有取向硅钢片近极槽永磁直线电机设计方法与流程

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机。

背景技术：

近极槽永磁直线电机具有高推力、低损耗、电气时间常数小、响应速度快等特点，广泛应用在高精高速数控机床、工业机器人等直接驱动领域。直接驱动直线电机自身实现直线运动，不需要任何中间转换机构，因此，具有降低运行噪声、运行无限制、安装方便、无接触、无磨损、维护简单等优势，在精度、刚度、工作寿命等其他性能指标上都优于旋转电机加滚轴丝杠模式。在直接驱动领域的应用中，推力密度是直线电机的首要指标，如何提高直线电机的推力密度是近年来广大直线电机研究学者的研究热点问题。

技术实现要素：

本发明主要针对近极槽永磁直线电机磁路特征，将有取向硅钢片的轧制方向与电机的磁路方向设定一致，并采用齿部和轭部相分离的结构实现这一要求。然后，采用分级叠压的叠片方式实现齿部和轭部的叠压和降低电机振动噪声的目的。

技术方案：

有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机，包括初级铁心1、初级绕组线圈2、次级磁极4和次级轭部5；初级绕组线圈2设置在初级铁心1的初级齿部6之间；次级磁极4设置在次级轭部5上，次级磁极4与初级铁心1之间形成气隙3。

有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机将初级铁心的齿部和轭部分片设计，使整个磁路的方向几乎都经过有取向硅钢片的轧制方向，即分别保证a和b均为有取向硅钢片的轧制方向，从而实现轭部磁路方向与有取向硅钢片的轧制方向一致，齿部磁路方向也与有取向硅钢片的轧制方向一致。因为有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机的磁路特征在于有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机的磁路主磁通d从一个次级磁极出发，穿过气隙进入初级齿部，然后经初级轭部绕过初级绕组，再通过两侧相邻的齿回到与原磁极相邻的两个异向充磁的磁极，所以这样的分片结构设计保证了主磁通磁路方向与导磁率高的有取向硅钢片轧制方向始终保持一致。

另一方面，当满足齿部磁路方向b与有取向硅钢片轧制方向一致的同时，自然就满足了保证齿顶漏磁磁路e为垂直于有取向硅钢片的轧制方向，因为齿顶漏磁方向与齿部磁路方向垂直，而有取向硅钢片的导磁特性是，轧制方向导磁率高，垂直于轧制方向导磁率低，所以将齿顶漏磁磁路e为垂直于有取向硅钢片的轧制方向一致，对电机的齿顶漏磁起到了抑制作用。

同理可推，初级端部漏磁磁路f的也经过垂直于有取向硅钢片的轧制方向，因此该结构对初级端部漏磁也有一定的抑制作用。

有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机，初级铁心采用分级叠压方式，传统的单齿拼装多采用燕尾槽等模式，振动噪声较大，而本结构采用分级叠压方式，一定程度上降低了振动噪声，分级叠压模式是两侧采用与初级铁心1大小相同的环氧玻璃布板7配合铆钉8夹装而成。采用与初级铁心1大小相同的环氧玻璃布板7配合铆钉8夹装而成；其安装方式为将一侧环氧玻璃布板7放置在最下方，然后按顺序依次叠压，即先将第一级初级轭部9放在夹板上方，将第一级初级轭部9对应的第一级初级齿部10的顶部嵌入第一级初级轭部9的槽中，再将第二级初级轭部11放置在9上方，将对应的第二级初级齿部12嵌入该第二级初级轭部11的槽中；再将第三级初级轭部13放置在11的上方，将对应的第三级初级齿部14嵌入该第三级初级轭部13的槽中；以此方式类推，依次循环叠压，最后将另一侧环氧玻璃布板制成的夹板7盖在最上方，利用铆钉8将初级铁心形成整体。

有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机，充分发挥有取向硅钢片磁路特性，但在电磁参数选择上也有需要特别注意的问题。分述如下：

1、有取向硅钢片直线电机感应电动势常数要高于无取向硅钢片直线电机，常规应用的直线电机，需要注意感应电动势和端电压的校验，如果按照无取向硅钢片电机感应电动势常数经验值设计，会使感应电动势高于端电压，而在实际应用中，这是无法实现的，所以因为感应电动势设计的不合理，在端电压的限制下，有取向直线电机的优势无法体现。用于伺服驱动的直线电机，要注意感应电动势与端电压裕量的设计，如果按照无取向硅钢片电机感应电动势常数经验值设计，可能会导致感应电动势和端电压过于接近，而无法实现伺服驱动电机的快速响应能力。

2、有取向硅钢片近极槽永磁直线电机设计时空载齿部磁密要与有取向硅钢片的膝点接近，常用有取向硅钢片一般在1.8t～1.9t左右，具体数值要参照硅钢片的型号确定。

3、采用有取向硅钢片作为近极槽永磁直线电机初级材料，永磁体厚度对推力密度的影响不够明显。因此需要通过仿真结果，优化永磁体磁极高度，从而有效地控制电机成本。

本发明优点：

有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机，通过将齿部和轭部相分离，将磁路方向和有取向硅钢片的轧制方向保持一致，由于有取向硅钢片轧制方向导磁性能要优于无取向硅钢片，故可将饱和工作点提高，使相同初级电流产生的磁动势增大，从而提高初级齿部磁通密度和气隙磁通密度，达到提高电机单位体积下的推力密度的目的；有取向硅钢片垂直于轧制方向导磁率低，对齿顶漏磁和初级端部漏磁起到了抑制作用，从而降低了电机的齿槽推力波动和初级端部定位力。另外，齿部与轭部之间的联结采用分级叠压形式，与利用燕尾槽等单齿拼装模式相比，振动噪声较低。

