一种无槽永磁直线同步电动机及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种无槽永磁直线同步电动机及其制造方法，该电动机包括动子、气隙和静止部分，所述动子由初级轭和绕组构成，绕组通过玻璃丝带捆扎起来，然后将绕组通过有机硅玻璃漆布固定在初级轭上，然后用环氧树脂封装并固定在其上面；永磁体和次级轭为静止部分，永磁体用环氧树脂固定在次级轭上。本发明基于无槽永磁直线同步电动机的理论，建立该电机的解析模型，按照本设计思路，通过电磁参数和结构参数的分析，可以了解采用本设计方法和模型建立的合理性。验证无槽永磁直线同步电动机的初级无开槽、绕组嵌放简单、槽满率高、温度系数低、端部绕组减少，无磁阻阻力、推力脉动小、噪声低、控制精度高及制造工艺简单等特点。
【专利说明】一种无槽永磁直线同步电动机及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机电【技术领域】，涉及一种无槽永磁直线同步电动机，具体地说涉及一种无槽永磁直线同步电动机及其制造方法。
【背景技术】
[0002]无槽永磁直线同步电动机兼有永磁直线同步电动机和无槽电机双重优点。从检索文献而言，国内基本没有开展，国外的研究工作主要集中在部分改进设计(如提高功率密度等)、电磁场计算(二维有限元分析、三维空间谐性函数)等方面。纵观国内外的研究，对于无槽永磁直线同步电动机的研究并不多，世界上仅有韩国、美国等少数国家对此研究。研究成果有限，只是实验性的东西，如韩国汉城大学研制的X-Y结构桶架、韩国电工研究所及韩国Chungnam大学应用于生产伺服系统的无槽永磁直线同步电动机、美国加利福尼亚州SantaClarita, Baldor电子公司的Baldor无槽永磁直线同步电动机等。这些都是以有槽永磁直线同步电动机的研究为基础。
[0003]永磁直线同步电动机作为20世纪下半叶电工领域中出现的具有新原理、新理论的新技术，激起了国内外研究者和工业厂家对此研究的浓厚兴趣，并取得了一定的研究成果。从空间角度出发有永磁直线同步电机垂直运输系统、水平运输系统之分。在研究垂直运输系统方面:主要有日本、俄罗斯、南非、德国、中国等。日本的研究重点放在高层建筑电梯方面，试验模型基本上是原理性的，发表的数十篇性能研究论文，都是基于原理性的实验结论；俄罗斯研究重点是直线电机驱动的矿井提升系统，这是一个很有发展潜力的研究方向，到目前为止，公开发表的论文几乎末有见到，专利检索也仅发现有几个机械部件申请专利，很难推测其研究和应用水平；南非也进行类似的研究，威特沃特斯兰德大学(TheUniversity of the ffitwatersrand)的RupertJ.Cruise、LandyC.F.等人在 1994年到 2000年发表数篇直线电机深井提升方面的文章；德国M.Platen等人也进行PMLSM垂直提升方面研究，主要集中在有限元数值仿真、边端效应分析、推力波动分析、系统优化设计等方面；1993年河南理工大学(原焦作工学院)直线电机研究所开始对于永磁直线电机无绳提升系统的研究工作，是国内唯一开展此项专题研究单位，受到国家、省部自然科学基金、重大攻关以及河南省重点学科基金的资助和支持，完成“直线同步电机提升系统理论与控制研究”等研究项目十余项。自行研制IOm高永磁直线同步电动机驱动的新型无绳提升实验系统，其结果运行良好，充分展示这一系统的新颖和独特。目前河南理工大学直线电机研究所有关这方面的研究处于国内外的前列，理论和实验研究都取得许多重大突破，如:创立不同与传统分析方法的永磁直线电机统一线性理论体系；创立永磁直线电机的(一维、二维、三维)整体解析理论；创建国内外首台载荷1.5T的永磁直线电机驱动的无绳提升实验系统(装置)。实现“五无”提升模式:无钢丝绳、无配重、无井架、无中间传动、无提升高度限制。在水平方面，国外如日本研制超导型(EDS)磁悬浮列车、德国常导型(EMS)磁悬浮列车等；国内如自行研制不同于日本、德国的MAS-3型磁悬浮列车，被同行专家称为“另类磁浮”，它的性能不比日本、德国差，其价格比他们的低；河南理工大学直线电机研究所成功研制新型水平运输试验装置，可广泛用于运料车间、生产线等工业生产领域；直线电机的研究单位在国内还有中国科学院电工所、西安交通大学、浙江大学、太原理工大学、沈阳工业大学、上海大学、清华大学、中国矿业大学等。
