一种低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法

本发明涉及直线电机优化设计领域的一种低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法。

背景技术：

1、永磁直线电机是一种可以将电磁能与直线运动的机械能进行相互转化而无需任何中间传动或转换机构的电磁机械装置，在国防军事、轨道交通、工业制造等需要高性能直线运动的领域有着广泛的应用。近年来，得益于直线电机理论和材料性能的突破，控制策略和拓扑结构的创新，直线电机的性能不断提升，其市场规模呈现爆发式增长。进入二十一世纪随着永磁直线电机领域纵深发展、新兴直线电机市场不断涌现，对永磁直线电机提出了更高的性能需求，包括更高的推力密度、更准确的定位精度和更可靠的运行状态等。为了获取更高的定位精度与更可靠的运行状态如何降低永磁直线电机的推力波动越来越受到人们的关注。

2、引起直线电机推力波动大的原因，从电磁性能来看，基本上分为两类，一种是由于定子铁芯开槽引起电机气隙磁路磁阻变化从而引起的推力波动(即齿槽效应)，另外一类是由于定子端部铁芯开端造成电机端部气隙磁场断开(即端部效应)引起的推力波动。这两种效应主要是电机的初级与次级结构在电机运行过程中产生相互作用而引起的，其中端部效应是影响电机推力波动的主要因素。现有方法中，降低电机端部效应的方法一般是通过分析电机端部力产生机理优化初级铁心长度，然后基于有限元方法设计辅助齿，这些方法可以一定程度抑制端部效应，但是却没有形成统一的设计方法，且优化过程繁琐。此外，现存端部辅助齿结构单一，其应用也存在一定的局限性。

技术实现思路

1、针对现有的永磁同步直线电机推力波动较大的技术问题，本发明提出一种低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，能够快速根据电机基本结构参数设计降低其推力波动的端部辅助机构形式及具体结构参数，具有应用简单且效果明显的优势。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，其步骤如下：一种低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，其步骤如下：

3、步骤一：基于永磁同步直线电机的端部推力数学模型推导得到电机推力波动最小时电机端部辅助结构长度的极值；

4、步骤二：在电机辅助结构长度确定的基础上，运用有限元分析方法和参数协同优化方法优化端部辅助结构；

5、步骤三：建立长度较长的端部辅助结构的多层平壁结构，基于有限元分析和参数协同优化方法对多层平壁结构优化，衍生出多种梳状齿端部辅助结构。

6、优选地，所述步骤一的推导过程为：

7、永磁同步直线电机定子两端的定位力f+和f-具有相同的幅值和波动规律，单边永磁同步直线电机的定位力表示为：

8、

9、其中，fn为定位力n次谐波的幅值，τ为电机极距，n为任意整数；

10、所述幅值fn为：

11、

12、其中，fsn表示径向法向力，fcn表示轴向法向力；δ为定位力f+和f-的波形的相位差；

13、对和进行换算得到定位力n次谐波的幅值为：

14、

15、对幅值fn关于动子铁芯端部长度l求导，并且使得到：

16、

17、当电机初级铁芯端部长度为和时，电机定位力n次谐波的幅值为极大值或极小值。

18、优选地，所述永磁同步直线电机定子两端的定位力f+和f-表示为：

19、f-|z＝z′＝f+|z＝z′＝(z′+δ),δ＝ls-nτ；

20、其中，z′为次级的任意位置，ls为动子长度；

21、在幅值fn中，和表示为：

22、

23、并且动子长度ls为ls＝nτ+2l；其中，l是动子铁芯端部长度；

24、则和表示为：

25、

26、优选地，所述电机推力波动最小时电机端部辅助结构长度有两类，包括辅助齿和辅助槽的宽度之和为电机极距的3/8倍和辅助齿和辅助槽的宽度之和为电机极距的5/8倍，电机推力波动最小时的两类电机端部辅助结构长度有相同的降低电机推力波动的效果。

27、优选地，所述步骤二的有限元分析方法的实现方法为：建立多槽多极永磁同步直线电机有限元模型：建立端部辅助结构宽度分别为电机极距的3/8倍和5/8倍的多槽多极永磁同步直线电机有限元模型，永磁同步直线电机有限元模型的端部辅助结构包括辅助齿和辅助槽，设辅助槽的宽度为w_fuzhuslot，辅助齿的宽度为w_fuzhutooth，辅助齿较初级铁芯部分的齿缩短高度为h_fuzhutooth。

28、优选地，所述步骤二中参数协同优化方法的实现方法为：协同改变辅助槽的宽度、辅助齿的宽度和辅助齿较初级铁芯部分的齿缩短高度，计算不同参数下的电机的推力，得到将不同参数组合下的电机模型，根据电机推力波动随着三个参数的变化得到辅助齿和辅助槽的宽度之和为电机极距的3/8倍和辅助齿和辅助槽的宽度之和为电机极距的5/8倍的端部辅助结构具有相同的降低电机推力波动的效果，使得电机的推力波动降低到2.63％。

