本發(fā)明屬于永磁直線電機(jī)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種非均勻分塊式永磁直線同步電機(jī)勵磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

近年來，由于現(xiàn)代精密制造業(yè)、微電子制造業(yè)等行業(yè)的飛速發(fā)展，對現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床提出了“高加速度、高速、高精度”的多重要求。采用永磁同步直線電機(jī)(pmlsm)來直接驅(qū)動是實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床高加速度、高速、高精度的必要途徑之一。目前，對于一般永磁電機(jī)的設(shè)計變量優(yōu)化主要是根據(jù)電機(jī)性能要求以及尺寸功率方程來確定設(shè)計變量的初始值，然后依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗和參考文獻(xiàn)選取設(shè)計變量優(yōu)化區(qū)間。

然而，現(xiàn)有的永磁同步直線電機(jī)還存在如下問題：

1、其固有的推力波動削弱方法，在降低推力波動的同時，也減低了電機(jī)的功率密度，影響電機(jī)系統(tǒng)的性能，削弱了其在工程應(yīng)用中的優(yōu)勢。

2、與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，永磁同步直線電機(jī)更容易產(chǎn)生熱量，電機(jī)的氣隙間隙較小，初級繞組所產(chǎn)生的熱量易傳導(dǎo)到永磁體上，使得永磁體工作溫度比較高。長期運行甚至可能造成電機(jī)絕緣的破壞、電機(jī)最大額定推力減小、過載能力小等問題。

3、在永磁電機(jī)分塊技術(shù)優(yōu)化設(shè)計中，當(dāng)設(shè)計變量和約束條件數(shù)量較多，而且，每個設(shè)計變量間有可能相互關(guān)聯(lián)時，設(shè)計計算的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高。

2、在優(yōu)化設(shè)計過程中，為了獲得設(shè)計變量的最優(yōu)值，設(shè)計變量初始優(yōu)化區(qū)間一般選取很大，這會導(dǎo)致消耗大量計算時間，影響優(yōu)化效率，也會造成大步長，降低設(shè)計變量優(yōu)化值精確度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何減小推力波動對電機(jī)運行穩(wěn)定性的影響，改善氣隙磁密正弦特性，減少高次諧波與基波比值含量，提高電機(jī)的效率和響應(yīng)速度。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種非均勻分塊式永磁直線同步電機(jī)勵磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于：包括次級磁軛，次級磁軛上設(shè)有永磁體，一個極距內(nèi)永磁體以n極、s極交替排列；其特征在于：每極下永磁體采用非均勻分塊結(jié)構(gòu)，相鄰永磁體塊之間通過隔磁塊隔開。

優(yōu)選地，每極下各塊永磁體塊的寬度由中間向兩端依次遞減。

優(yōu)選地，每極下各塊永磁體塊的寬度由中間向兩端按等比數(shù)列依次遞減。

優(yōu)選地，所述永磁體采用非均勻奇數(shù)分塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即：每極下，最中間的一塊永磁體塊的寬度最大，由中間向兩端各塊永磁體塊的寬度依次遞減。

優(yōu)選地，所述永磁體采用非均勻偶數(shù)分塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即：每極下，最中間的兩塊永磁體塊的寬度相等且為最大，由中間向兩端各塊永磁體塊的寬度依次遞減。

優(yōu)選地，所述永磁體與對應(yīng)側(cè)的電機(jī)初級定子之間設(shè)有氣隙。

優(yōu)選地，所述永磁體與用于實現(xiàn)軸向往返運動的外部驅(qū)動設(shè)備相連。

優(yōu)選地，所述永磁體的磁場通過電機(jī)的初級定子鐵心形成回路，同時與電機(jī)的初級繞組交鏈，氣隙磁場沿軸向呈正弦分布；永磁體通過采用非均勻分塊結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)氣隙磁密。

本發(fā)明還提供了上述非均勻分塊式永磁直線同步電機(jī)勵磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于：

(a)針對永磁體非均勻奇數(shù)分塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即：每極下，最中間的一塊永磁體塊的寬度最大，由中間向兩端各塊永磁體塊的寬度依次遞減；步驟為：

步驟a1：構(gòu)建永磁直線電機(jī)勵磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計變量

設(shè)最中間的一塊永磁體塊的寬度為a0、永磁體極距為τp；

向兩端延伸各塊永磁體塊的寬度分別為a1、a2、......、an；ai＝a0*qⁱ，i＝1、2、3、......n，n為正整數(shù)，0＜q＜1；

由中間向兩端，各塊隔磁塊的寬度分別為t1、t2、......、tn；

步驟a2：確定優(yōu)化目標(biāo)

