本实用新型涉及一种用于抑制永磁同步直线电机推力波动的电磁阻尼弹簧结构。
背景技术：
永磁同步直线电机(PMSLM)具有快响应、高加速度、大推力密度以及高定位精度等优点，在少切削力精密数控机床中拥有广泛的应用前景。然而，由于PMSLM自身结构特点，端部效应和齿槽效应均会产生推力波动，而推力波动的存在极大的影响了机床加工精度，造成工件表面划痕，尺寸不合要求等加工质量问题；同时推力波动还会造成机床振动与噪音，影响定位精度。
目前国内外的学者普遍从两个角度来抑制推力波动：本体结构优化和控制策略。其中本体结构优化是通过调整电机关键结构的尺寸或排列、优化相关结构形状，如采用斜极、斜槽、永磁体排列方式、极弧系数组合和充磁方式等方法来抑制推力波动；控制策略是通过采用控制方法使得输入的三相电流更加接近正弦，如根据建立的推力波动与电机速度、位置的数学模型设计前馈补偿器，在不同运动速度下补偿推力波动。上述两种方法均能够达到抑制推力波动的目的，但也伴随着如下弊端：斜极，斜槽的倾斜角度难以确定，增加了解析难度；通过选择不等极弧系数的最优排列，可以降低谐波系数，但是造成次极利用率降低；改变充磁方式可以使得磁通密度更加接近正弦，但是由于充磁技术的原因，存在技术难题；通过前馈补偿只能抑制逆变器死区时间所引起的5次和7次谐波电流，其他原因产生的谐波电流抑制不明显。在公开号为CN106685178A、申请号为201710123761.X的发明专利申请文件中，本申请人已经公开了“一种基于永磁同步直线电机的粘弹阻尼结构及其应用”的相关技术，是采用外加抑振装置降低推力波动。该方法中紧固螺栓压着粘弹阻尼材料随动子一同运动，产生与电机推力相反的抑制力，但其存在着粘弹阻尼材料使用寿命短的问题，同时降低了电机推力。
技术实现要素：
本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种用于抑制永磁同步直线电机推力波动的永磁同步直线电机中的电磁阻尼弹簧结构，以期能够降低永磁同步直线电机的推力波动，从而使得永磁同步直线电机运行更加稳定，提高加工精度，进而永磁同步直线电机在精密加工技术中得到更加广泛的应用。
本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：
本实用新型永磁同步直线电机中的电磁阻尼弹簧结构的特点是：在电机导轨上设置滑块，线圈架固定设置在滑块上，并能够随滑块在电机导轨上直线运动，在所述线圈架中内置线圈，在动子朝向滑块所在一侧的端面上固定设置轭板，在所述轭板上固定设置永磁体，以所述永磁体和线圈构成电磁阻尼器；在所述线圈架与动子之间采用弹簧进行连接，并有导杆在所述弹簧中穿芯设置，以所述导杆作为弹簧支架，所述导杆以单端固定设置在线圈架上，另一端呈悬置；利用弹簧产生的弹力及在所述线圈和永磁体之间产生的电磁阻尼力形成对所述动子在所述导轨上运动时所产生的推力波动的抑制力。
本实用新型永磁同步直线电机中的电磁阻尼弹簧结构的特点也在于：所述电磁阻尼器为两组，两组电磁阻尼器中的线圈对称分布在线圈架的两侧，两块永磁体与两只线圈一一对应进行设置。
本实用新型永磁同步直线电机中的电磁阻尼弹簧结构的特点也在于：在所述动子上沿导轨的轴向设置一排弹簧固定调节孔，所述弹簧的一端与线圈架固定连接，另一端根据弹簧的设定长度利用螺栓固定在对应位置的弹簧固定调节孔中，改变弹簧在所述弹簧固定调节孔中的固定位置可以改变弹簧的有效圈数。
与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：
1、本实用新型利用电磁阻尼弹簧系统产生的抑制力减小电机运行时产生的推力波动，无需改动电机内部结构，解决了永磁体或线圈等结构变化带来的加工难度大，解析难度增加等问题。
2、本实用新型利用电磁阻尼弹簧结构产生的抑制力来降低永磁同步直线电机的推力波动，由于永磁同步直线电机的推力波动作为电磁阻尼弹簧结构的激励，则抑制力频率与电机推力波动的频率相同，因此抑制力可以自适应跟踪推力波动的变化，使得抑制推力波动效果明显。