[0004]永磁直线同步电动机、无槽永磁电机依然采用传统的设计方法，对于齿槽的分析考虑齿槽的效应、还要考虑齿槽的形状、分布以及深浅等影响，分析起来比较复杂，不易考虑周全，所以建立完善模型比较困难；同时电磁推力受齿槽的影响波动比较大，因此产生的振动噪声也比较大，除此之外，结构制造比较麻烦，不易冷却等。而对于本文设计的无槽永磁直线同步电动机的设计除采用传统的方法基础上，对于永磁体、电枢绕组采用等效电流法分析电流密度，它比较客观、接近实际分析，不用考虑齿槽的影响，因为齿的磁导率比空气、电枢绕组的磁导率大很多倍，基本上可以将空气、电枢绕组的磁导率忽略，这样给分析和设计结构带来很大的方面，由于没有齿槽的影响，所以电磁推力波动变小，推力比较平滑，适用于控制精度高的场合；电枢绕组采用集中分布，互不搭接，是由许多模型组成，其一模型是由4极3绕组组成。
[0005]现有技术的缺点是对于永磁直线同步电动机、无槽永磁电机的设计依然采用传统的方法，该类电机结构复杂、振动噪声比较大、电磁推力波动比较大。无槽永磁直线同步电动机兼有无槽永磁电机与永磁直线同步电动机的特点。无槽永磁直线同步电动机具有初级无开槽、绕组嵌放简单、槽满率高、温度系数低、端部绕组减少，无磁阻阻力(初级齿槽与永磁体相互作用力)、推力脉动小、噪声低、磁饱和较低、控制精度高及制造工艺简单等特点；但是它还具有功率密度低的缺点。对于该电机的设计主要是基于无槽永磁直线同步电动机的优点，它适合应用于控制精度高的场合。
【发明内容】
[0006]为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种无槽永磁直线同步电动机及其制造方法，该电机具有初级无开槽、绕组嵌放简单(用环氧树脂浇铸)、槽满率高、温度系数低、无磁阻阻力(初级齿槽与永磁体相互作用力)、推力脉动小、控制精度高以及工艺简单等特点。这类电机适用于高精度和控制精度高的场合。其技术方案如下:
[0007]一种无槽永磁直线同步电动机，包括动子、气隙和静止部分，所述动子由初级轭和绕组构成，绕组通过玻璃丝带捆扎起来，然后将绕组通过有机硅玻璃漆布固定在初级轭上，然后用环氧树脂封装并固定在其上面；永磁体和次级轭为静止部分，永磁体用环氧树脂固定在次级轭上。
[0008]进一步优选，所述绕组采用的铜导线为聚酯漆包线，绝缘等级B、裸导线线径为1.00±0.15mm、漆包线线径为1.07mm、每相150匝、每槽50匝、实际导线截面积0.785mm2、实际导线电流密度4.77465A/mm2、导线所占面积为57.245mm2、槽满率为76.736% ;玻璃丝带采用无碱玻璃丝，无碱玻璃丝厚度0.1mm、宽度为10mm、型号为0.1 X IOmm ;绕组之间互不搭接，绕组为集中绕组，单层，有机硅玻璃漆布规格为:0.1mmX 1000mm。
[0009]进一步优选，永磁体材料采用钕铁硼NTP-264H，其主要参数Β_。= 1.15T,Br75.=1.0741T、Hr20.= 875KA/m、Hr75.= 817.25KA/m，工作温度为 75°C，永磁体纵向长度 14mm，永磁体横向宽度90mm,永磁体磁化高度7mm,形状为矩形的长方体。
[0010]进一步优选，初级轭和次级轭材料选择铸钢，初级轭的厚度为6mm，次级轭的厚度为5mm，初级轭和次级轭的形状为矩形的长方体。
[0011]一种无槽永磁直线同步电动机的制造方法，包括以下步骤:
[0012](I)根据设计的要求，确定该电机的主要参数为起动推力、相数及接法、额定频率、同步速度和额定电流等，进行电机结构参数设计、电磁参数和性能参数计算，并对性能参数进行校核，最终确定电机尺寸和材料；
[0013](2)电机的初级制造。①初级轭加工成型；②根据设计初级绕组匝数进行缠绕并用玻璃丝带捆扎，然后将初级绕组用有机硅玻璃漆布固定在初级轭上，在用融化后环氧树脂将初级绕组固定在初级轭上初级安装支架和轮滑。
[0014](3)电机的次级制造。①次级轭加工成型；②永磁体加工成型并充磁；③永磁体用环氧树脂固定在次级轭上。
[0015](4)电机的组装。电机的初级与次级之间有效气隙为2_，如果不能满足，调整支架和滑轮，直到满足要求为止。
[0016](5)电机调试。
