专利名称：一种双边型永磁直线同步电动机的制作方法
技术领域：
本发明属于同步电机技术领域，具体涉及一种双边型永磁直线同步电动机。
背景技术：
永磁直线同步电动机兼具永磁电机和直线电机的优势，将电能直接转换成直线运动机械能，不需要中间连动部分，不受离心力影响，具有结构简单、重量轻、体积小、高速高精度、高效率、大推力等显著优点，在高速数控机床、半导体加工、垂直升降输送系统，高速地面运输系统等领域得到广泛应用。双边型结构永磁直线同步电动机可以看成两个单边型结构永磁直线同步电动机背靠背而成，其推力是单边型结构的一倍，而体积重量相对于两个单边的永磁直线同步电机可明显减少，并且基本不存在法向吸力；一种典型的双边型永磁直线同步电机结构如图1所示。永磁直线同步电动机的工作原理如下所述:当电枢绕组通入交流电时，便在气隙中产生电枢磁场。同时，磁极永磁体产生励磁磁场。所述电枢磁场与永磁体励磁磁场合成构成气隙磁场。起动时拖动磁极或电枢，电枢行波磁场和永磁体励磁磁场相对静止，从而电枢绕组中的电流在所述气隙磁场的作用下产生电磁推力。如果电枢固定，则磁极在推力作用下牵入同步做直线运动；反之，则电枢牵入同步做直线运动。双边型永磁直线同步电动机与单边型直线电机一样，都存在齿槽效应和边端效应，从而产生了齿槽力和边端力，是推力波动的主要来源，也是制约直线电机性能的关键因素。为了解决该问题，现有的技术是考虑分数槽、斜槽、斜极，优化初次极的尺寸结构或者设计一个可以实施补偿的控制算法；但是，现有技术对推力性能的提升有限，特别是由于直线电机两端开断造成的电机的推力波动仍然较大。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种双边型永磁直线同步电动机，有效地削弱边端力，降低推力波动，达到高平稳的目的。一种双边型永磁直线同步电动机，包括:左右两侧磁极和设于两侧磁极间的电枢，所述的磁极由背铁和设于背铁内侧的永磁体组构成，所述的电枢由两块叠片式铁芯拼装而成；两侧磁极在水平方向上相互错开，两块铁芯在水平方向上齐平或两块铁芯在水平方向上相互错开，两侧磁极在水平方向上齐平。优选地，所述的铁芯的槽数比磁极的极数大1，电枢铁芯每个齿上均套设有一个电枢绕组，电枢绕组采用非重叠的全齿绕结构，适用于双边型结构，平均推力最大、推力波动最小。优选地，所述的两侧磁极在水平方向上的错开距离L或两块铁芯在水平方向上的错开距离L满足关系式L= T/k;其中，T为电动机的极距，k为给定的错距系数且为大于0的自然数，其根据电机尺寸确定。根据实际电机进行优化分析找出可以使推力波动显著减少且推力变化不大的最优的错开距离，使得推力波动与推力的比值降低到最小，极大地优化电机性能。优选地，所述的两块铁芯的拼装面间设有水冷机构；通过串联循环水冷，能够提高推力密度。所述的水冷机构为水冷管道，两块铁芯拼装面上开有管槽，所述的水冷管道设于
管槽中。所述的永磁体组由多个N极永磁体和多个S极永磁体交替排列组成；当两侧磁极在水平方向上齐平时，左永磁体组的各N极永磁体与右永磁体组的各N极永磁体 对准，左永磁体组的各S极永磁体与右永磁体组的各S极永磁体 对准。所述的背铁采用导磁材料；所述的永磁体采用钕铁硼、衫钴或铝镍钴等材料。本发明针对齿槽力和边端作用力在运行中都具有近似周期性变化的特性，两侧磁极或两块铁芯错开一定的距离L，可以使双边电枢的端部产生的边端力基本相互抵消，平均推力略微减小，基本变化不大，但对推力波动的抑制作用十分明显。电机两侧磁极错位与两块电枢错位的原理相同，对推力性能优化的效果也是相同的。另外由于电机主要损耗是铜耗和铁耗，本发明在电枢铁芯背部开设冷却水管槽，中间放置水冷管道，由外部冷却系统提供循环水，进行串联水冷，可以带走大部分的热量，提高推力密度；入口水温越低，可以达到的推力密度越大，但是为了防止冷凝，入口水温不能太低，一般与环境温度相差不超过3K ;此外，在工作环境温度比较高，电流密度比较大，考虑永磁体损耗等情况下，也要注意永磁体部分的温升，避免产生高温退磁。本发明具有以下有益技术效果:(I)本发明双边型结构中，选择铁芯的槽数与磁极的极数相差I的配合，且电枢绕组采用非重叠全齿绕结构，具有边端效应小，动子无单边法向力，推力大的优点。(2)本发明只需要错开左右两侧磁极或铁芯，就可以使边端力基本抵消，大大削弱推力波动，具有调节方便、易于实现、调节范围大、安装维护方便等优点，适用于高速高精度、高效率、大推力情况。(3)本发明双边型永磁同步直线电机与两个单边型永磁直线同步电动机在实现相同大小的推力情况下，电机的电枢体积比两个单边型结构的电枢体积可缩小15-20%，从而大大提高了推力密度，降低了电机的重量、体积和成本。(4)本发明可方便的在电枢铁芯背部开设冷却水管槽，中间放置水冷管道，由外部冷却系统提供循环水进行串联水冷，带走大部分的热量，降低温升，提高推力密度。
