双边模块化低定位力永磁同步直线电机及其性能优化方法与流程
本发明涉及一种电机，具体地说是一种双边模块化低定位力永磁同步直线电机及其性能优化方法，属于精密驱动设备领域。
背景技术：
永磁直线电机是高精密加工和制造的关键零部件，广泛应用于轨道交通、精密检测、精密装配、激光加工和3c等行业。直线电机常用的类型包括初级开槽和不开槽两大类，开槽结构由于较低的气隙和磁阻具有高推力密度/功率密度的特点，但由于开槽结构引起电机的磁导率在开槽处与未开槽处的周期波动，从而导致直线电机的推力波动和噪声，不利于实现高精度的运动。为提高直线电机的性能，亟须设计便于模块化加工、推力波动削弱效果突出的永磁直线电机。
永磁体直线电机的推力波动主要由定位力引起，其包含齿槽力和边端力，现有技术大多是分别削弱这两种力来减小定位力。现有的削弱方法有：斜极/斜槽，优化槽口/永磁体形状、优化极槽配合、齿槽错位、以及辅助齿等。但这些方式各有优缺点，例如：
斜极/斜槽定位力削弱效果好，但在削弱定位力的同时削弱了电机推力；
槽口/永磁形状优化可削弱齿槽力，但在磁体加工和嵌线上较为复杂，不利于大规模的制造；
极槽配合在旋转电机上应用较多且效果明显，但在直线电机的应用中由于边端力和边槽的存在，削弱效果较差；
齿槽错位的方法，一方面会影响电机的额定推力，另一方面也会影响相电压的幅值和相位，需重新设置绕组的排列方式，有一定局限性；
辅助齿构型在直线电机的边端力削弱上应用较多，但大多为断面倾斜、阶梯结构，明显增加了加工制造及模块化设计难度。
如此，现阶段的定位力削弱技术大多存在设计结构复杂、调控参数众多、影响额定推力、不易实现模块化等不足，亟待改进。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种双边模块化低定位力永磁同步直线电机及其性能优化方法，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种双边模块化低定位力永磁同步直线电机，其包括动子模块和分布于动子模块两侧的两个定子模块，每一定子模块包括沿动子模块的运动方向分布的两个定子线圈边齿和多个定子线圈主齿，所述多个定子线圈主齿间隔设置于两个定子线圈边齿之间，任一定子线圈边齿与相邻定子线圈主齿之间形成有定子线圈边端槽，任意两个相邻定子线圈主齿之间形成有定子线圈主槽，所述定子线圈边端槽和定子线圈主槽用于安装电枢绕组；
并且，所述两个定子模块内各定子线圈边齿的宽度、各定子线圈边端槽的宽度及各定子线圈主槽的宽度之间的关系至少满足如下要求，即，使所述两个定子模块的各边端力的合力与各齿槽力的合力的相位相同、幅值相反；
其中，所述两个定子模块的各边端力的合力与各定子线圈边齿的宽度相关，所述两个定子模块的各齿槽力的合力至少与各定子线圈边端槽的宽度及各定子线圈主槽的宽度相关。
在一些实施方式中，一个定子模块中的任一槽口均与另一定子模块中的相应槽口对齐。
在一些实施方式中，一定子模块中的两个定子线圈边齿宽度不等。
在一些实施方式中，所述两个定子模块的整体长度相等。
在一些实施方式中，所述动子模块包括至少一组永磁体，该至少一组永磁体具有哈尔巴赫永磁阵列结构。
本发明实施例还提供了前述任一种双边模块化低定位力永磁同步直线电机的性能优化方法。
与现有技术相比，本发明提供的双边模块化低定位力永磁同步直线电机具有加工简单、低推力波动、高推力密度等特点，适用于进行高精度的往复运动操作，在高精密加工和制造等领域有广阔应用前景。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1为本发明一具体实施例的双边模块化低定位力永磁同步直线电机的结构示意图；
