn)電機(jī)那樣的各相繞組封閉循環(huán)的特點(diǎn)，引起各相繞組參數(shù)的不對稱，產(chǎn)生較大幅度的電 磁推力脈動，進(jìn)一步影響了直線電機(jī)的控制特性。由于各推力波動成分的影響因素不同，現(xiàn) 有的各種降低推力波動方法中，大多針對各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而采取相應(yīng)的技術(shù)措施減弱某一 單項波動，均具有一定效果。對于邊端力的本質(zhì)，可以理解為由于電樞鐵芯有限長形成的問 題，即較長尺度的鐵芯有利于減小邊端力在總推力中所占的比重；同時，繞組線圈數(shù)越多越 有利于均化齒槽力波動；另外，電磁脈動較大是由于存在邊端部位繞組而產(chǎn)生相間參數(shù)不 對稱所引起的，顯然多繞組數(shù)的電樞鐵芯也能大大弱化其影響。由此可見，直線電機(jī)的基本 特性限制了采用少線圈數(shù)的較短鐵芯尺度的電樞結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，而機(jī)械、電子裝備自動化的 快速發(fā)展對小尺度、大推力、高速高精度的永磁直線同步電機(jī)應(yīng)用需求和要求都在不斷提 高，因此解決與單對極旋轉(zhuǎn)電機(jī)對應(yīng)的每相具有單線圈繞組數(shù)的永磁同步直線電機(jī)的推力 波動幅度大的問題，對提高直線電機(jī)性能、擴(kuò)大其應(yīng)用范圍具有重要作用。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于針對每相采用單線圈繞組的帶鐵芯短初級型永磁同步直 線電機(jī)，提供一種電樞各相繞組拆分布置的永磁同步直線電機(jī)，可大幅降低靜推力波動幅 度，提高電機(jī)性能。本實用新型的技術(shù)方案為一種各相繞組拆分布置的永磁同步直線電機(jī)，包括次級和初級，其特征在于，所述 初級的電樞繞組多相供電，每相采用單一線圈和獨(dú)立鐵芯，各鐵芯沿縱向依次分開布置在 所述次級上，并通過非導(dǎo)磁材料剛性聯(lián)接為一整體。作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，各繞組鐵芯的機(jī)械角距離為η τ +m τ /q，其中，q 為電機(jī)電源相數(shù)也即分拆鐵芯數(shù)，η、m為正整數(shù)，且m與q互為質(zhì)數(shù)，τ為極距。作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述次級縱向上布置有交替等距排列的N極和S 極磁鋼。作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述初級和次級橫向上繞成筒形。作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述初級和次級在平面上布置。一種各相繞組拆分布置的永磁同步直線電機(jī)，由各相電樞鐵芯組合初級和交替均樞繞組多相供電，相數(shù)為q，每相采用單一線 圈和獨(dú)立鐵芯，各鐵芯按其繞組電相位分開布置在次級上，然后用非導(dǎo)磁材料剛性聯(lián)接形 成一個整體初級。本實用新型的技術(shù)效果體現(xiàn)在本實用新型直線電機(jī)電樞不同相繞組線圈分開布 置，在空間上形成了與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似的各相繞組對稱特性，能有效減小邊端磁阻力和電磁 脈動等推力波動成分。本實用新型直線電機(jī)除具有一般直線電機(jī)具有的傳動結(jié)構(gòu)簡單、系 統(tǒng)加減速響應(yīng)快、定位精確等優(yōu)點(diǎn)外，由于具有最小的線圈數(shù)，同時又能大幅減少直線電機(jī) 中各推力波動成分，是一種尺寸小、推力大而波動小的高性能永磁同步直線電機(jī)，具有廣泛 的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。

圖1是電樞繞組各相線圈鐵芯拆分方法示意圖；圖2是平板型各相繞組線圈拆分布置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圓筒型各相繞組線圈拆分布置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是一種實施例的計算幾何模型，其中，4a為3相六槽繞組線圈拆分布置電機(jī)示 意圖，4b為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)3相六槽電機(jī)示意圖；圖5是線圈拆分布置電機(jī)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)3相六槽電機(jī)靜推力特性曲線比較圖，其中， 5a是電機(jī)靜推力比較曲線，5b是靜推力波動幅度比較曲線。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明。圖1是一種采用各相繞組線圈拆分布置方法的平板型永磁同步直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示 意圖，用以說明本實用新型的方法及原理。圖中電機(jī)為q相供電，則初級電樞繞組拆分為圖 中1、2、3和4所標(biāo)示的q個帶鐵芯的線圈；次級由縱向交錯排列的N、S極永磁體5、6，以 及鐵軛7組成；q個鐵芯按其線圈電相位沿次級縱向依次移距η τ +m τ /q布置，n、m為正整 數(shù)，m與q互為質(zhì)數(shù)，τ為極距，η以鐵芯間電磁影響小為原則選取，須保證鐵芯間隔大于 τ，再由非導(dǎo)磁材料8將各鐵芯剛性聯(lián)接而成整體初級。這樣拆分布置方法既提供了分布 上的靈活性，又保證相間相差依然為2 π /q。