圆筒型永磁容错直线游标电机的制作方法

本发明涉及圆筒型永磁直线电机，特别是圆筒型永磁容错直线游标电机，适用于汽车悬架系统等要求高推力、高可靠性的应用场合，属于新型电机制造技术领域。

背景技术：

近年来，车辆的行驶平顺性和操纵稳定性越来越受到人们的关注。悬架作为车辆上的减震保稳部件，对提高行驶平顺性和操纵稳定性极其重要，所以车辆悬架的研究和开发成为前沿性的课题。

从控制力的角度来看，悬架可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种基本类型。被动悬架在协调车辆的行驶平顺性和操纵稳定性方面存在很大的局限性，所以近年来人们开展了对半主动和主动悬架的研究，与半主动悬架相比，主动悬架具有较高的运行性能，更为当前科研人员所青睐，并已逐步应用于某些汽车品牌的高端乘用车型。

在以前的相关研究中，已经提出了可能用于车辆主动悬架的各种电机拓扑结构。在可能的拓扑结构中，圆筒型永磁直线电机因其结构的特殊性没有端部绕组，铜耗低且不存在横向边端效应满足车辆主动悬架的综合要求。然而，圆筒型永磁直线电机也不可避免地存在一些缺点，例如，可靠性不高、推力较低等，限制了其在要求高推力、高可靠性场合的广泛应用。

中国发明专利申请号201510662900.7公开了一种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机，集中绕组方式和永磁体内嵌放置方式的有效结合以及容错齿的引入，不仅增大了电机的推力密度和功率密度而且提高了该发明电机的可靠性。中国发明专利申请号201610590925.5公开了一种电磁悬架容错永磁游标圆筒电机，该发明电机通过有效组合游标电机和双定子结构，增大了电机推力密度，减小了推力脉动。但是，双定子结构的采用无形中增加了电机结构的复杂性，增加了设计和制作成本。以上发明都是通过在电枢铁芯中引入容错齿，实现相与相间的电隔离、热隔离以及磁路解耦，从而达到很好的容错性能。但是，容错齿的引入在一定程度上牺牲了电机的推力密度与功率密度。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对现有圆筒型永磁直线电机的不足，提出一种圆筒型永磁容错直线游标电机，其电枢绕组为圆饼状，没有端部绕组，铜耗低且将圆筒电机和游标效应相结合使得电机具有更大的推力密度和更高的效率。模块化互补结构的采用，实现了相与相间的电隔离、热隔离以及磁路解耦，达到了很好的容错性能、消除了圆筒型直线电机因纵向边端效应所带来的不利影响，获得了更加正弦对称的反电动势、各单元模块的定位力互相抵消，降低了电机的定位力和推力脉动。同时永磁体采用阵列的形式，减少了永磁体用量，降低了电机成本且缓解了电枢齿端部漏磁严重的问题，从而增加了绕组中的反电动势，提高了电机的推力输出特性。

具体地说，本发明是采取以下的技术方案来实现的：气隙(5)设置在初级(1)和次级(2)之间；所述初级(1)包含三个相同结构类型且等距排列的单元模块(11)，单元模块(11)由相邻的两个电枢齿a(12)、b(13)组成，相邻两个电枢齿a(12)、b(13)的齿距满足(j+1/2)τ，j为正整数，τ为次级极距，二者的齿身为平行齿，分别垂直延伸至初级(1)轭部，与初级(1)轭部相连，形成整体，相邻单元模块(11)之间的间距满足(k+1/s)τ，k＝0，1，2，…，τ为次级极距，s为单元模块个数，相邻的电枢齿a(12)、b(13)间开有槽，槽内嵌入饼式绕组(3)；单元模块(11)的齿端开虚槽，虚槽中嵌入永磁体阵列(4)；所述次级(2)开梯形槽形成若干个调制极(21)，具有调制磁场的作用，次级(2)的轭厚应大于初级(1)的轭厚。

本发明的进一步改进在于：单元模块(11)与每相电枢绕组(3)一一对应，s个单元模块(11)构成s相电机。

本发明的进一步改进在于：所述单元模块(11)的电枢齿端部共开有6*s个虚槽，每个电枢齿端部各开有3个虚槽，虚槽中嵌入永磁体阵列(4)，永磁体阵列(4)由位于中间的一块按指向气隙方向径向充磁的第一类永磁体(41)和位于两侧的两块按指向中间径向充磁的第一类永磁体轴向充磁的第二类永磁体(42)组成，第一类永磁体(41)的轴向宽度等于电枢齿端部虚齿(14)的轴向宽度且大于第二类永磁体(42)的轴向宽度。

本发明的进一步改进在于：单元模块数s、单元模块有效长度s1、次级极距τ和次级有效齿个数n，满足：τn＝ss1。

本发明的进一步改进在于：永磁体阵列(4)产生的磁场分布的极对数与电枢绕组(3)产生的电枢磁场分布的极对数之和等于次级(2)开梯形槽形成有效调制极(21)的数目，且无论对于电机整体结构或者独立的单元模块结构都满足。

本发明的进一步改进在于：初级相邻单元模块间空间相位互差120°电角度，所以各单元模块的定位力波形互差120°电角度。

本发明的进一步改进在于：初级(1)和次级(2)部分由导磁材料制成，永磁体阵列(4)可以根据实际的需要选用高磁能积的铷铁硼或者廉价的铁氧体永磁材料。

有益效果:

1.本发明中的初级模块化互补结构实现了相与相间的电隔离、热隔离以及磁路解耦，达到了很好的容错性能，同时还消除了圆筒型直线电机因纵向边端效应所带来的不利影响，获得了更加正弦对称的反电动势。