图2为本发明一具体实施例的双边模块化低定位力永磁同步直线电机的剖视图；
图3为本发明一具体实施例的动子永磁体哈尔巴赫阵列的示意图；
图4为本发明一具体实施例的各边端力的特性及合成力的曲线示意图；
图5为本发明一具体实施例的齿槽力与边端力特性及合成力曲线的示意图；
图6为本发明一具体实施例中齿槽力与边端力耦合优化的示意图；
图7为本发明一具体实施例的等效无边端力模型示意图；
图8为本发明一具体实施例的等效无槽磁槽力模型示意图。
附图标记说明：定子铁芯1、电枢绕组2、上定子模块3、下定子模块3’、导轨4、永磁动子模块5、支撑背铁6、永磁体7、左侧上端定子线圈边齿1.1、定子线圈边端槽1.2、定子线圈主齿1.3、定子线圈主槽1.4、上下定子槽中心对称线1.5、右侧上端定子线圈边齿1.6、右侧下端定子线圈边齿1.7、左侧下端定子线圈边齿1.8、定子线圈主齿1.9、定子线圈边端槽1.10、定子线圈主槽1.11、边端z向充磁磁钢7.1、x向充磁磁钢7.2、z向充磁磁钢7.3、等效无边端长定子模块8、等效无齿槽长动子模块9。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，如下将予以进一步的解释说明。
本发明实施例提供了一种双边模块化低定位力永磁同步直线电机（如下亦简称“电机”），包括动子模块和分布于动子模块两侧的两个定子模块，每一定子模块包括沿动子模块的运动方向分布的两个定子线圈边齿（如下简称为“边齿”）和多个定子线圈主齿（如下简称为“主齿”），所述多个定子线圈主齿间隔设置于两个定子线圈边齿之间，任一定子线圈边齿与相邻定子线圈主齿之间形成有定子线圈边端槽（如下简称为“边端槽”），任意两个相邻定子线圈主齿之间形成有定子线圈主槽（如下简称为“主槽”），所述定子线圈边端槽和定子线圈主槽用于安装电枢绕组；
并且，所述两个定子模块内各定子线圈边齿的宽度、各定子线圈边端槽的宽度及各定子线圈主槽的宽度之间的关系至少满足如下要求，即，使所述两个定子模块的各边端力的合力与各齿槽力的合力的相位相同但幅值相反；
其中，所述两个定子模块的各边端力的合力与各定子线圈边齿的宽度相关，所述两个定子模块的各齿槽力的合力至少与各定子线圈边端槽的宽度及各定子线圈主槽的宽度相关。
在一些实施方案中，所述两个定子模块分别为第一定子模块、第二定子模块，所述第一定子模块、第二定子模块沿设定三维坐标系的z轴分布于动子模块两侧，所述动子模块能够沿所述设定三维坐标系的x轴进行直线运动；
其中，所述第一定子模块包括沿所述x轴设置的第一定子线圈边齿和第二定子线圈边齿，所述第一定子线圈边齿和第二定子线圈边齿之间间隔分布有多个第一定子线圈主齿，所述第一定子线圈边齿和第二定子线圈边齿中的任一者与相邻第一定子线圈主齿之间均形成有第一定子线圈边端槽，任意两个相邻第一定子线圈主齿之间形成有第一定子线圈主槽；
所述第二定子模块包括沿所述x轴设置的第三定子线圈边齿和第四定子线圈边齿，所述第三定子线圈边齿与第四定子线圈边齿之间间隔分布有多个第二定子线圈主齿，所述第三定子线圈边齿和第四定子线圈边齿中的任一者与相邻第二定子线圈主齿之间均形成有定子线圈边端槽，任意两个相邻第二定子线圈主齿之间形成有第二定子线圈主槽。
在一些实施方案中，所述第一定子模块中任一第一定子线圈边端槽、任一第一定子线圈主槽分别与第二定子模块中的相应第二定子线圈边端槽、相应第二定子线圈主槽对齐。
在一些实施方案中，所述两个定子模块内的电枢绕组为同相绕组，且反电势在相位上相同，幅值等效叠加。
其中，通过设置两个定子模块中的相应槽口对齐，同相绕组的反电势在相位上相同，幅值等效叠加，边齿的宽度对电机输出推力大小不造成影响，可以使电机具有推力密度高的特点。
