非均匀分块式永磁直线同步电机励磁拓扑结构及设计方法与流程

本发明属于永磁直线电机优化设计技术领域，涉及一种非均匀分块式永磁直线同步电机励磁拓扑结构及其优化设计方法。

背景技术：

近年来，由于现代精密制造业、微电子制造业等行业的飞速发展，对现代数控机床提出了“高加速度、高速、高精度”的多重要求。采用永磁同步直线电机(pmlsm)来直接驱动是实现数控机床高加速度、高速、高精度的必要途径之一。目前，对于一般永磁电机的设计变量优化主要是根据电机性能要求以及尺寸功率方程来确定设计变量的初始值，然后依据设计经验和参考文献选取设计变量优化区间。

然而，现有的永磁同步直线电机还存在如下问题：

1、其固有的推力波动削弱方法，在降低推力波动的同时，也减低了电机的功率密度，影响电机系统的性能，削弱了其在工程应用中的优势。

2、与旋转电机相比，永磁同步直线电机更容易产生热量，电机的气隙间隙较小，初级绕组所产生的热量易传导到永磁体上，使得永磁体工作温度比较高。长期运行甚至可能造成电机绝缘的破坏、电机最大额定推力减小、过载能力小等问题。

3、在永磁电机分块技术优化设计中，当设计变量和约束条件数量较多，而且，每个设计变量间有可能相互关联时，设计计算的准确性有待进一步提高。

2、在优化设计过程中，为了获得设计变量的最优值，设计变量初始优化区间一般选取很大，这会导致消耗大量计算时间，影响优化效率，也会造成大步长，降低设计变量优化值精确度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何减小推力波动对电机运行稳定性的影响，改善气隙磁密正弦特性，减少高次谐波与基波比值含量，提高电机的效率和响应速度。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种非均匀分块式永磁直线同步电机励磁拓扑结构，其特征在于：包括次级磁轭，次级磁轭上设有永磁体，一个极距内永磁体以n极、s极交替排列；其特征在于：每极下永磁体采用非均匀分块结构，相邻永磁体块之间通过隔磁块隔开。

优选地，每极下各块永磁体块的宽度由中间向两端依次递减。

优选地，每极下各块永磁体块的宽度由中间向两端按等比数列依次递减。

优选地，所述永磁体采用非均匀奇数分块拓扑结构，即：每极下，最中间的一块永磁体块的宽度最大，由中间向两端各块永磁体块的宽度依次递减。

优选地，所述永磁体采用非均匀偶数分块拓扑结构，即：每极下，最中间的两块永磁体块的宽度相等且为最大，由中间向两端各块永磁体块的宽度依次递减。

优选地，所述永磁体与对应侧的电机初级定子之间设有气隙。

优选地，所述永磁体与用于实现轴向往返运动的外部驱动设备相连。

优选地，所述永磁体的磁场通过电机的初级定子铁心形成回路，同时与电机的初级绕组交链，气隙磁场沿轴向呈正弦分布；永磁体通过采用非均匀分块结构，调节气隙磁密。

本发明还提供了上述非均匀分块式永磁直线同步电机励磁拓扑结构的设计方法，其特征在于：

(a)针对永磁体非均匀奇数分块拓扑结构，即：每极下，最中间的一块永磁体块的宽度最大，由中间向两端各块永磁体块的宽度依次递减；步骤为：

步骤a1：构建永磁直线电机励磁拓扑结构设计变量

设最中间的一块永磁体块的宽度为a0、永磁体极距为τp；

向两端延伸各块永磁体块的宽度分别为a1、a2、......、an；ai＝a0*qⁱ，i＝1、2、3、......n，n为正整数，0＜q＜1；

由中间向两端，各块隔磁块的宽度分别为t1、t2、......、tn；

步骤a2：确定优化目标

以气隙间磁场高次谐波的比值含量thd为优化目标，高次谐波含量越低，电机稳定性越好；

其中，bj为j次谐波的有效值，j＝1，3，5....m，m为奇数；

br为剩磁，μr为相对磁导率，hm为永磁体厚度；

步骤a3：通过正交优化法确立设计变量区间

τp的区间为[τb，τc]，0＜τb＜τc；

a0的区间为[ad，ae]，0＜ad＜ae；

隔磁块宽度t1～tn的区间为[tf，tg]，0＜tf＜tg；

正交优化法的基本工具是正交表，正交表反应优化问题的数学模型，在正交表中，实验指标用来反应实验效果，对应优化问题的目标函数即thd的值；实验因素要能对试验指标产生影响，对应优化问题的设计变量即τp、a0、t1～tn、q；因素水平是实验因素所取的数值，对应优化问题的约束条件；

根据正交表计算thd值，最优选取thd最小值，以此逐步缩小拓扑尺寸变化范围；

步骤a4：通过约束条件求得thd最优解

根据因素水平约束条件a0＜τp；当永磁体极距τp为某一定值，在区间[ad，ae]内选取a0的取值，在区间[tf，tg]内选取t1～tn的取值，根据正交优化法逐步缩小a0、t1～tn、q的取值范围，最终得到thd最优解情况下，a0、t1～tn、q的值。