3、本实用新型采用电磁阻尼弹簧结构来抑制推力波动，无需更变控制策略，解决了复杂控制策略给控制系统带来的硬件负担等问题。
4、本实用新型中电磁阻尼力为正向阻尼力，其方向与电机推力方向一致，解决了外加抑振装置降低电机推力的问题。
5、本实用新型的电磁阻尼弹簧结构和动子是一体化结构，具有使用寿命长，适用量程范围广的优点。
附图说明
图1为本实用新型中电磁阻尼弹簧结构示意图；
图2为本实用新型中电磁阻尼弹簧结构局部示意图；
图3为本实用新型中电磁阻尼器中线圈架示意图；
图4为本实用新型中电磁阻尼弹簧结构剖视图
图5为本实用新型中电磁阻尼器截面示意图；
图6为现有技术中永磁同步直线电机层分析示意图；
图7为现有技术中永磁体面电流线密度模型；
图8为现有技术中两平行线圈空间坐标系；
图9为本实用新型中永磁同步直线电机推力和复合推力对比曲线；
图中标号：1线圈，2电机导轨，3动子，4螺栓，5轭板，6线圈架，7滑块，8永磁体，9弹簧固定调节孔，10弹簧，11导杆。
具体实施方式
参见图1、图2、图3、图4和图5，本实施例中永磁同步直线电机中的电磁阻尼弹簧结构是：
在电机导轨2上设置滑块7，线圈架6固定设置在滑块7上，并能够随滑块7在电机导轨2上直线运动，在线圈架6中内置线圈1，在动子朝向滑块7所在一侧的端面上固定设置轭板5，在轭板5上固定设置永磁体8，以永磁体8和线圈1构成电磁阻尼器；在线圈架6与动子3之间采用弹簧10进行连接，并有导杆11在弹簧10中穿芯设置，以导杆11作为弹簧支架，导杆11以单端固定设置在线圈架6上，另一端呈悬置；利用弹簧10产生的弹力及在线圈1和永磁体8之间产生的电磁阻尼力形成对动子3在导轨2上运动时所产生的推力波动的抑制力。
具体实施中，电磁阻尼器为两组，两组电磁阻尼器中的线圈1对称分布在线圈架6的两侧，两块永磁体8与线圈1一一对应进行设置；在动子3上沿导轨的轴向设置一排弹簧固定调节孔9，弹簧10的一端与线圈架6固定连接，另一端根据弹簧的设定长度利用螺栓4固定在对应位置的弹簧固定调节孔9中，改变弹簧在弹簧固定调节孔9中的固定位置可以改变弹簧10的有效圈数。
图6所示为永磁同步直线电机层分析示意图，关于永磁同步直线电机的推力F表达在一些公开文献中已有推导过程，比如：中国电机工程学报期刊2017年37卷12期3594-3601页、“基于重心邻域算法的无铁心永磁同步直线电机优化设计研究”；通过对电机气隙磁场和感应电动势的分析，可以获得由式(1.0)所表达的永磁同步直线电机的推力F：
式(1.0)中，I为电机电流幅值，N为电机线圈匝数，L为电机线圈有效长度，μ0为空气磁导率，mi为电机磁场空间频率,并有：mi＝(2i-1)π/τi＝1,2…；τ为电机永磁体极距，Mi为与电机空间磁场相关的系数，并有：Br为电机永磁体剩余磁化强度，τm为电机永磁体的宽度；δ为电机气隙，h1为电机永磁体高度，h2为电机线圈高度；ω为电机电流频率,t为时间,D为电机一个线圈的宽度，d为电机线圈的单边宽度,V为电机运行速度。
本实施例中电磁阻尼弹簧结构用于抑制永磁同步直线电机推力波动的方法按如下步骤进行：
步骤1、对永磁同步直线电机推力F进行谐波分析，得到永磁同步直线电机的推力波动 Fd如式(1)：
式(1)中，fn为推力波动第n次谐波的幅值，δn为推力波动第n次谐波的初始相角，x为电机运动的位移量。
电磁阻尼弹簧结构产生的抑制力包括弹簧的弹力和电磁阻尼力，根据胡克定律，其弹簧的弹力Ft表达如式(1.1)：
Ft＝kΔx (1.1)
k为弹簧的弹性系数，Δx为弹簧形变量，并有：
G为弹簧的刚性系数，d0为弹簧的线径，Dm为弹簧的中径，Nc为弹簧的有效圈数。
步骤2、以永磁同步直线电机的推力波动Fd作为电磁阻尼弹簧结构的激励，弹簧形变量Δx表达为式(1.3)：
m为线圈架和线圈的重量，则弹簧的弹力Ft表达为式(1.4)：