按該電相拆分布置線圈繞組的方法得到的直線電機(jī)，其q相繞組在空間上重新構(gòu) 造出了對稱循環(huán)的特性，能直接消除q階及其倍頻以外的全部推力波動諧波成分，使推力 波動值大幅降低；同時，在傳統(tǒng)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)中，不同影響因素產(chǎn)生的推力波動成分特性差 異大，只能逐項采取不同削減措施，而拆分布置線圈繞組的直線電機(jī)，其殘留的諧波成分不 論推力波動成分來源，均具有相似的頻率特征，使殘留的推力波動能通過電機(jī)基本尺度綜 合的方法得到較徹底的消除。因此，本實用新型提出的電機(jī)具有推力波動幅度小的特性，是一種高性能的直線 電機(jī)。下面給出幾個具體實施例實施例一圖2為平板型3相繞組線圈拆分布置結(jié)構(gòu)示意圖。該實施例中，次級由縱向交錯排列的N、S極永磁體5、6和鐵軛7組成；初級由沿次級縱向布置的拆分繞組線圈鐵芯1、2、 3，用25% Ni鋼8剛性聯(lián)接形成。鐵芯1、2、3依次按機(jī)械角距差τ/3縱向移距布置，即機(jī) 械相距差為τ /3，由此構(gòu)成了平板型3相繞組線圈拆分布置永磁同步直線電機(jī)。實施例二 圖3為圓筒形3相繞組線圈拆分布置永磁同步直線電機(jī)，相當(dāng)于由圖2所示的電 機(jī)沿橫向繞成筒形得到。該電機(jī)次級具有軸狀結(jié)構(gòu)，按極距τ在鐵軛軸7圓柱面上沿縱向 依次循環(huán)排列有環(huán)狀N、S極永磁體5和6。初級由與次級模塊同軸心的圓環(huán)形拆分繞組線 圈及其鐵芯模塊1、2和3構(gòu)成，鐵芯模塊間依次按機(jī)械角距差τ /3縱向移距布置，用25% Ni鋼件8剛性聯(lián)接形成整體初級。實施例三圖4a為一種3相六槽繞組線圈拆分布置永磁同步直線電機(jī)的計算幾何模型圖。 該實施例中，電樞三相交流供電，3相繞組各相線圈分拆布置在3個鐵芯中，總槽數(shù)為6，單 鐵芯長度Ll = 35mm、高H = 44mm，寬W = 50mm，槽距t = 13. 6mm，槽寬ts = 7mm，線圈匝 數(shù)為100、電流5A，極距τ = 16mm,磁隙δ = 0. 9mm,各鐵芯模塊縱向間移距2 τ +2 τ /3 = 42.667mm。對應(yīng)圖中各模塊槽的繞組接線相序如下Iaxczb Υ其中，A、Β、c為繞組的三相電流相序，χ、Υ、ζ分別對應(yīng)其反相電流相序。圖4b為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)3相六槽電機(jī)示意圖，為圖4a繞組線圈拆分布置前的參考原型。 圖4b鐵芯長L2 = 103. 5mm，槽距t = 13. 33mm，槽寬ts = 6mm，其余計算參數(shù)同圖4a.圖5是對實施例三的線圈拆分布置電機(jī)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)3相六槽原型電機(jī)靜推力特性 曲線比較圖，該結(jié)果由應(yīng)用大型商用電磁軟件進(jìn)行有限元仿真計算得到，其中，圖5a是電 機(jī)靜推力比較曲線，圖5b是靜推力波動幅度比較曲線。電機(jī)推力波動幅度按推力波動幅值除以推力平均值的相對值衡量。比較曲線表 明，線圈拆分布置電機(jī)的平均推力值為43. 5N，推力波動幅度為4.5%，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)的平 均推力值為43N，推力波動幅度為18.8%。因此，線圈拆分布置永磁同步直線電機(jī)平均靜推 力基本無變化，而推力波動性下降4. 1倍。
權(quán)利要求1.一種各相繞組拆分布置的永磁同步直線電機(jī)，包括次級和初級，其特征在于，所述初 級的電樞繞組多相供電，每相采用單一線圈和獨(dú)立鐵芯，各鐵芯沿縱向依次分開布置在所 述次級上，并通過非導(dǎo)磁材料剛性聯(lián)接為一整體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其特征在于，各繞組鐵芯的機(jī)械角距離為ητ +m τ /q， 其中，q為電機(jī)電源相數(shù)也即分拆鐵芯數(shù)，n、m為正整數(shù)，且m與q互為質(zhì)數(shù)，τ為極距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電機(jī)，其特征在于，所述次級縱向上布置有交替等距排列 的N極和S極磁鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電機(jī)，其特征在于，所述初級和次級橫向上繞成筒形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電機(jī)，其特征在于，所述初級和次級在平面上布置。
專利摘要本實用新型公開了一種電樞各相繞組線圈拆分布置的永磁同步直線電機(jī)，包括次級和初級，初級電樞繞組多相供電，相數(shù)為q，每相采用單一線圈和獨(dú)立鐵芯，各鐵芯按其繞組電相位分開布置在次級上，然后用非導(dǎo)磁材料剛性聯(lián)接形成一個整體初級。不同相繞組線圈分開布置，在空間上形成了與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似的各相繞組對稱特性，能有效減小邊端磁阻力和電磁脈動等推力波動成分。本實用新型直線電機(jī)除具有一般直線電機(jī)具有的傳動結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)加減速響應(yīng)快、定位精確等優(yōu)點(diǎn)外，還能大幅減少直線電機(jī)中各推力波動成分，是一種尺寸小、推力大而波動小的高性能永磁同步直線電機(jī)，具有廣泛的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。
文檔編號H02K41/03GK201928178SQ20102066154
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者楊家軍, 程遠(yuǎn)雄, 郤能 申請人:華中科技大學(xué)