专利名称：一种各相绕组线圈拆分布置的永磁同步直线电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及直线电机领域，具体涉及一种永磁同步直线电机。
背景技术：
永磁同步直线电机具有直接驱动带来的传动链短，结构简单、加减速响应快、推力 密度大，定位精确等突出优点，但存在推力波动大的明显缺点，精密运动控制时产生低速爬 行等现象，严重影响电机的运动控制性能。推力波动成分主要包括边端磁阻力、齿槽效应力 和电磁推力脉动，其中边端磁阻力是由于初级电枢铁芯具有的长直、开断的边端，受到电磁 吸力拖曳而产生的随运动位置大幅变化的边端力；同时铁芯边端又使得直线电机不具备旋 转电机那样的各相绕组封闭循环的特点，引起各相绕组参数的不对称，产生较大幅度的电 磁推力脉动，进一步影响了直线电机的控制特性。由于各推力波动成分的影响因素不同，现 有的各种降低推力波动方法中，大多针对各自的结构特点而采取相应的技术措施减弱某一 单项波动，均具有一定效果。对于边端力的本质，可以理解为由于电枢铁芯有限长形成的问 题，即较长尺度的铁芯有利于减小边端力在总推力中所占的比重；同时，绕组线圈数越多越 有利于均化齿槽力波动；另外，电磁脉动较大是由于存在边端部位绕组而产生相间参数不 对称所引起的，显然多绕组数的电枢铁芯也能大大弱化其影响。由此可见，直线电机的基本 特性限制了采用少线圈数的较短铁芯尺度的电枢结构的应用，而机械、电子装备自动化的 快速发展对小尺度、大推力、高速高精度的永磁直线同步电机应用需求和要求都在不断提 高，因此解决与单对极旋转电机对应的每相具有单线圈绕组数的永磁同步直线电机的推力 波动幅度大的问题，对提高直线电机性能、扩大其应用范围具有重要作用。
发明内容本实用新型的目的在于针对每相采用单线圈绕组的带铁芯短初级型永磁同步直 线电机，提供一种电枢各相绕组拆分布置的永磁同步直线电机，可大幅降低静推力波动幅 度，提高电机性能。本实用新型的技术方案为一种各相绕组拆分布置的永磁同步直线电机，包括次级和初级，其特征在于，所述 初级的电枢绕组多相供电，每相采用单一线圈和独立铁芯，各铁芯沿纵向依次分开布置在 所述次级上，并通过非导磁材料刚性联接为一整体。作为本实用新型的进一步改进，各绕组铁芯的机械角距离为η τ +m τ /q，其中，q 为电机电源相数也即分拆铁芯数，η、m为正整数，且m与q互为质数，τ为极距。作为本实用新型的进一步改进，所述次级纵向上布置有交替等距排列的N极和S 极磁钢。作为本实用新型的进一步改进，所述初级和次级横向上绕成筒形。作为本实用新型的进一步改进，所述初级和次级在平面上布置。一种各相绕组拆分布置的永磁同步直线电机，由各相电枢铁芯组合初级和交替均枢绕组多相供电，相数为q，每相采用单一线 圈和独立铁芯，各铁芯按其绕组电相位分开布置在次级上，然后用非导磁材料刚性联接形 成一个整体初级。本实用新型的技术效果体现在本实用新型直线电机电枢不同相绕组线圈分开布 置，在空间上形成了与旋转电机相似的各相绕组对称特性，能有效减小边端磁阻力和电磁 脉动等推力波动成分。本实用新型直线电机除具有一般直线电机具有的传动结构简单、系 统加减速响应快、定位精确等优点外，由于具有最小的线圈数，同时又能大幅减少直线电机 中各推力波动成分，是一种尺寸小、推力大而波动小的高性能永磁同步直线电机，具有广泛 的应用范围和领域。
图1是电枢绕组各相线圈铁芯拆分方法示意图；图2是平板型各相绕组线圈拆分布置结构示意图；图3是圆筒型各相绕组线圈拆分布置结构示意图；图4是一种实施例的计算几何模型，其中，4a为3相六槽绕组线圈拆分布置电机示 意图，4b为传统结构3相六槽电机示意图；图5是线圈拆分布置电机与传统结构3相六槽电机静推力特性曲线比较图，其中， 5a是电机静推力比较曲线，5b是静推力波动幅度比较曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。图1是一种采用各相绕组线圈拆分布置方法的平板型永磁同步直线电机结构示 意图，用以说明本实用新型的方法及原理。图中电机为q相供电，则初级电枢绕组拆分为图 中1、2、3和4所标示的q个带铁芯的线圈；次级由纵向交错排列的N、S极永磁体5、6，以 及铁轭7组成；q个铁芯按其线圈电相位沿次级纵向依次移距η τ +m τ /q布置，n、m为正整 数，m与q互为质数，τ为极距，η以铁芯间电磁影响小为原则选取，须保证铁芯间隔大于 τ，再由非导磁材料8将各铁芯刚性联接而成整体初级。这样拆分布置方法既提供了分布 上的灵活性，又保证相间相差依然为2 π /q。