在一些实施方案中，所述两个定子模块中定子线圈边端槽的宽度小于定子线圈主槽的宽度。
其中，通过将大小不同的边端槽与主槽配合使用，电枢绕组能够完整利用定子模块中的线圈槽空间，进而可以使得定子硅钢片和电枢绕组结构紧凑。
在一些实施方案中，任一定子模块中的两个定子线圈边齿宽度不等。
在一些实施方案中，所述两个定子模块的整体长度相等。进一步的，可以设置所述两个定子模块的整体长度及整体高度均相等。
其中，在保证削弱定位力前提下，使两个定子模块的尺寸相同，利于电机的模块化生产加工和拓展。
在一些实施方案中，所述第一定子模块中任一第一定子线圈边端槽、任一第一定子线圈主槽分别与第二定子模块中的相应第二定子线圈边端槽、相应第二定子线圈主槽呈中心对称。
在一些实施方案中，所述动子模块包括至少一组永磁体，其中一组永磁体包括两个边端永磁体和沿所述x轴方向排布于两个边端永磁体之间的多个主永磁体，所述边端永磁体的宽度小于主永磁体，且所述多个主永磁体的宽度相等。
进一步的，可以设置所述边端永磁体的宽度为主永磁体宽度的1/2。
进一步的，可以设置所述一组永磁体具有哈尔巴赫永磁阵列结构。
进一步的，所述动子模块还包括支撑背铁，所述支撑背铁两侧分别设有一组永磁体，该两组永磁铁对称设置，且该两组永磁体提供的磁路相互串联和/或并联。
优选的，在所述动子模块内采用双侧哈尔巴赫永磁阵列串联磁路，并设置边端永磁体的宽度为主磁体的一半，还可达成增强气隙磁密、磁密周期变化近正/余弦规律等优点。
进一步的，可以设置所述第一定子线圈边齿的宽度为wlt、所述第一定子线圈边端槽的宽度为wbc，所述第一定子线圈主齿的宽度为wt、所述第一定子线圈主槽的宽度为wc，所述第二定子线圈边齿的宽度为wrt、所述第三定子线圈边齿的宽度为wrb、所述第四定子线圈边齿的宽度为wlb，所述一组永磁体中的边端永磁体为z向充磁且宽度为pmzt/2，一个以上主永磁体为x向充磁且宽度为pmxt，一个以上主永磁体为z向充磁且宽度为pmzt，各边端永磁体和各主永磁体的高度均为pmh，且0<（wlt、wlb、wrt、wrb）<(pmxt+pmzt)。
进一步的，可以设置pmxt=pmzt。
进一步的，可以设置wlt≠wrt，wlt=wrb，wrt=wlb。
其中，通过在动子模块中采用边端永磁体半宽和主永磁体等宽度的哈尔巴赫阵列，可使齿槽力具有近正/余弦的变化规律，易调制齿槽力空间分布形状。
其中，通过在各定子模块中采用边端齿不等宽的设计，可调制出与齿槽力幅值相反相位相同的波动力，与齿槽力相互抵消，减小推力波动。
在一些实施方案中，所述动子模块与两个定子模块之间均设置有一气隙，且两个气隙大小相等或不等。
在一些实施方案中，所述动子模块设置在导轨上，并能沿所述导轨往复移动。进一步的，所述导轨沿所述x轴延伸。
其中，通过采用双侧等气隙结构，可以消除电机的法向力，减小动子模块与导轨间的摩擦力。
在一些实施方案中，所述直线电机具有平板型构型。
在一些实施方案中，所述直线电机主要由两个电枢绕组定子和双磁路并联的永磁动子组成。
本发明以上实施例主要通过调节两个定子模块中的边端齿宽度，使各边端力的合力可以被调制至与齿槽力相消，从而既可使得定位力削减明显，且不减小电机推力，使其具有推力密度高、波动小等特点，可提高执行器的操作精度，同时还使得电机结构简单，易于模块化加工。
以下通过具体实施例及附图，对本发明的原理与运行进行详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