按如下步骤获得电磁阻尼力Fn：
第1步：对电磁阻尼器永磁体进行励磁等效
为计算电磁阻尼力，首先采用等效面电流法将电磁阻尼器永磁体等效为若干个通电线圈 a如图7所示，等效面电流密度Jms如式(1.5)所示：
Jms＝Mc×n′ (1.5)
Mc为电磁阻尼器永磁体内部磁化强度,n′为电磁阻尼器永磁体外表面的法向分量。
永磁体采用NdFeB材料，其磁性特征接近于理想永磁体，假设其退磁曲线为直线，则有：
Mc≈Mc0＝Br′/μ0 (1.6)
Jms＝Br′/μ0＝Hc (1.7)
Mc0为理想永磁体内部磁化强度，Br′为电磁阻尼器永磁体剩余磁化强度，Hc为矫顽力。
将电磁阻尼器的永磁体等效为若干个通电矩形线圈a之后，将电磁阻尼器视为永磁体等效励磁线圈与线圈组成的系统。
第2步：针对永磁体励磁等效线圈与线圈进行互感分析
为了采用虚功原理求解电磁阻尼力，永磁体励磁等效线圈与线圈间总的互感需要求解，为此，先求解一对线圈之间的互感，再应用叠加原理求得总互感。图7给出了一永磁体励磁等效线圈A1与线圈A2的空间坐标系，(x1,y1,z1)为该永磁体励磁等效线圈A1上任意一点的坐标，(x2,y2,z2)为该线圈A2上任意一点的坐标。
由聂以曼公式可知，图7所示A1和A2间的互感系数M′如式(1.8)所表征：
l1为A1的周长，l2为A2的周长，R为A1和A2上任意两点的距离，如式(1.9)
电磁阻尼器仅在X轴方向存在运动，依据叠加原理得到一组电磁阻尼器中永磁体和线圈之间的互感M″如式(2.0)所表达：
hj为电磁阻尼器永磁体高度，δ1为电磁阻尼器的初始气隙，b为电磁阻尼器线圈的厚度。
第3步：解析电磁阻尼力
对于空间两平行通电矩形线圈，即图7所示的A1和A2，运用虚功原理可求得两线圈间的力Fx：
I1为一组电磁阻尼器中永磁体的等效励磁电流，I2为对应线圈的电流，并有式(2.2)：
I′为通入电磁阻尼器中线圈中电流的幅值。
则依据式(2.0)、式(2.1)和式(2.2)获得在一组电磁阻尼器中的永磁体和线圈之间的力 Fx′如式(2.3)的表征：
则，两组电磁阻尼器共同产生的电磁阻尼力Fn如式(2.4)所表征：
Fn＝2Fx′ (2.4)
因此，电磁阻尼弹簧结构用于抑制推力波动的抑制力Fs如式(2)：
步骤3、将电机推力F和抑制力Fs相加得到如式(3)所示的所述永磁同步直线电机在电磁阻尼弹簧结构作用后的复合推力F1的表达式：
F1＝F+Fs (3)
步骤4、根据永磁同步直线电机的空间约束关系，电机的动子底部到电机背铁的距离为 8mm，一般弹簧的外径小于该距离的2-3mm，因此根据该安装条件确定所安装的弹簧的弹簧外径5mm，适合的该外径的弹簧线径d0′为0.5mm，则中径Dm′为4.5mm；表1给出的是永磁同步直线电机结构参数，表2给出的电磁阻尼弹簧结构参数。
表1
表2
步骤5、根据表1给出的永磁同步直线电机的设计参数和表2给出的电磁阻尼弹簧结构的设计参数和式(3)，作出设定时间段内复合推力F1的曲线图，调节电磁阻尼器中初始气隙δ1和弹簧的有效圈数Nc的大小，当复合推力F1的曲线波动处于设定值，比如：当复合推力F1的曲线的最大波动值与最小波动值之差为2N时，所调整的初始气隙和弹簧的有效圈数即为所需设定的初始气隙δ1′和弹簧的有效圈数Nc′。
图9为永磁同步直线电机以0.5m/s的速度运行了100mm，也即运行了0.2s后的电机推力 F和复合推力F1的对比图，此时的初始气隙为4mm，弹簧有效圈数为12，F1曲线的最大波动值与最小波动值之差为2N，因此δ1′取4mm,Nc′取12。
步骤6、在导轨上安装滑块并在滑块上固定线圈架，用弹簧连接线圈架和动子，将弹簧的一端穿过动子上的弹簧有效圈数调节孔，使得弹簧的有效圈数Nc′的值为12，电磁阻尼器的初始气隙δ1′的值为4mm，利用螺栓对完成调整的弹簧进行固定。
步骤7、在动子的运动过程中，利用电磁阻尼结构和弹簧共同作用实现了对于永磁同步直线电机推力波动的抑制。