图1为现有双边型永磁直线同步电动机的结构示意图。图2为本发明基于电枢铁芯错开的同步电动机的结构示意图。图3为图2的侧视图。图4为电枢绕组接线示意图。图5为四种不同槽极比及绕组结构组合的电机的推力性能示意图。图6为现有同步电动机与本发明电动机的推力性能示意图。图7为本发明基于磁极错开的同步电动机的结构示意图。
具体实施例方式为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式
对本发明的技术方案进行详细说明。实施例1如图2所示，一种双边型永磁直线同步电动机，包括左右两侧磁极I和设于两侧磁极I间的电枢2 ;磁极I由背铁11和设于背铁11内侧的永磁体组构成，电枢2由两块叠片式铁芯22拼装而成，两块铁芯22的拼装面间设有水冷管道4。两块铁芯22在水平方向上以一定距离L错开，两侧磁极I在水平方向上齐平；7欠磁体组由多个N极永磁体12和多个S极永磁体13交替排列组成；当两侧磁极I在水平方向上齐平时，左永磁体组的各N极永磁体与右永磁体组的各N极永磁体 对准,左永磁体组的各S极永磁体与右永磁体组的各S极永磁体 对准。本实施方式以电枢2为动子，两侧磁极I为定子，电枢铁芯22每个齿上均套设有一个电枢绕组21，电枢绕组21采用非重叠的全齿绕组结构，电枢绕组21的三相接线方式如图4所示。如图3所示，两侧磁极I设于底座6上，电枢2下方安装有导轨3，导轨3起到固定气隙、支撑动子、引导方向、减小摩擦等作用，整个电机系统结构简单，控制方便。但是电枢动子位置较高，与定子相互作用时也需要适当抬高定子，故也可以将电枢2吊挂于平板5下方，再由安装在两磁极I外侧底座上的导轨支撑平板5 ;相对于直接在电枢2下安装导轨3来说，该结构更加稳定牢固，气隙宽度固定，适用于高速高精度的场合，但是需要利用平板5吊挂电枢2，使得电机系统的重量体积和成本有所增加。电枢2为动子时，电机的效率较高，但需要同时移动电缆与水冷管道4，需要借助坦克链，电机的行程不能太长。对于双边型结构，一般存在电枢铁芯的槽数与磁极的极数相差I或2的配合，电枢绕组可以采用非重叠全齿绕结构或交替齿绕结构，为此我们特别考察了双边型电机的不同槽极比和绕组结构配合对其推力性能的影响。图5显示了双边型12槽/10极交替齿绕绕组结构(D-S-12/10)，12槽/10极全齿绕绕组结构(D-D-12/10)，12槽/11极交替齿绕绕组结构(D-S-12/11)和12槽/11极全齿绕绕组结构(D-D-12/11)的推力性能比较分析结果；从图中可以看出，D-D-12/11结构的电机平均推力最大、推力波动最小，推力波动/推力仅为4.5%，最适用于双边型结构。因此，电机全齿绕绕组且槽极数相差I是最优选择，在要求大推力和高精度的场合，具有巨大的优势和应用潜力；故本实施方式电机采用电枢铁芯槽数为12磁极极数为11的全齿绕绕组结构。同时本实施方式针对边端力在运行中具有近似周期性变化的特性，当电机两侧的左永磁体组和右永磁体组的N极、S极的数目相同且一一对准时，左右两块铁芯错开一定的距离L，可以使端部产生的边端力基本相互抵消，平均推力略微减小，基本变化不大，但对推力波动的抑制作用十分明显，图6所示了额定出力为1225N的12槽/11极全齿绕绕组结构的双边型永磁直线同步电动机选择错位与没有错位的推力性能比较。左右铁芯错开的距离不能过大，否则电机的推力也会显著减小，应根据实际电机进行优化分析找出可以使推力波动显著减少且推力变化不大的最优的错开距离，使得推力波动与推力的比值降低到最小，极大地优化电机性能。本实施方式中错开距离L满足关系式L= T/k;其中，T为电动机的极距，k为给定的错距系数且为大于0的自然数，其根据电机尺寸确定。