本发明一典型实施例提供的一种双边模块化低定位力永磁同步直线电机（如下简称直线电机）主要由上、下两个电枢绕组定子（亦可定义为第一定子模块、第二定子模块）和双磁路并联的永磁动子（亦可定义为动子模块）组成。该第一定子模块、第二定子模块之中，定子铁芯的槽口分为大槽、小槽两种类型，各槽口中心对齐，在定子铁芯左右两侧设置了不等宽的边端齿。在设定的三维坐标系内，动子模块中的磁钢设置有x向充磁、z向充磁两种类型，边端配置有半宽的z向充磁磁体。其中，通过优化边端齿的宽度，可以调制出与齿槽力相位相同方向相反的合力，从而有效削弱定位力，并且适用于多种极槽配合。
进一步的，如图1所示，本实施例提供的直线电机包括上定子模块3、下定子模块3’、永磁动子模块5。其中，上定子模块3、下定子模块3’分别设置于永磁动子模块5的上、下两侧。该上定子模块3、下定子模块3’中的每一者均包括定子铁芯1和电枢绕组2。该动子模块5包括若干永磁体7，这些永磁体7放置在支撑背铁6的两侧呈一定规律排布；同时，该动子模块5下侧铺设有导轨4，可让动子模块在x方向上往复运动（运动方向如图1中双向箭头所示）。
进一步的，在该上、下定子模块3、3’之中，电枢绕组2嵌入到定子铁芯1的各定子线圈边齿与定子线圈主齿之间以及各定子线圈主齿之间，在定子线圈主槽中放置有两个相邻的电枢绕组的一边，在定子边端槽中仅放置电枢绕组2的一侧，如此可使电枢绕组能够完整利用定子槽空间，定子硅钢片和电枢绕组结构紧凑。当然，大、小槽的结构还可依据采用双层绕组还是单层绕组而进行选配和调制。
上、下定子模块的电枢绕组2同相之间为正负串联形式连接。
再请参阅图2所示，上定子模块3中的定子铁芯包含左侧上端定子线圈边齿1.1（宽度为wlt）、定子线圈边端槽1.2（宽度为wbc）、定子线圈主齿1.3（宽度为wt）、定子线圈主槽1.4（宽度为wc）、上下定子槽中心对称线1.5、右侧上端定子线圈边齿1.6（宽度为wrt）。下定子模块3’中的定子铁芯包含右侧下端定子线圈边齿1.7（宽度为wrb）、左侧下端定子线圈边齿1.8（宽度为wlb）、定子线圈主齿1.9、定子线圈边端槽1.10、定子线圈主槽1.11等。
特别地，上、下两个定子铁芯1的每个槽为中心对称，使上、下电枢绕组2的反电势和出力特性保持一致，无推力削减现象。
进一步的，可以设置wlt≠wrt，wlt=wrb，wrt=wlb。其中，一定子模块中的两个边端齿不等宽，可调制出与齿槽力幅值相反相位相同的波动力，使其与齿槽力相互抵消，从而减小推力波动。
其中，所述齿槽力的大小由所述直线电机的基本尺寸参数决定，且可以通过等效无边端磁槽力模型（参阅图7，其中包含等效无边端长定子模块8）、等效无磁槽力模型（参阅图8，其中包含等效无齿槽长动子模块9）分别求解出边端力和磁槽力。
进一步的，上、下定子模块可以是等尺寸的，以便于模块化生产加工和拓展。
请继续参阅图1，该永磁动子模块5可以是在导轨4的支撑下往复运动。该永磁动子模块5可以包括支撑背铁6和设置在支撑背铁6上下两侧的两组永磁体。支撑背铁6为永磁体的支撑板，起到固定和支持永磁体的作用。
该永磁动子模块5与两个定子模块之间可形成有双侧等气隙结构，从而可以消除电机的法向力，减小电机动子与导轨间的摩擦力。
同时，请参阅图3，该永磁动子模块5中的两组永磁体可以采用哈尔巴赫永磁体阵列。特别是，该永磁动子模块5中的两组永磁体为双哈尔巴赫阵列串联磁路排列方式，其中的主永磁体等宽度。
进一步的，其中的永磁体包括边端z向充磁磁钢7.1、z向充磁磁钢7.3和x向充磁磁钢7.2。其中，边端z向充磁磁钢7.1的宽度为pmzt/2，x向充磁磁钢7.2的宽度为pmxt，z向充磁磁钢7.3的宽度为pmzt，永磁体的高度为pmh。pmxt=pmzt。
