直线电机动子和直线电机的制作方法

本申请涉及直线电机技术领域，具体涉及一种直线电机动子和直线电机。

背景技术：

为实现应用所需的直线运动，传统方式是“旋转电机+滚珠丝杠”，即利用丝杠结构将旋转电机旋转方向的运动转换为直线运动。随着相关技术的进步，近些年重新兴起直线伺服电机(以下简称“直线电机”)。相比之下，直线电机有诸多优势，因为直线电机没有丝杠、故长度不受丝杠长度的限制，直线电机的定位精度、重复定位精度更高，最大速度和最大加速度更大。直线电机具有高精度、高加速度、高响应性等特点，在工业领域，特别是高精高速机械加工方面应用广泛。

直线电机的结构，可以简单理解成将旋转电机沿半径切开并拉成直线，定子部分成为定子，移动的转子部分成为动子，其工作原理即与旋转电机近似。旋转伺服电机中，转矩和转矩波动是非常重要的技术指标，间接影响伺服电机的位置精度，这些都是伺服电机客户主要关注的性能指标。类似地，直线伺服电机中的技术指标是空载定位力、及定位力波动和负载推力、及推力波动，相应的影响直线电机定位精度和重复定位精度，上述几项亦都是直线电机设计中的重点需求。所以，保持或增大推力，减小定位力波动和推力波动，是直线电机设计的重要课题。

技术实现要素：

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种直线电机动子和直线电机，能够保持或增大直线电机推力，减小直线电机定位力波动和推力波动。

为了解决上述问题，本申请提供一种直线电机动子，包括安装板、动子铁芯和辅助齿，辅助齿和动子铁芯均设置在安装板的同一侧，辅助齿沿直线电机动子的滑动方向设置在动子铁芯的至少一侧，辅助齿与动子铁芯之间具有预设间隔，动子铁芯包括动子齿，动子齿在直线电机动子的滑动方向上的宽度为ww，辅助齿在直线电机动子的滑动方向上的宽度为wa，w＝wa/ww，其中0.36≤w≤0.9。

优选地，在垂直于动子铁芯的叠片方向的截面内，辅助齿的中心线与相邻动子齿的中心线之间的间距为la，相邻的动子齿的齿间距为lw，l＝la/lw，其中0.9≤l≤1.3。

优选地，辅助齿的齿顶距离安装板之间的高度ha小于动子齿的齿顶距离安装板之间的高度hw。

优选地，h＝ha/hw，其中0.75≤h≤0.95。

优选地，辅助齿设置在动子铁芯的一侧，形成单边辅助结构。

优选地，动子铁芯还包括动子轭，动子轭固定设置在安装板上，动子齿固定设置在动子轭上；和/或，安装板上还设置有辅助轭，辅助齿设置在辅助轭上。

优选地，辅助齿采用与动子铁芯不同的导磁材料制成。

优选地，相邻的动子齿之间形成齿槽，齿槽为斜槽。

优选地，相邻的动子齿之间形成齿槽，齿槽为开口槽、半开口槽或闭口槽。

根据本申请的另一方面，提供了一种直线电机，包括直线电机动子，该直线电机动子为上述的直线电机动子。

本申请提供的直线电机动子，包括安装板、动子铁芯和辅助齿，辅助齿和动子铁芯均设置在安装板的同一侧，辅助齿沿直线电机动子的滑动方向设置在动子铁芯的至少一侧，辅助齿与动子铁芯之间具有预设间隔，动子铁芯包括动子齿，动子齿在直线电机动子的滑动方向上的宽度为ww，辅助齿在直线电机动子的滑动方向上的宽度为wa，w＝wa/ww，其中0.36≤w≤0.9。通过限定直线电机动子的辅助齿和动子齿之间的宽度比值范围，能够优化辅助齿的设置结构，使得辅助齿能够补偿动子铁芯端部磁场，降低磁场的畸变，改善磁场的整体分布，在减小直线电机的空载定位力波动和负载推力波动的同时，降低直线电机驱动器波动抑制控制算法的难度，有效保持或增大直线电机推力。

附图说明

图1为本申请实施例的直线电机动子的立体结构示意图；

图2为本申请实施例的直线电机动子的侧视结构示意图；

图3为本申请实施例的直线电机动子的主视结构示意图；

图4为本申请实施例的直线电机动子的仰视结构示意图；

图5为本申请实施例的直线电机的磁路磁力线分布图；

图6为本申请实施例的直线电机的la有限元扫描仿真结果；

图7为本申请实施例的直线电机的wa有限元扫描仿真结果；

图8为本申请实施例的直线电机的ha有限元扫描仿真结果。

附图标记表示为：

1、安装板；2、辅助齿；3、动子齿；4、动子轭；5、齿槽。

具体实施方式

结合参见图1至图8所示，根据本申请的实施例，直线电机动子包括安装板1、动子铁芯和辅助齿2，辅助齿2和动子铁芯均设置在安装板1的同一侧，辅助齿2沿直线电机动子的滑动方向设置在动子铁芯的至少一侧，辅助齿2与动子铁芯之间具有预设间隔，动子铁芯包括动子齿3，动子齿3在直线电机动子的滑动方向上的宽度为ww，辅助齿2在直线电机动子的滑动方向上的宽度为wa，w＝wa/ww，其中0.36≤w≤0.9。