本实施例中T = 22.8mm, k = 7,计算得到L = 3.26mm。实施例2如图7所示，一种双边型永磁直线同步电动机，包括左右两侧磁极I和设于两侧磁极I间的电枢2 ;磁极I由背铁11和设于背铁11内侧的永磁体组构成，电枢2由两块叠片式铁芯22拼装而成，两块铁芯22的拼装面间设有水冷管道4。两侧磁极I在水平方向上以一定距离L错开，两块铁芯22在水平方向上齐平；7欠磁体组由多个N极永磁体12和多个S极永磁体13交替排列组成；本实施方式以电枢2为定子，两侧磁极I为动子，电枢铁芯22每个齿上均套设有一个电枢绕组21，电枢绕组21采用非重叠的全齿绕结构。本实施方式针对边端力在运行中具有近似周期性变化的特性，当左右两侧电枢铁芯完全对齐，无错位时，左永磁体组和右永磁体组的N极，S极的数目相同但错开一定的较小距离L，可以使端部产生的边端力基本相互抵消。本实施例错开距离L与实施例1相同。与实施例1相比，由于左右两侧磁极相互独立，错开永磁体的方式在加工上更容易实现，只需要相应的移动永磁体组，也就是磁极的位置，便可以无限制的实现任意的错开距离，操作非常灵活，可以实现不同的推力性能，比如当需要最大的推力而对推力波动要求不高的场合可以选择错开的距离为零，当对推力性能要求很高时，可以错开最优的距离，使得推力略微减小而推力波动大大减小。此外，铁芯不需要错位，可以大大的简化工艺流程，而实施例1对于不同的电机需要设计加工不同的特殊的电枢结构，使得电机的成本提高。但本实施方式要精确实现左右两侧永磁体的错位距离相比于铁芯错位有更大的难度。将本实施方式用于直线短距离传输时，所需要的导轨长度远大于实施例1中所需要的导轨长度，比如当进行距离为电机磁极长度的传输时，需要导轨的长度至少为两倍的磁极长度，则需要的材料成本增加；并且运行中始终保持两侧磁极永磁体完全对位有一定难度。但是，将本实施方式用于环形或者分段式长距离传输时(磁极可与分布在不同处的多个电枢相互作用)，导轨长度影响很小，成本增加可以忽略，并且分段式长距离传输极大地减少了磁极的长度，可以节省永磁材料，大大降低成本。本实施方式直接在磁极下方安装导轨，不需要增加额外的辅助元件，制造简单，节约成本，便于维护，且电枢部分的水冷机构不用跟随动子运动。
权利要求
1.一种双边型永磁直线同步电动机，包括两侧磁极和设于两侧磁极间的电枢，所述的磁极由背铁和设于背铁内侧的永磁体组构成，所述的电枢由两块叠片式铁芯拼装而成；其特征在于:两侧磁极在水平方向上相互错开，两块铁芯在水平方向上齐平或两块铁芯在水平方向上相互错开，两侧磁极在水平方向上齐平。
2.根据权利要求1所述的双边型永磁直线同步电动机，其特征在于:所述的铁芯的槽数比磁极的极数大I,电枢绕组采用非重叠的全齿绕结构。
3.根据权利要求1所述的双边型永磁直线同步电动机，其特征在于:所述的两侧磁极在水平方向上的错开距离L或两块铁芯在水平方向上的错开距离L满足关系式L= x/k ；其中，T为电动机的极距，k为给定的错距系数。
4.根据权利要求1所述的双边型永磁直线同步电动机，其特征在于:所述的两块铁芯的拼装面间设有水冷机构。
5.根据权利要求1所述的双边型永磁直线同步电动机，其特征在于:所述的永磁体组由多个N极永磁体和多个S极永磁体交替排列组成。
6.根据权利要求4所述的双边型永磁直线同步电动机，其特征在于:所述的水冷机构为水冷管道，两块铁芯拼装面上开有管槽，所述的水冷管道设于管槽中。
全文摘要
本发明公开了一种双边型永磁直线同步电动机，包括两侧磁极和设于两侧磁极间的电枢，电枢由两块叠片式铁芯拼装而成；两侧磁极在水平方向上相互错开，两块铁芯在水平方向上齐平或两块铁芯在水平方向上相互错开，两侧磁极在水平方向上齐平。本发明通过令铁芯的槽数比磁极的极数大1，并错开左右两侧磁极或两块铁芯，使边端力基本抵消，从而大大削弱推力波动，具有调节方便、易于实现、调节范围大、安装维护方便等优点，适用于高速高精度、高效率、大推力情况。
文档编号H02K41/03GK103107672SQ20131002538
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月23日 优先权日2013年1月23日
发明者卢琴芬, 张新敏, 程传莹, 叶云岳 申请人:浙江大学