2.本发明中的初级相邻单元模块空间相位互差120°电角度，所以各单元模块的定位力波形互差120°电角度，可以相互抵消，从而降低了电机的定位力和推力脉动。

3.本发明中的永磁体采用阵列的形式，减少了永磁体的用量、降低了电机的成本，同时其聚磁效应缓解了齿端部漏磁严重的问题，增加了磁路的有效磁密，从而提高了电机的推力输出特性。

4.本发明中的电枢绕组为圆饼状，没有端部绕组，铜耗低。

5.本发明中的圆筒电机和游标效应相组合使得电机具有更大的推力密度和更高的效率。

附图说明

图1为本发明实施例电机的结构示意图。

图2为图1中永磁体阵列结构放大示意图。

图3为本发明实施例电机永磁体单独作用时的磁场分布图。

图4为本发明实施例电机的三相反电动势波形图

图5为本发明实施例电机的定位力波形图。

图6为本发明实施例电机的推力波形图。

图中标号名称：1、初级，11、单元模块，12、电枢齿a，13、电枢齿b，14、虚齿，2、次级，21、调制极，3、电枢绕组，31、a相电枢绕组a，32、b相电枢绕组b，33、c相电枢绕组c，4、永磁体阵列，41、第一类永磁体，42、第二类永磁体，5、气隙。

具体实施方式

下面以一个具体的三相电机，参照附图，对本发明电机的结构特点和有益效果进行详细描述。

如图1所示，本发明公开了圆筒型永磁容错直线游标电机，气隙(5)设置在初级(1)和次级(2)之间；所述初级(1)包含三个相同结构类型且等距排列的单元模块(11)，单元模块(11)由相邻的两个电枢齿a(12)、b(13)组成，相邻两个电枢齿a(12)、b(13)的齿距满足7τ/2，τ为次级极距，二者的齿身为平行齿，分别垂直延伸至初级(1)轭部，与初级(1)轭部相连，形成整体，相邻单元模块(11)之间的间距满足τ/3，τ为次级极距，相邻的电枢齿a(12)、b(13)间开有槽，槽内嵌入饼式绕组(3),从左至右所示的槽中，依次嵌有a相电枢绕组a(31)、c相电枢绕组c(33)和b相电枢绕组b(32)；单元模块(11)的齿端开虚槽，虚槽中嵌入永磁体阵列(4)；所述次级(2)开梯形槽形成若干个调制极(21)，具有调制磁场的作用，次级(2)的轭厚应大于初级(1)的轭厚。

为了清楚阐述本发明的具体实施方式，下面将结合附图中的三相电机对本发明加以说明，可以看到，单元模块(11)的电枢齿端部共开有18个虚槽，每个电枢齿上各开有3个虚槽，虚槽中嵌入永磁体阵列(4)，永磁体阵列(4)由位于中间的一块按指向气隙方向径向充磁的第一类永磁体(41)和位于两侧的两块按指向中间的第一类永磁体轴向充磁的第二类永磁体(42)组成，具体充磁方向如图2中的箭头所示，第一类永磁体(41)的轴向长度等于电枢齿端部虚齿(14)的轴向长度且大于第二类永磁体(42)的轴向长度；永磁体阵列(4)产生的磁场分布的极对数与电枢绕组(3)产生的电枢磁场分布的极对数之和等于次级(2)开梯形槽形成有效调制极(21)的数目，且无论对于电机整体结构或者独立的单元模块结构都满足。对于电机整体结构，永磁体阵列(4)产生的磁场分布的极对数为18，电枢绕组(3)产生的电枢磁场分布的极对数为3，次级(2)开梯形槽形成有效调制极(21)的数目为21，满足游标电机中调制关系，对于独立的单元模块结构，永磁体阵列(4)产生的磁场分布的极对数为6，电枢绕组(3)产生的电枢磁场分布的极对数为1，次级(2)开梯形槽形成有效调制极(21)的数目为7，亦满足游标电机中调制关系。

图3为本发明实施例电机永磁体单独作用时的磁场分布图，从图中可以看出各个单元模块上永磁体阵列产生的磁力线只通过自己所在单元模块的电枢齿，说明各相之间互不影响，因此初级模块化结构可以有效的实现相与相间的电隔离、热隔离以及磁路解耦，达到很好的容错性能。

图4为本发明实施例电机的三相反电动势波形图，从图中可以看出本发明实施例电机的三相反电动势正弦对称，说明初级模块化互补结构有效的消除了圆筒型直线电机因纵向边端效应所带来的不利影响。

图5为本发明实施例电机的定位力波形图，从图中可以看出，各单元模块单独作用时产生的定位力波形基本一致，只是峰峰值存在些微的差异由于两边单元模块的纵向边端效应大于中间单元模块的纵向边端效应，且在相位上相差一定的电角度，因此各单元模块之间的定位力相互抵消使得最终电机整体结构的定位力大幅降低。

图6为本发明实施例电机在电负载为183a/cm时的推力波形图，从图中可以看出，电机的推力较大、推力脉动较小，因此电机的输出特性得到提高。

综上，本发明中的圆筒型永磁容错直线游标电机，其电枢绕组为圆饼状，没有端部绕组，铜耗低且将圆筒电机和游标效应相结合使得电机具有更大的推力密度和更高的效率。模块化互补结构的采用，实现了相与相间的电隔离、热隔离以及磁路解耦，达到了很好的容错性能、消除了圆筒型直线电机因纵向边端效应所带来的不利影响，获得了更加正弦对称的反电动势、各单元模块的定位力互相抵消，降低了电机的定位力和推力脉动。同时永磁体采用阵列的形式，减少了永磁体用量，降低了电机成本且缓解了电枢齿端部漏磁严重的问题，从而增加了绕组中的反电动势，提高了电机的推力输出特性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。