一种直线电机及提高其运行效率的优化验证方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电机技术领域，具体说涉及一种直线电机及提高其运行效率的优化验 证方法。
【背景技术】
[0002] 直线电机是将电能转换为线性往复运动的装置。现有技术中，直线电机的运行效 率低，运行效率受很多因素的限制，最主要的是电机的推力波动对电机运行效率的影响。但 是，推力波动的存在不可避免，只能采取一系列的措施来削弱波动的存在。因此，抑制推力 波动的问题亟待解决。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种结构简单，运行稳定方便，在 一定程度上可减小推力波动的直线电机，及提高电机运行效率的优化验证方法。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为:所提供的这种直线电机，包括初级 铁芯、初级线圈、次级铁芯和永磁体，所述初级铁心上开有多个齿槽，所述初级线圈绕在相 邻齿槽间形成的齿牙上，所述次级铁心位于所述初级铁芯下方作为给定长度的基座，所述 永磁体固定排列在所述次级铁芯上，所述永磁体的极距与齿槽间的齿距的比值为分数。
[0005] 为使上述技术方案更加详尽和具体，本发明还提供以下更进一步的优选技术方 案，以获得满意的实用效果：
[0006] 在所述次级铁心上设有至少一对永磁体。
[0007] 所述次级铁心上还有设有至少一对外置永磁体，及至少有一对内置永磁体。
[0008] 所述齿槽为设于所述为设于所述初级铁心上的开口槽，所述齿牙下端设有朝向相 邻齿槽侧延伸的凸台，所述齿槽开口端两侧的凸台间预留间隙，将所述开口端形成半闭合 状态。
[0009] 所述凸台的上端面为向下渐变的斜面。
[0010] 所述永磁体的极距为齿槽间的齿距的1.5倍。
[0011] -种提高直线电机运行效率的优化验证方法，包括如下步骤： cW
[0012] 1)直线电机中齿槽力定义：尤€= -设定电机运动的一个周期就是一个齿距 dx， 的距离，每块永磁体产生的齿槽力可以用Fourier级数进行描述，对于第i块永磁体，确定齿 槽力的Fourier级数爻
[0013] 式中X为正体动子的位移，k为谐波次数，k=l，2,3，···，^为齿距，Fk, i为k次谐波的 幅K为第i±夬永磁体k次谐波的相角；
[00M] 2)第i块永磁体k次谐波的相角ft-,, = %,? +2邛夕，式中，qp是一个磁极对应的槽数；
[0015] 3)确定总齿槽力
是2p个磁极产生的齿 槽力的叠加；
[0016] 4)槽极匹配系数|为永磁体的极距和齿槽的齿距的比值，保持齿槽大小和形状 不变的情况下，改变对应的永磁体，确定不同的槽极匹配系数对具有不同槽极匹配系 数的电机进行优化验证；
[0017] 5)将具有不同槽极匹配系数电机的一个磁极对应的槽数办代入步骤3)中，计算相 应的齿槽力大小，得出具有最小的齿槽力的电机。
[0018] 在仿真过程中，控制初级铁芯以确定的速度均速直线运动。
[0019] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明直线电机结构简单，运行方便;能 在一定程度上抑制电机的推力波动，通过该方法验证，优选出的槽极匹配系数的电机，齿槽 力比其他直线电机的齿槽力小，从而达到抑制推力波动的作用。
【附图说明】
[0020] 下面对本说明书的附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
[0021] 图1为本发明直线电机结构示意图；
[0022] 图2为本发明直线电机槽极匹配结构示意图；
[0023] 图3为本发明直线电机最优槽极匹配结构示意图。
[0024] 图中标记为：1、初级铁芯，2、初级线圈，3、次级铁芯，4、永磁体，41、内置永磁体， 42、外置永磁体。
【具体实施方式】
[0025]下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的【具体实施方式】作进一步详 细的说明。
[0026]齿槽力是永磁体和铁心之间相互作用产生的力，即使电枢绕组不通电，齿槽力也 存在。直线电机的齿槽力随着电机的齿槽与永磁体之间的位置的变化而变化，从而让推力 产生波动。动子与定子之间气隙磁导发生变化，磁场储能发生变化，从而产生齿槽力。
[0027]本发明直线电机，是一种可减小推力波动，具有较小齿槽力的电机，如图1所示，包 括初级铁芯1、初级线圈2、次级铁芯3和永磁体4，初级铁心1上开有多个齿槽，初级线圈2绕 在相邻齿槽间的齿牙上，次级铁心3位于初级铁芯1下方作为给定长度的基座，永磁体4排列 固定在次级铁芯3上，永磁体4的极距与齿槽间的齿距的比值为分数，即槽极匹配系数|为 分数，如图2中所示，本发明的结构设计可得到较小的齿槽力。直线电机因为其自身的结构 特点使电机存在边端效应和齿槽力，本发明从抑制电机齿槽力的角度，通过改变直线电机 槽极匹配来抑制齿槽力，从而能够达到抑制直线电机推力波动的效果。
[0028] 本发明中在次级铁心3上设有至少一对永磁体4。次级铁心3上还有设有至少一对 外置永磁体42，至少有一对内置永磁体41。内置永磁体41和一对外置永磁体42以磁力互斥 的方式构成磁力弹簧。如图1中所示，在初级铁芯1静止时，覆盖范围下的为内置永磁体41， 其余为外置永磁体42。
[0029] 齿槽为设于为设于初级铁心1上的开口槽，齿牙下端设有朝向相邻齿槽侧延伸的 凸台，齿槽开口端两侧的凸台间预留间隙，将开口端形成半闭合状态。凸台的上端面为向下 渐变的斜面。这种结构设置可更好地提供磁路，保证运行的稳定性。
[0030] 为了抑制直线电机的推力波动，改善直线电机输出性能，本发明直线电机通过改 变直线电机的齿距和永磁体的极距来抑制电机齿槽力对电机的影响，从而实现对推力波动 的改善。槽极匹配情况如图2示，保持齿槽大小和形状不变的情况下，改变对应的永磁体，确 定不同的槽极匹配系数|对槽极匹配系数^不同的电机进行研究，在有限元分析软件 〇. 左 中绘制模型并仿真，不同的槽极匹配，齿槽力不同。
[0031 ]通过优化验证，本发明中优选的，永磁体4的极距为齿槽间的齿距的1.5倍，可得到 较好的抑制推力波动的效果，如图3所示。
[0032] 将固定有永磁体4的次级铁芯3作为定子，绕有初级线圈2的初级铁芯1作为动子， 在次级铁芯3上做横向的往返直线运动。推力波动的主要来源是齿槽效应，为了提高直线电 机的运行性能，必须研究减小电机齿槽效应的技术措施。研究过程中，对直线电机的数学原 理进行了分析，并进行数学建模，运用有限元分析分别对不同槽极的直线电机进行模拟仿 真，得到最优槽极匹配系数。从而使得直线电机运行时的推力波动得到了