29、优选地，所述步骤三中建立长度为电机极距5/8倍的端部辅助的多层平壁结构。

30、优选地，所述步骤三种衍生出5种梳状齿端部辅助结构。

31、优选地，辅助齿和辅助槽的宽度之和为电机极距的5/8倍时，建立多层平壁优化结构，与电机初级铁芯连接部分的端部辅助槽的背铁厚度为h_fuzhuslot，宽度为w_fuzhuslot；经过参数协同优化方法得到5种梳状齿端部辅助结构；参数协同优化中，先优化分层结构中的第二和第四部分结构的高度，优化分层结构中的第一、三和五部分结构的高度；再与端部辅助槽的背铁厚度h_fuzhuslot、宽度w_fuzhuslot、分层结构的宽度协同小于分层结构的高度的步长进行协同参数优化。

32、优选地，所述5种梳状齿端部辅助结构中包括结构端部齿包含三个分层结构且分层结构中间由空气隔开的基础结构以及在基础结构的基础上缩减了部分端部辅助齿背铁结构、在基础结构的基础上去掉最左端分层结构以及端部齿背铁部分结构、在基础结构的基础上去掉了端部辅助齿背铁结构、在基础结构的基础上去掉了中间分层结构。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果：低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计简单可行，其衍生出来的梳状齿辅助结构丰富了永磁同步直线电机端部辅助结构，使得在实际应用过程中能根据实际需要设计不同的端部辅助结构。与普通辅助结构相比，本发明得到的永磁同步直线电机梳状齿辅助结构更加灵活，可根据工程实际需要进行选择。

技术特征：

1.一种低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，其特征在于，其步骤如下：

2.根据权利要求1所述的低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，其特征在于，所述步骤一的推导过程为：

3.根据权利要求2所述的低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，其特征在于，所述永磁同步直线电机定子两端的定位力f+和f-表示为：

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，其特征在于，所述电机推力波动最小时电机端部辅助结构长度有两类，包括辅助齿和辅助槽的宽度之和为电机极距的3/8倍和辅助齿和辅助槽的宽度之和为电机极距的5/8倍，电机推力波动最小时的两类电机端部辅助结构长度有相同的降低电机推力波动的效果。

5.根据权利要求4所述的低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，其特征在于，所述步骤二的有限元分析方法的实现方法为：建立多槽多极永磁同步直线电机有限元模型：建立端部辅助结构宽度分别为电机极距的3/8倍和5/8倍的多槽多极永磁同步直线电机有限元模型，永磁同步直线电机有限元模型的端部辅助结构包括辅助齿和辅助槽，设辅助槽的宽度为w_fuzhuslot，辅助齿的宽度为w_fuzhutooth，辅助齿较初级铁芯部分的齿缩短高度为h_fuzhutooth。

6.根据权利要求5所述的低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，其特征在于，所述步骤二中参数协同优化方法的实现方法为：协同改变辅助槽的宽度、辅助齿的宽度和辅助齿较初级铁芯部分的齿缩短高度，计算不同参数下的电机的推力，得到将不同参数组合下的电机模型，根据电机推力波动随着三个参数的变化得到辅助齿和辅助槽的宽度之和为电机极距的3/8倍和辅助齿和辅助槽的宽度之和为电机极距的5/8倍的端部辅助结构具有相同的降低电机推力波动的效果，使得电机的推力波动降低到2.63％。

7.根据权利要求5或6所述的低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，其特征在于，所述步骤三中建立长度为电机极距5/8倍的端部辅助的多层平壁结构。

8.根据权利要求7所述的低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，其特征在于，所述步骤三种衍生出5种梳状齿端部辅助结构。

9.根据权利要求8所述的低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，其特征在于，辅助齿和辅助槽的宽度之和为电机极距的5/8倍时，建立多层平壁优化结构，与电机初级铁芯连接部分的端部辅助槽的背铁厚度为h_fuzhuslot，宽度为w_fuzhuslot；经过参数协同优化方法得到5种梳状齿端部辅助结构；参数协同优化中，先优化分层结构中的第二和第四部分结构的高度，优化分层结构中的第一、三和五部分结构的高度；再与端部辅助槽的背铁厚度h_fuzhuslot、宽度w_fuzhuslot、分层结构的宽度协同小于分层结构的高度的步长进行协同参数优化。

10.根据权利要求8或9所述的低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，其特征在于，所述5种梳状齿端部辅助结构中包括结构端部齿包含三个分层结构且分层结构中间由空气隔开的基础结构以及在基础结构的基础上缩减了部分端部辅助齿背铁结构、在基础结构的基础上去掉最左端分层结构以及端部齿背铁部分结构、在基础结构的基础上去掉了端部辅助齿背铁结构、在基础结构的基础上去掉了中间分层结构。

技术总结
本发明公开了一种低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，用于解决现有的永磁同步直线电机推力波动较大的技术问题。本发明的步骤为：基于永磁同步直线电机的端部推力数学模型推导得到电机推力波动最小时电机端部辅助结构长度的极值；在电机辅助结构长度确定的基础上，运用有限元分析方法和参数协同优化方法优化端部辅助结构；建立长度较长的端部辅助结构的多层平壁结构，基于有限元分析和参数协同优化方法对多层平壁结构优化，衍生出多种梳状齿端部辅助结构。本发明简单可行，其衍生出来的梳状齿辅助结构丰富了永磁同步直线电机端部辅助结构，得到的永磁同步直线电机梳状齿辅助结构更加灵活，可根据工程实际需要进行选择。

技术研发人员：刘小梅,赵洲阳,王豪苒,贾宛英,季玉琦,邱洪波,聂沛林
受保护的技术使用者：郑州轻工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17