以氣隙間磁場高次諧波的比值含量thd為優(yōu)化目標(biāo)，高次諧波含量越低，電機(jī)穩(wěn)定性越好；

其中，bj為j次諧波的有效值，j＝1，3，5....m，m為奇數(shù)；

br為剩磁，μr為相對磁導(dǎo)率，hm為永磁體厚度；

步驟a3：通過正交優(yōu)化法確立設(shè)計變量區(qū)間

τp的區(qū)間為[τb，τc]，0＜τb＜τc；

a0的區(qū)間為[ad，ae]，0＜ad＜ae；

隔磁塊寬度t1～tn的區(qū)間為[tf，tg]，0＜tf＜tg；

正交優(yōu)化法的基本工具是正交表，正交表反應(yīng)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型，在正交表中，實驗指標(biāo)用來反應(yīng)實驗效果，對應(yīng)優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)即thd的值；實驗因素要能對試驗指標(biāo)產(chǎn)生影響，對應(yīng)優(yōu)化問題的設(shè)計變量即τp、a0、t1～tn、q；因素水平是實驗因素所取的數(shù)值，對應(yīng)優(yōu)化問題的約束條件；

根據(jù)正交表計算thd值，最優(yōu)選取thd最小值，以此逐步縮小拓?fù)涑叽缱兓秶?/p>

步驟a4：通過約束條件求得thd最優(yōu)解

根據(jù)因素水平約束條件a0＜τp；當(dāng)永磁體極距τp為某一定值，在區(qū)間[ad，ae]內(nèi)選取a0的取值，在區(qū)間[tf，tg]內(nèi)選取t1～tn的取值，根據(jù)正交優(yōu)化法逐步縮小a0、t1～tn、q的取值范圍，最終得到thd最優(yōu)解情況下，a0、t1～tn、q的值。

(b)針對永磁體非均勻偶數(shù)分塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即：每極下，最中間的兩塊永磁體塊的寬度相等且為最大，由中間向兩端各塊永磁體塊的寬度依次遞減；步驟為：

步驟b1：構(gòu)建永磁直線電機(jī)勵磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計變量

設(shè)最中間兩塊永磁體的寬度為a0、永磁體極距為τp；

向兩端延伸各塊永磁體的寬度分別為a1、a2、......、an；ai＝a0*qⁱ，i＝1、2、3、......n，n為正整數(shù)，0＜q＜1；

由中間向兩端，各塊隔磁塊的寬度分別為t1、t2、......、tn+1；

步驟b2：確定優(yōu)化目標(biāo)

以氣隙間磁場高次諧波的比值含量thd′為優(yōu)化目標(biāo)，高次諧波含量越低，電機(jī)穩(wěn)定性越好：

其中，bj′為j次諧波的有效值，j＝1，3，5....m；m為奇數(shù)；

br為剩磁，μr為相對磁導(dǎo)率，hm為永磁體厚度；

步驟b3：通過正交優(yōu)化法縮短設(shè)計變量區(qū)間

τp的區(qū)間[τb，τc]，0＜τb＜τc；

a0的區(qū)間為[ad，ae]，0＜ad＜ae；

隔磁塊寬度t1～tn的區(qū)間為[tf，tg]，0＜tf＜tg；

正交優(yōu)化法的基本工具是正交表，正交表反應(yīng)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型，在正交表中，實驗指標(biāo)用來反應(yīng)實驗效果，對應(yīng)優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)即thd的值；實驗因素要能對試驗指標(biāo)產(chǎn)生影響，對應(yīng)優(yōu)化問題的設(shè)計變量即τp、a0、t1～tn、q；因素水平是實驗因素所取的數(shù)值，對應(yīng)優(yōu)化問題的約束條件；

根據(jù)正交表計算thd值，最優(yōu)選取thd最小值，以此逐步縮小拓?fù)涑叽缱兓秶?/p>

步驟b4：通過約束條件求得thd最優(yōu)解

根據(jù)因素水平約束條件a0＜τp；當(dāng)永磁體極距τp為某一定值，在區(qū)間[ad，ae]內(nèi)選取a0的取值，在區(qū)間[tf，tg]內(nèi)選取t1～tn的取值，根據(jù)正交優(yōu)化法逐步縮小a0、t1～tn、q的取值范圍，最終得到thd最優(yōu)解情況下，a0、t1～tn、q的值。

本發(fā)明針對次級非均勻分塊式永磁體勵磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮到設(shè)計變量的區(qū)間直接影響優(yōu)化目標(biāo)的準(zhǔn)確性問題，通過對設(shè)計變量采用正交優(yōu)化法，得出優(yōu)化區(qū)間，通過約束條件的限制，求得優(yōu)化目標(biāo)最優(yōu)解。非均勻分塊式永磁體勵磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有改善氣隙磁密正弦性，輸出電壓諧波含量小，電磁力波動小，電機(jī)運行穩(wěn)定的特點。本發(fā)明方法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，減少計算時間，提高數(shù)據(jù)精確性。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、采用非均勻分塊式混合永磁體結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)各永磁體塊的尺寸調(diào)節(jié)氣隙磁密，改善了氣隙磁密正弦性，進(jìn)而減小了感應(yīng)電動勢諧波含量與電磁推力的波動；