附图说明

图1是本发明一种实施例的有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机总体结构示意图；

图2是本发明一种实施例的有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机初级铁心叠片方向示意图；

图3是本发明一种实施例的有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机的磁路特征示意图；

图4是本发明一种实施例的有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机的两侧环氧玻璃布板示意图；

图5、图6、图7分别是本发明一种实施例的有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机的三级叠压冲片每一级的冲片示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机总体结构如图1所示，其中1为初级铁心，2为初级绕组线圈，3为气隙，4为次级磁极，5为次级轭部,6为齿部。

具体的说，该电机包括初级铁心1、初级绕组线圈2、次级磁极4和次级轭部5；初级绕组线圈2设置在初级铁心1的初级齿部6之间；次级磁极4设置在次级轭部5上，次级磁极4与初级铁心1之间形成气隙3。

初级铁心的齿部和轭部相分离，使整个磁路的方向几乎都经过有取向硅钢片的轧制方向，即分别保证a和b均为有取向硅钢片的轧制方向，从而实现轭部磁路方向与有取向硅钢片的轧制方向一致，齿部磁路方向也与有取向硅钢片的轧制方向一致。c为初级铁心的叠压方向。

有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机的磁路主磁通d从一个次级磁极出发，穿过气隙进入初级齿部，然后经初级轭部绕过初级绕组，再通过两侧相邻的齿回到与原磁极相邻的两个异向充磁的磁极；主磁通磁路方向与导磁率高的有取向硅钢片轧制方向始终保持一致。

齿顶漏磁磁路方向e和初级端部漏磁磁路方向f经过有取向硅钢片的剪切方向，即垂直于轧制方向；而有取向硅钢片的导磁特性是，轧制方向导磁率高，剪切方向导磁率低，所以该结构对齿顶漏磁和初级端部漏磁有一定的抑制作用。

有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机的制作方法，初级铁心采用分级叠压方式，并两侧采用与初级铁心1大小相同的环氧玻璃布板7配合铆钉8夹装而成；其安装方式为将一侧环氧玻璃布板7放置在最下方，然后按顺序依次叠压，即先将第一级初级轭部9放在夹板上方，将第一级初级轭部9对应的第一级初级齿部10的顶部嵌入第一级初级轭部9的槽中，再将第二级初级轭部11放置在9上方，将对应的第二级初级齿部12嵌入该第二级初级轭部11的槽中；再将第三级初级轭部13放置在11的上方，将对应的第三级初级齿部14嵌入该第三级初级轭部13的槽中；以此方式类推，依次循环叠压，最后将另一侧环氧玻璃布板制成的夹板7盖在最上方，利用铆钉8将初级铁心形成整体。分级的级数与轭部高度及电机振动噪声性能要求有关，这种叠压方式较传统的单齿拼装模式振动噪声较小。

有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机初级铁心叠压方向如图2所示，a为轭部有取向硅钢片的轧制方向，b为齿部有取向硅钢片的轧制方向，c为叠压方向。

有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机的磁路特征示意图如图3所示，主磁通d从一个磁极出发，穿过气隙进入初级齿部，然后经初级轭部绕过初级绕组，再通过两侧相邻的齿回到与原磁极相邻的两个异向充磁的磁极，所以利用图2的结构实现了主磁通磁路方向与导磁率高的有取向硅钢片轧制方向始终保持一致。另一方面，齿顶的漏磁磁路方向e和初级端部漏磁磁路方向f经过有取向硅钢片的剪切方向垂直于轧制方向，而有取向硅钢片的导磁特性是，轧制方向导磁率高，剪切方向导磁率低，所以该结构对齿顶漏磁和端部漏磁有一定的抑制作用。

图4是有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机的两侧环氧玻璃布板示意图；7为环氧玻璃布板，8为铆钉。图5、图6、图7分别是有取向硅钢片分级叠压永磁直线电机的三级叠压冲片示意图。9、11、13分别是三种不同规格的轭部冲片，10、12、14分别是三种不同规格的齿部冲片。7、8、9、10、11、12、13、14部件的具体实施过程分述如下，其安装方式为将一侧环氧玻璃布板7放置在最下方，然后按顺序依次叠压，即先将第一级初级轭部9放在夹板上方，将第一级初级轭部9对应的第一级初级齿部10的顶部嵌入第一级初级轭部9的槽中，再将第二级初级轭部11放置在9上方，将对应的第二级初级齿部12嵌入该第二级初级轭部11的槽中；再将第三级初级轭部13放置在11的上方，将对应的第三级初级齿部14嵌入该第三级初级轭部13的槽中；以此方式类推，依次循环叠压，最后将另一侧环氧玻璃布板制成的夹板7盖在最上方，利用铆钉8将初级铁心形成整体。

该实施例是以三级叠压为例，分级越多电机的振动噪声会越小，但是分级的级数还要考虑到轭部的高度，必须保证轭部的机械强度。