[0017]本发明的有益效果为:
[0018]与现有的技术相比，本发明基于无槽永磁直线同步电动机的理论，建立该电机的解析模型，按照本设计思路，通过电磁参数和结构参数的分析，中可以了解采用本设计方法和模型建立的合理性。验证无槽永磁直线同步电动机的初级无开槽、绕组嵌放简单、槽满率高、温度系数低、端部绕 组减少，无磁阻阻力(初级齿槽与永磁体相互作用力)、推力脉动小、噪声低、控制精度高及制造工艺简单等特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为无槽永磁直线同步电动机的结构图；其中:图1(a)为无槽永磁直线同步电动机的主视图；图1 (b)为无槽永磁直线同步电动机的俯视图，图1 (C)为无槽永磁直线同步电动机的左视图；图1(d)为无槽永磁直线同步电动机的绕组结构图，其中图中文字注释:τ 一极矩；Lm—7欠磁体纵向长度！L1一初级长度！Iij1一次级轭闻；hJ2一初级轭闻一7欠磁体的磁化高度；a-ai—气隙；h—无槽永磁直线同步电动机的高度九一绕组的宽度；y-β —绕组两有效边的距离；β —绕组距端部的距离；bm—永磁体横向长度；L2—无槽永磁直线同步电动机的横向宽度；R—绕组的内半径；
[0020]图2为无槽永磁直线同步电动机制造方法的工艺流程图；
[0021]图3为无槽永磁直线同步电动机带有支架和滑轮的结构图，其中，图3(a)为无槽永磁直线同步电动机的主视图；图3(13)为无槽永磁直线同步电动机的左视图，图3 (c)为无槽永磁直线同步电动机的俯视图；
[0022]图4为无槽永磁直线同步电动机的校核程序流程图；
[0023]图5为电枢绕组等效电流密度；
[0024]图6为永磁体的磁势分布；
[0025]图7为无槽永磁直线同步电动机六层线性模型，其中图7(a)永磁体单独作用，图7(b)电枢绕组单独作用；
[0026]图8为结构模型；
[0027]图9为设计方案；[0028]图10为单边型无槽永磁直线同步电动机(短初级长次级)，其中，I一初级轭2—电枢绕组(运动部分)3—永磁体(静止部分)4一次级轭；
[0029]图11单边型无槽永磁直线同步电动机(长初级短次级)，其中，I一初级轭2—电枢绕组(静止部分)3—永磁体(运动部分)4一次级轭；
[0030]图12为电磁设计；
[0031]图13为二维气隙磁场分布(y = 8mm)；
[0032]图14为三维X方向气隙磁场分布(y = 8mm)；
[0033]图15为三维y方向气隙磁场分布(y = 8mm)；
[0034]图16为静态电磁推力；
[0035]图17为两种方式磁阻阻力作比较(无槽永磁直线同步电动机磁阻阻力);
[0036]图18为两种电机磁阻阻力作比较(无槽和有槽永磁直线同步电动机);
[0037]图19为电磁推力(速度驱动);
[0038]图20为电磁推力(负载驱动)；
[0039]图21为电磁 推力(瞬态分析)；
[0040]图22为永磁体单独作用气隙磁密随气隙变化曲线(y = 8mm)；
[0041]图23为电枢绕组单独作用气隙磁密随气隙变化曲线(y = 8mm)；
[0042]图24为永磁体纵向长度与推力的关系曲线；
[0043]图25为永磁体高度与推力的关系曲线；
[0044]图26为气隙与推力的关系曲线；
[0045]图27为电磁推力随永磁体横向宽度曲线。
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
[0047]一种无槽永磁直线同步电动机，包括动子、气隙和静止部分，所述动子由初级轭和绕组构成，绕组通过玻璃丝带捆扎起来，然后将绕组通过有机硅玻璃漆布固定在初级轭上，然后用环氧树脂封装并固定在其上面；永磁体和次级轭为静止部分，永磁体用环氧树脂固定在次级辄上。图中 τ = 15mm ；Ι^ = 14mm !L1 = 180mm ^jl = 5mm ；hJ2 = 6mm = 7mm ；a=9mm ；h = 30mm ；bx = 8mm ； Y= Ilmm ； β = 9mm。