(b)针对永磁体非均匀偶数分块拓扑结构，即：每极下，最中间的两块永磁体块的宽度相等且为最大，由中间向两端各块永磁体块的宽度依次递减；步骤为：

步骤b1：构建永磁直线电机励磁拓扑结构设计变量

设最中间两块永磁体的宽度为a0、永磁体极距为τp；

向两端延伸各块永磁体的宽度分别为a1、a2、......、an；ai＝a0*qⁱ，i＝1、2、3、......n，n为正整数，0＜q＜1；

由中间向两端，各块隔磁块的宽度分别为t1、t2、......、tn+1；

步骤b2：确定优化目标

以气隙间磁场高次谐波的比值含量thd′为优化目标，高次谐波含量越低，电机稳定性越好：

其中，bj′为j次谐波的有效值，j＝1，3，5....m；m为奇数；

br为剩磁，μr为相对磁导率，hm为永磁体厚度；

步骤b3：通过正交优化法缩短设计变量区间

τp的区间[τb，τc]，0＜τb＜τc；

a0的区间为[ad，ae]，0＜ad＜ae；

隔磁块宽度t1～tn的区间为[tf，tg]，0＜tf＜tg；

正交优化法的基本工具是正交表，正交表反应优化问题的数学模型，在正交表中，实验指标用来反应实验效果，对应优化问题的目标函数即thd的值；实验因素要能对试验指标产生影响，对应优化问题的设计变量即τp、a0、t1～tn、q；因素水平是实验因素所取的数值，对应优化问题的约束条件；

根据正交表计算thd值，最优选取thd最小值，以此逐步缩小拓扑尺寸变化范围；

步骤b4：通过约束条件求得thd最优解

根据因素水平约束条件a0＜τp；当永磁体极距τp为某一定值，在区间[ad，ae]内选取a0的取值，在区间[tf，tg]内选取t1～tn的取值，根据正交优化法逐步缩小a0、t1～tn、q的取值范围，最终得到thd最优解情况下，a0、t1～tn、q的值。

本发明针对次级非均匀分块式永磁体励磁拓扑结构，考虑到设计变量的区间直接影响优化目标的准确性问题，通过对设计变量采用正交优化法，得出优化区间，通过约束条件的限制，求得优化目标最优解。非均匀分块式永磁体励磁拓扑结构具有改善气隙磁密正弦性，输出电压谐波含量小，电磁力波动小，电机运行稳定的特点。本发明方法可以简便地求得未知的数据，减少计算时间，提高数据精确性。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、采用非均匀分块式混合永磁体结构，通过调节各永磁体块的尺寸调节气隙磁密，改善了气隙磁密正弦性，进而减小了感应电动势谐波含量与电磁推力的波动；

2、以气隙磁场中高次谐波比值含量为优化目标，设计各永磁体块及隔磁块的宽度，通过正交优化法缩短拓扑结构设计变量区间，克服了以往设计变量优化区间选取中反复优化，反复试凑的缺点，可缩短设计周期，降低设计成本，操作简单；

3、正交优化表可用于多因素、多水平，多个性能指标的优化，它根据正交性从全面实验数据中挑选出一部分具有“均匀分散、齐整可比”特点的优化方案进行具体试验，可设计更多目标的电机性能指标，减少工作量、提高设计效率，明确寻优方向，大大加快优化速度。

附图说明

图1为实施例1提供的非均匀奇数分块式永磁直线同步电机励磁拓扑结构截面图；

图2为非均匀分块式永磁直线同步电机励磁拓扑结构的设计方法流程图；

图3为实施例2提供的非均匀偶数分块式永磁直线同步电机励磁拓扑结构截面图；

其中：1-内层初级铁心，2-内层电枢绕组，3-次级磁轭，4-外层电枢绕组，5-外层初级铁心，6-隔磁块，7一永磁体。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

电机主要包括初级、次级和气隙。

如图1所示，双边圆筒型永磁直线同步电机的初级分为内、外双层结构，由内部定子和外部定子组成。

外部定子包括外层初级铁心5和外层电枢绕组4。外层初级铁心5位于电机的最外侧，为管式结构，外层电枢绕组4紧紧固定在外层初级铁心5内侧。

内部定子包括内层初级铁心1和内层电枢绕组2。内层初级铁心1位于电机的最内侧，亦为管式结构，内层电枢绕组2紧紧固定在内层初级铁心1外侧。

内层电枢绕组2和外层电枢绕组4串联，内、外层初级铁心均由硅钢片组成。

电机次级主要包括次级磁轭3、永磁体7、隔磁块6。

永磁体7为双层结构，由内侧永磁体和外侧永磁体组成，内、外侧永磁体对称放置在次级磁轭3上的内、外侧。内层电枢绕组2和内侧永磁体之间、外层电枢绕组4和外侧永磁体之间均设有气隙。