通过限定直线电机动子的辅助齿2和动子齿3之间的宽度比值范围，能够优化辅助齿2的设置结构，使得辅助齿2能够补偿动子铁芯端部磁场，降低磁场的畸变，改善磁场的整体分布，在减小直线电机的空载定位力波动和负载推力波动的同时，降低直线电机驱动器波动抑制控制算法的难度，有效保持或增大直线电机推力。

动子齿3和辅助齿2是磁路的主要通道，因为二者都是由铁磁材料构成的，由该材料组成的磁路通道，其磁阻远远小于空气和线圈等部分，故除小部分漏磁外，绝大部分的磁力线是经由动子齿3的端部和辅助齿2的端部流向气隙的。因而，动子齿3和辅助齿2对气隙磁场的磁力线分布十分关键。本申请设计的齿宽约束0.36≤w≤0.9，气隙磁场中的磁力线分布最能符合端部力平衡磁力线的需求，优化了端部磁路，进而优化端部力和定位力及推力波动。

直线电机相比于旋转电机，其突出的不同，在于端部断开造成的三相不对称。旋转电机设计，在空间角度和电角度上，三相对称平衡。而直线电机，空间上就不具备三相对称的条件，由此产生的输出力的波动，即称为端部力。在直线电机中，同样包含与旋转电机类似的齿槽力。端部力与齿槽力之和，即为直线电机的定位力。

上述的辅助齿2上不包裹线圈。

在垂直于动子铁芯的叠片方向的截面内，辅助齿2的中心线与相邻动子齿3的中心线之间的间距为la，相邻的动子齿3的齿间距为lw，l＝la/lw，其中0.9≤l≤1.3。

本申请中，将辅助齿2的相关参数设计与动子齿3的齿间距进行关联，从而使得辅助齿2的设计因素集中在电机动子端，因此在进行辅助齿2的设计或者加工时，只需要确定电机动子本身的结构就能够完成对辅助齿2的设计，设计结构更加简单，而且使得辅助齿2的设计与定子之间的联系较小，使得定子的设计受到辅助齿2的影响较小，可以使得定子的设计更加灵活方便。

通过限定la与lw之间的比例关系，使其满足0.9≤l≤1.3的约束，使得动子铁芯端部气隙磁场中的磁力线分布最能符合端部力平衡磁力线的需求，能够有效削弱定位力波动和推力波动，提高直线电机性能，优化了端部磁路，进而优化端部力和定位力及推力波动。

辅助齿2的齿顶距离安装板1之间的高度ha小于动子齿3的齿顶距离安装板1之间的高度hw。

优选地，h＝ha/hw，其中0.75≤h≤0.95。

通过限定ha与hw之间的比例关系，使其满足0.75≤h≤0.95的约束，使得气隙磁场中的磁力线分布最能符合端部力平衡磁力线的需求，能够有效削弱定位力波动和推力波动，提高直线电机性能，优化了端部磁路，进而优化端部力和定位力及推力波动。

在本实施例中，辅助齿2设置在动子铁芯的一侧，形成单边辅助结构。

动子铁芯还包括动子轭4，动子轭4固定设置在安装板1上，动子齿3固定设置在动子轭4上。

安装板1上还设置有辅助轭，辅助齿2设置在辅助轭上。辅助齿2可以取消辅助轭，从而直接固定在安装板1上。

辅助齿2可以采用与动子铁芯不同的导磁材料制成。因为辅助齿2不易单独开模加工，因此需要采用相对易单独加工的导磁材料，而动子铁芯采用叠片式结构，因此一般可以采用硅钢片冲片，从而可以灵活对辅助齿2进行设计，根据辅助齿2的加工选择更加合适的导磁材料，降低辅助齿2的加工难度和加工成本。

在本实施例中，辅助齿2一般用45#钢即可。

相邻的动子齿3之间形成齿槽5，齿槽5为斜槽。

相邻的动子齿3之间形成齿槽5，齿槽5为开口槽、半开口槽或闭口槽。

在电磁场理论中，以场的思想，根据麦克斯韦公式，可求解场内剖分单元的受力情况，即电磁场有限元仿真。如图6、图7和图8，以某典型结构为例，该模型中铁芯模块的相邻齿距lw为21.33mm，铁芯齿宽度ww为11mm，铁芯齿高度hw为45mm。将该模型辅助齿的关键尺寸做仿真分析，即辅助齿中心线到动子铁芯边缘齿中心线的距离la、辅助齿宽度wa和辅单助齿高度ha，得出其与前面三个参数的关系。其最优值如下，la为21.165mm、wa为7mm、ha为40mm，其中la/lw＝0.992，wa/ww＝0.636，ha/hw＝0.889。由此可见，通过模拟获得的最佳辅助齿设计参数与动子铁芯的参数之间的关系均在本申请的上述限定范围内。

根据本申请的实施例，直线电机包括直线电机动子，该直线电机动子为上述的直线电机动子。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。