[0048]进一步优选，无槽永磁直线同步电动机的绕组用玻璃丝带捆扎起来，绕组采用的铜导线为聚酯漆包线，绝缘等级B、裸导线线径为1.00±0.15mm、漆包线线径为1.07mm、每相150匝、每槽50匝、实际导线截面积0.785mm2、实际导线电流密度4.77465A/mm2、导线所占面积为57.245mm2、槽满率为76.736% ;玻璃丝带采用无碱玻璃丝，无碱玻璃丝厚度0.1mm、宽度为10mm、型号为0.1XlOmm ;绕组之间互不搭接，绕组为集中绕组，单层，然后用有机硅玻璃漆布将绕组固定在初级板上，有机硅玻璃漆布规格为，0.1mmX 1000mm,然后用环氧树脂封装并固定在其上面，永磁体材料采用钕铁硼NTP-264H，其主要参数=1.15T、Br75。= 1.0741T、Hr20。= 875KA/m、Hr75。= 817.25KA/m，工作温度为 75°C，永磁体纵向长度14mm,永磁体横向宽度90mm,永磁体磁化高度7mm,形状为矩形的长方体。初级轭和次级轭材料选择铸钢，分别厚度为6_和5mm,形状为矩形的长方体。
[0049]无槽永磁直线同步电动机的制造方法，包括以下步骤:[0050]I)本发明设计制造的无槽永磁直线同步电动机为扁平形短初级长次级:
[0051]①首先根据设计的需求，确定主要参数起动推力、相数及接法、额定频率、同步速度和额定电流等，进行电机设计。参数分别为起动推力为30N、3相、绕组采用星形接法、额定频率为6赫兹、同步速度为0.18m/s和额定电流3.75A。②根据已确定参数进行电机设计，电机设计主要包括结构设计和电磁设计。电机的结构设计首先确定总体结构为扁平形短初级长次级的无槽永磁直线同步电动机；然后进行初、次级轭磁性材料的选择，根据对不同的磁性材料电磁推力的分析，分析如表1。从分析表中可以看出，只要导磁材料的磁导率不小于
[0052]表1不同材料的推力
[0053]
【权利要求】
1.一种无槽永磁直线同步电动机，其特征在于，包括动子、气隙和静止部分，所述动子由初级轭和绕组构成，绕组通过玻璃丝带捆扎起来，然后将绕组通过有机硅玻璃漆布固定在初级轭上，然后用环氧树脂封装并固定在其上面；永磁体和次级轭为静止部分，永磁体用环氧树脂固定在次级轭上。
2.根据权利要求1所述的无槽永磁直线同步电动机，其特征在于，所述绕组采用的铜导线为聚酯漆包线，绝缘等级B、裸导线线径为1.00±0.15mm、漆包线线径为1.07mm、每相150胆、每槽50匝、实际导线截面积0.785mm2、实际导线电流密度4.77465A/mm2、导线所占面积为57.245mm2、槽满率为76.736% ;玻璃丝带采用无碱玻璃丝，无碱玻璃丝厚度0.1mm、宽度为10mm、型号为0.1 X IOmm;绕组之间互不搭接，绕组为集中绕组，单层，有机硅玻璃漆布规格为:0.1_X 1000mm。
3.根据权利要求1所述的无槽永磁直线同步电动机，其特征在于，永磁体材料采用钕铁硼 NTP-264H,其主要参数 Br20。= 1.15T、Br75.= 1.0741T、Hr20。= 875KA/m、Hr75.=817.25KA/m，工作温度为75°C，永磁体纵向长度14mm，永磁体横向宽度90mm，永磁体磁化高度7mm，形状为矩形的长方体。
4.根据权利要求1所述的无槽永磁直线同步电动机，其特征在于，初级轭和次级轭材料选择铸钢，初级轭的厚度为6mm，次级轭的厚度为5mm，初级轭和次级轭的形状为矩形的长方体。
5.一种无槽永磁直线同步电动机的制造方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)根据设计的要求，确定该电机的主要参数为起动推力、相数及接法、额定频率、同步速度和额定电流等，进行电机结构参数设计、电磁参数和性能参数计算，并对性能参数进行校核，最终确定电机尺寸和材料； (2)电机的初级制造；①初级轭加工成型；②根据设计初级绕组匝数进行缠绕并用玻璃丝带捆扎，然后将初级绕组用有机硅玻璃漆布固定在初级轭上，在用融化后环氧树脂将初级绕组固定在初级轭上初级安装支架和轮滑； (3)电机的次级制造；①次级轭加工成型；②永磁体加工成型并充磁永磁体用环氧树脂固定在次级轭上； (4)电机的组装；电机的初级与次级之间有效气隙为2mm，如果不能满足，调整支架和滑轮，直到满足要求为止； (5)电机调试。
【文档编号】H02K41/03GK103986303SQ201410210350
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】刘豪, 柏春岚, 董燕飞 申请人:河南城建学院