2、以氣隙磁場中高次諧波比值含量為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計各永磁體塊及隔磁塊的寬度，通過正交優(yōu)化法縮短拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計變量區(qū)間，克服了以往設(shè)計變量優(yōu)化區(qū)間選取中反復(fù)優(yōu)化，反復(fù)試湊的缺點，可縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，操作簡單；

3、正交優(yōu)化表可用于多因素、多水平，多個性能指標(biāo)的優(yōu)化，它根據(jù)正交性從全面實驗數(shù)據(jù)中挑選出一部分具有“均勻分散、齊整可比”特點的優(yōu)化方案進(jìn)行具體試驗，可設(shè)計更多目標(biāo)的電機(jī)性能指標(biāo)，減少工作量、提高設(shè)計效率，明確尋優(yōu)方向，大大加快優(yōu)化速度。

附圖說明

圖1為實施例1提供的非均勻奇數(shù)分塊式永磁直線同步電機(jī)勵磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)截面圖；

圖2為非均勻分塊式永磁直線同步電機(jī)勵磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計方法流程圖；

圖3為實施例2提供的非均勻偶數(shù)分塊式永磁直線同步電機(jī)勵磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)截面圖；

其中：1-內(nèi)層初級鐵心，2-內(nèi)層電樞繞組，3-次級磁軛，4-外層電樞繞組，5-外層初級鐵心，6-隔磁塊，7一永磁體。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

實施例1

電機(jī)主要包括初級、次級和氣隙。

如圖1所示，雙邊圓筒型永磁直線同步電機(jī)的初級分為內(nèi)、外雙層結(jié)構(gòu)，由內(nèi)部定子和外部定子組成。

外部定子包括外層初級鐵心5和外層電樞繞組4。外層初級鐵心5位于電機(jī)的最外側(cè)，為管式結(jié)構(gòu)，外層電樞繞組4緊緊固定在外層初級鐵心5內(nèi)側(cè)。

內(nèi)部定子包括內(nèi)層初級鐵心1和內(nèi)層電樞繞組2。內(nèi)層初級鐵心1位于電機(jī)的最內(nèi)側(cè)，亦為管式結(jié)構(gòu)，內(nèi)層電樞繞組2緊緊固定在內(nèi)層初級鐵心1外側(cè)。

內(nèi)層電樞繞組2和外層電樞繞組4串聯(lián)，內(nèi)、外層初級鐵心均由硅鋼片組成。

電機(jī)次級主要包括次級磁軛3、永磁體7、隔磁塊6。

永磁體7為雙層結(jié)構(gòu)，由內(nèi)側(cè)永磁體和外側(cè)永磁體組成，內(nèi)、外側(cè)永磁體對稱放置在次級磁軛3上的內(nèi)、外側(cè)。內(nèi)層電樞繞組2和內(nèi)側(cè)永磁體之間、外層電樞繞組4和外側(cè)永磁體之間均設(shè)有氣隙。

一個極距內(nèi)，永磁體以n極、s極交替排列，相鄰永磁體反向充磁，永磁體磁化方向為徑向方向。每極下內(nèi)、外側(cè)永磁體均采用非均勻分塊結(jié)構(gòu)，相鄰永磁體塊之間采用隔磁塊6隔開。每極下，永磁體塊的寬度由中間向兩端依次遞減，永磁體塊充磁方向相同。

本實施例中，永磁體采用徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體塊。

永磁磁場通過內(nèi)外初級鐵心形成回路，同時與內(nèi)外雙層初級繞組交鏈，氣隙磁場沿軸向呈正弦分布。

雙邊圓筒型非均勻分塊式永磁直線同步電機(jī)勵磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，包括如下步驟：

首先，構(gòu)建永磁直線電機(jī)的設(shè)計變量。

針對永磁體非均勻奇數(shù)分塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)最中間的一塊永磁體塊的寬度為a0、永磁體塊極距為τp；向兩端延伸各塊永磁體塊的寬度分別為a1、a2、......、an；ai＝a0*qⁱ，i＝1、2、3、......n，n為正整數(shù)，0＜q＜1；由中間向兩端，各塊隔磁塊的寬度分別為t1、t2、......、tn；