按该电相拆分布置线圈绕组的方法得到的直线电机，其q相绕组在空间上重新构 造出了对称循环的特性，能直接消除q阶及其倍频以外的全部推力波动谐波成分，使推力 波动值大幅降低；同时，在传统直线电机结构中，不同影响因素产生的推力波动成分特性差 异大，只能逐项采取不同削减措施，而拆分布置线圈绕组的直线电机，其残留的谐波成分不 论推力波动成分来源，均具有相似的频率特征，使残留的推力波动能通过电机基本尺度综 合的方法得到较彻底的消除。因此，本实用新型提出的电机具有推力波动幅度小的特性，是一种高性能的直线 电机。下面给出几个具体实施例实施例一图2为平板型3相绕组线圈拆分布置结构示意图。该实施例中，次级由纵向交错排列的N、S极永磁体5、6和铁轭7组成；初级由沿次级纵向布置的拆分绕组线圈铁芯1、2、 3，用25% Ni钢8刚性联接形成。铁芯1、2、3依次按机械角距差τ/3纵向移距布置，即机 械相距差为τ /3，由此构成了平板型3相绕组线圈拆分布置永磁同步直线电机。实施例二 图3为圆筒形3相绕组线圈拆分布置永磁同步直线电机，相当于由图2所示的电 机沿横向绕成筒形得到。该电机次级具有轴状结构，按极距τ在铁轭轴7圆柱面上沿纵向 依次循环排列有环状N、S极永磁体5和6。初级由与次级模块同轴心的圆环形拆分绕组线 圈及其铁芯模块1、2和3构成，铁芯模块间依次按机械角距差τ /3纵向移距布置，用25% Ni钢件8刚性联接形成整体初级。实施例三图4a为一种3相六槽绕组线圈拆分布置永磁同步直线电机的计算几何模型图。 该实施例中，电枢三相交流供电，3相绕组各相线圈分拆布置在3个铁芯中，总槽数为6，单 铁芯长度Ll = 35mm、高H = 44mm，宽W = 50mm，槽距t = 13. 6mm，槽宽ts = 7mm，线圈匝 数为100、电流5A，极距τ = 16mm,磁隙δ = 0. 9mm,各铁芯模块纵向间移距2 τ +2 τ /3 = 42.667mm。对应图中各模块槽的绕组接线相序如下Iaxczb Υ其中，A、Β、c为绕组的三相电流相序，χ、Υ、ζ分别对应其反相电流相序。图4b为传统结构3相六槽电机示意图，为图4a绕组线圈拆分布置前的参考原型。 图4b铁芯长L2 = 103. 5mm，槽距t = 13. 33mm，槽宽ts = 6mm，其余计算参数同图4a.图5是对实施例三的线圈拆分布置电机与传统结构3相六槽原型电机静推力特性 曲线比较图，该结果由应用大型商用电磁软件进行有限元仿真计算得到，其中，图5a是电 机静推力比较曲线，图5b是静推力波动幅度比较曲线。电机推力波动幅度按推力波动幅值除以推力平均值的相对值衡量。比较曲线表 明，线圈拆分布置电机的平均推力值为43. 5N，推力波动幅度为4.5%，传统结构电机的平 均推力值为43N，推力波动幅度为18.8%。因此，线圈拆分布置永磁同步直线电机平均静推 力基本无变化，而推力波动性下降4. 1倍。
权利要求1.一种各相绕组拆分布置的永磁同步直线电机，包括次级和初级，其特征在于，所述初 级的电枢绕组多相供电，每相采用单一线圈和独立铁芯，各铁芯沿纵向依次分开布置在所 述次级上，并通过非导磁材料刚性联接为一整体。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，各绕组铁芯的机械角距离为ητ +m τ /q， 其中，q为电机电源相数也即分拆铁芯数，n、m为正整数，且m与q互为质数，τ为极距。
3.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述次级纵向上布置有交替等距排列 的N极和S极磁钢。
4.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述初级和次级横向上绕成筒形。
5.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述初级和次级在平面上布置。
专利摘要本实用新型公开了一种电枢各相绕组线圈拆分布置的永磁同步直线电机，包括次级和初级，初级电枢绕组多相供电，相数为q，每相采用单一线圈和独立铁芯，各铁芯按其绕组电相位分开布置在次级上，然后用非导磁材料刚性联接形成一个整体初级。不同相绕组线圈分开布置，在空间上形成了与旋转电机相似的各相绕组对称特性，能有效减小边端磁阻力和电磁脉动等推力波动成分。本实用新型直线电机除具有一般直线电机具有的传动结构简单、系统加减速响应快、定位精确等优点外，还能大幅减少直线电机中各推力波动成分，是一种尺寸小、推力大而波动小的高性能永磁同步直线电机，具有广泛的应用范围和领域。
文档编号H02K41/03GK201928178SQ20102066154
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者杨家军, 程远雄, 郤能 申请人:华中科技大学