一个极距内，永磁体以n极、s极交替排列，相邻永磁体反向充磁，永磁体磁化方向为径向方向。每极下内、外侧永磁体均采用非均匀分块结构，相邻永磁体块之间采用隔磁块6隔开。每极下，永磁体块的宽度由中间向两端依次递减，永磁体块充磁方向相同。

本实施例中，永磁体采用径向充磁稀土钕铁硼永磁体块。

永磁磁场通过内外初级铁心形成回路，同时与内外双层初级绕组交链，气隙磁场沿轴向呈正弦分布。

双边圆筒型非均匀分块式永磁直线同步电机励磁拓扑结构的设计方法，包括如下步骤：

首先，构建永磁直线电机的设计变量。

针对永磁体非均匀奇数分块拓扑结构，设最中间的一块永磁体块的宽度为a0、永磁体块极距为τp；向两端延伸各块永磁体块的宽度分别为a1、a2、......、an；ai＝a0*qⁱ，i＝1、2、3、......n，n为正整数，0＜q＜1；由中间向两端，各块隔磁块的宽度分别为t1、t2、......、tn；

以气隙间磁场高次谐波的比值含量thd为优化目标，高次谐波含量越低，电机稳定性越好：

其中，bj为j次谐波的有效值，j＝1，3，5....m，m为奇数。

br为剩磁，μr为相对磁导率，hm为充磁的永磁体厚度。

本实施例以n＝2为例进行说明。

通过正交优化法确立设计变量区间，τp的区间为[τb，τc]，0＜τc＜τ0；a0的区间为[ad，ae]，0＜ad＜ae；隔磁块宽度t1、t2的区间为[tf，tg]，0＜tf＜tg。正交优化法的基本工具是正交表，正交表反应优化问题的数学模型。在正交表中，实验指标用来反应实验效果，对应优化问题的目标函数即thd的值；实验因素要能对试验指标产生影响，对应优化问题的设计变量即τp、a0、t1、t2、q；因素水平是实验因素所取的数值，对应优化问题的约束条件。

正交表一般型为lr(s^y)，其中r表示为优化方案的个数(行数)，s表示为水平数，y表示因素个数(列数)，它表示一个r行到y列的表，由数字1，2，3，……，r组成。如l25(5⁵)，数字由1，2，3，4，5组成，它表示y＝5个因素，每个因素取s＝5个值(称为水平)，是一个25行5列的表，每个因素取5种变化的完全组合，共有5⁵＝3125种水平搭配，表2中仅仅给出25组有代表性的水平数搭配，按这25种水平数搭配进行计算，从中选取最好的水平数搭配，使得目标函数(电机性能指标thd值)最小作为优化结果，这样不需计算全部3125种水平数搭配，使得计算量减少，根据正交表“均匀分散、齐整可比”的特点，可保证在统计意义下，按这25组水平数搭配计算所得的最优结果，必然是这3125组里面较优的，因素y和水平数s越大，按正交表计算越优，也可以改变正交表的类型，计算thd值，选取thd最小值。

当永磁体极距τp为某一定值，由于a0＜τp，选取a0、t1、t2、q的取值，根据永磁直线电机分块拓扑结构设计变量，设计了如表1所示的因素水平表，对应的正交表和映射的约束条件如表2所示。采用5因素5水平l25(5⁵)正交表进行正交设计，计算正交表中25组试验次数的thd值，当然，这里的试验次数并非实际操作顺序，优化过程中可任意进行，然后，对正交试验thd结果值进行分析，从而判断各因素的区间范围，每轮选取不同的正交表，逐步缩小a0、t1、t2、q的取值范围，最终得到thd最优解情况下，a0、t1、t2、q的值。

表1永磁电机拓扑结构设计的因素和因素水平表

表2正交表设计和设计优化具体用例

根据表2中的设计优化具体用例，求得电机性能指标thd的值，选取thd最优值，每轮采取不同的正交表，逐步缩小a0、t1、t2、q的取值范围，最终得到thd最优解情况下，a0、t1、t2、q的值；τp＝60mm，a0＝23.37mm，t1＝0.3mm，t2＝1.6mm，q＝0.27，thd＝18.9％。

实施例2

如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于：永磁体为非均匀偶数分块拓扑结构。

设最中间两块永磁体块的宽度为a0；向两端延伸各块永磁体块的宽度分别为a1、a2、......、an；ai＝a0*qⁱ，i＝1、2、3、......n，n为正整数，0＜q＜1；由中间向两端，各块隔磁块的宽度分别为t1、t2、......、tn+1；其谐波含量与设计变量的关系为：

br为剩磁，μr为相对磁导率，hm为充磁的永磁体厚度。

对于图3实例，以n＝2为例进行说明。

根据因素水平约束条件a0＜τp；当永磁体极距τp为某一定值，在变量区间[ad，ae]内选取a0的取值，在区间[tf，tg]选取t1、t2的取值，每轮采取不同的正交表，逐步缩小a0、t1、t2、q的取值范围，最终得到thd最优解情况下，a0、t1、t2、q的值；τp＝60mm，a0＝17.97mm，t1＝0.1mm，t2＝1.6mm，q＝0.11，thd＝19.27％。