以氣隙間磁場高次諧波的比值含量thd為優(yōu)化目標(biāo)，高次諧波含量越低，電機(jī)穩(wěn)定性越好：

其中，bj為j次諧波的有效值，j＝1，3，5....m，m為奇數(shù)。

br為剩磁，μr為相對磁導(dǎo)率，hm為充磁的永磁體厚度。

本實施例以n＝2為例進(jìn)行說明。

通過正交優(yōu)化法確立設(shè)計變量區(qū)間，τp的區(qū)間為[τb，τc]，0＜τc＜τ0；a0的區(qū)間為[ad，ae]，0＜ad＜ae；隔磁塊寬度t1、t2的區(qū)間為[tf，tg]，0＜tf＜tg。正交優(yōu)化法的基本工具是正交表，正交表反應(yīng)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型。在正交表中，實驗指標(biāo)用來反應(yīng)實驗效果，對應(yīng)優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)即thd的值；實驗因素要能對試驗指標(biāo)產(chǎn)生影響，對應(yīng)優(yōu)化問題的設(shè)計變量即τp、a0、t1、t2、q；因素水平是實驗因素所取的數(shù)值，對應(yīng)優(yōu)化問題的約束條件。

正交表一般型為lr(s^y)，其中r表示為優(yōu)化方案的個數(shù)(行數(shù))，s表示為水平數(shù)，y表示因素個數(shù)(列數(shù))，它表示一個r行到y(tǒng)列的表，由數(shù)字1，2，3，……，r組成。如l25(5⁵)，數(shù)字由1，2，3，4，5組成，它表示y＝5個因素，每個因素取s＝5個值(稱為水平)，是一個25行5列的表，每個因素取5種變化的完全組合，共有5⁵＝3125種水平搭配，表2中僅僅給出25組有代表性的水平數(shù)搭配，按這25種水平數(shù)搭配進(jìn)行計算，從中選取最好的水平數(shù)搭配，使得目標(biāo)函數(shù)(電機(jī)性能指標(biāo)thd值)最小作為優(yōu)化結(jié)果，這樣不需計算全部3125種水平數(shù)搭配，使得計算量減少，根據(jù)正交表“均勻分散、齊整可比”的特點，可保證在統(tǒng)計意義下，按這25組水平數(shù)搭配計算所得的最優(yōu)結(jié)果，必然是這3125組里面較優(yōu)的，因素y和水平數(shù)s越大，按正交表計算越優(yōu)，也可以改變正交表的類型，計算thd值，選取thd最小值。

當(dāng)永磁體極距τp為某一定值，由于a0＜τp，選取a0、t1、t2、q的取值，根據(jù)永磁直線電機(jī)分塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計變量，設(shè)計了如表1所示的因素水平表，對應(yīng)的正交表和映射的約束條件如表2所示。采用5因素5水平l25(5⁵)正交表進(jìn)行正交設(shè)計，計算正交表中25組試驗次數(shù)的thd值，當(dāng)然，這里的試驗次數(shù)并非實際操作順序，優(yōu)化過程中可任意進(jìn)行，然后，對正交試驗thd結(jié)果值進(jìn)行分析，從而判斷各因素的區(qū)間范圍，每輪選取不同的正交表，逐步縮小a0、t1、t2、q的取值范圍，最終得到thd最優(yōu)解情況下，a0、t1、t2、q的值。

表1永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的因素和因素水平表

表2正交表設(shè)計和設(shè)計優(yōu)化具體用例

根據(jù)表2中的設(shè)計優(yōu)化具體用例，求得電機(jī)性能指標(biāo)thd的值，選取thd最優(yōu)值，每輪采取不同的正交表，逐步縮小a0、t1、t2、q的取值范圍，最終得到thd最優(yōu)解情況下，a0、t1、t2、q的值；τp＝60mm，a0＝23.37mm，t1＝0.3mm，t2＝1.6mm，q＝0.27，thd＝18.9％。

實施例2

如圖3所示，本實施例與實施例1的區(qū)別在于：永磁體為非均勻偶數(shù)分塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

設(shè)最中間兩塊永磁體塊的寬度為a0；向兩端延伸各塊永磁體塊的寬度分別為a1、a2、......、an；ai＝a0*qⁱ，i＝1、2、3、......n，n為正整數(shù)，0＜q＜1；由中間向兩端，各塊隔磁塊的寬度分別為t1、t2、......、tn+1；其諧波含量與設(shè)計變量的關(guān)系為：

br為剩磁，μr為相對磁導(dǎo)率，hm為充磁的永磁體厚度。

對于圖3實例，以n＝2為例進(jìn)行說明。

根據(jù)因素水平約束條件a0＜τp；當(dāng)永磁體極距τp為某一定值，在變量區(qū)間[ad，ae]內(nèi)選取a0的取值，在區(qū)間[tf，tg]選取t1、t2的取值，每輪采取不同的正交表，逐步縮小a0、t1、t2、q的取值范圍，最終得到thd最優(yōu)解情況下，a0、t1、t2、q的值；τp＝60mm，a0＝17.97mm，t1＝0.1mm，t2＝1.6mm，q＝0.11，thd＝19.27％。