特别地，永磁体的排列方式是为实现上、下磁路的串、并联，实现电机气隙磁密的加强，提高电机的推力密度，以及推力波动近正/余弦化。
该永磁体动子5可以采用7级6槽的单元极槽配合方式，但不限于此。
该直线电机中磁路结构也可以采用径向/横向充磁方式。
请参阅图4所示为本实施例中各边端力的特性及合成力的曲线示意图。各边端力的合力可以通过调节各边磁宽度wlt、wlb、wrt、wrb，从而调制其合力的幅值、相位。其中，各边磁宽度的调节范围与极距存在一定约束关系，即，满足0<（wlt、wlb、wrt、wrb）<(pmxt+pmzt)。
具体来说，前述边端力的合力可以通过下式计算：
fbz=fwlt+fwlb+fwrt+fwrb……式（1）
其中，左侧边端力可以表述为：
右侧边端力可以表述为：
综上，边端力的合力可表述为：
其中，各符号的含义如下：fwlt、fwlb、fwrt、fwrb分别为上、下定子模块3、3’中左上侧、左下侧、右上侧、右下侧边端力，a0为左侧边端力的常数项且与右侧边端力的常数项符号相反、大小相同，aw1n、aw2n是各边端力n次谐波的幅值，左、右侧边端力的aw2n项的幅值相等但符号相反，
请参阅图5所示为本实施例的齿槽力与边端力特性及合成力曲线的示意图。其中，齿槽力特性是由槽口宽度wc、wbc和pmxt、pmzt、pmh等决定，本领域人员可以按照已知方式，通过优化调节其长度，调制其合力dfz的变化幅值、相位。相应地，将各边端力调制得到的合力与齿槽力的合力进行比较、分析，当两个合力的相位相同、幅值相反时，可实现定位力的削弱，其效果如定位力的合力曲线所示。
一种对本实施例双边模块化低定位力永磁同步直线电机的性能进行优化的方法包括如下步骤：
s1：设定所述直线电机的电机参数，所述电机参数包括两个定子模块中定子铁心、电枢绕组的结构参数和/或性能参数以及动子模块中永磁体的结构参数和/或性能参数；
s2：依据所述电机参数，确定所述直线电机的基本性能，若所述基本性能不达标，则进入步骤s1，对所述电机参数进行调整，直至所述基本性能达标，反之，若所述基本性能达标，则进行步骤s3；
s3：计算所述两个定子模块的各边端力的合力以及各齿槽力的合力，由此计算出定位力的合力，若定位力的合力达标，则结束操作，反之，若定位力的合力不达标，则至少对wlt、wlb、wrt及wrb进行调整，并重新计算所述两个定子模块的各边端力的合力以及各齿槽力的合力，直至定位力的合力达标。
进一步的，前述的直线电机性能优化方法还可以参阅图6所示。其中，齿槽力是在设定了直线电机的基本参数（包括动子、定子、永磁体的参数等）并达到相关性能指标后，在无边端力模型下（参阅图7）求解得到磁槽力。其次，通过去除槽结构而保留边端的模型（图8），并参阅上式（1）-式（6），计算得到fwlt、fwlb、fwrt、fwrb。进而，可以通过优化边端齿的宽度wlt、wlb、wrt、wrb等参数，得到符合要求的定位力波动范围。
该实施例提供的直线电机是集成了双边绕组定子和永磁式动子的平板型结构，具有加工简单、低推力波动、高推力密度等特点。
在本发明中，术语“包括”、“包含”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
在本发明中，所涉及的前、后、上、下、左、右等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本发明请求保护的范围。
应当理解，在不冲突的情况下，本发明中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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