阅读说明：本技术 无铁芯圆筒型永磁同步直线电机 (Coreless cylindrical permanent magnet synchronous linear motor ) 是由 张君安 施志平 李博 刘波 于 2020-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种无铁芯圆筒型永磁同步直线电机,该电机由定子、动子组成,定子中芯棒上间隔套设有轴向充磁磁环和径向充磁磁环,磁环由钕铁硼永磁材料制作,相邻磁环单元的充磁角度依次改变90度,且磁环单元结构带有一定弧度；动子中电枢绕组是双层结构,其由三相饼状无铁芯双层线圈组成。本发明中磁环的形状为鼓状,所产生的气隙磁场可以得到均化作用,进而抑制气隙磁场高次谐波的含量和幅值,能够有效提高无铁芯圆筒型永磁同步直线电机气隙磁场的幅值与正弦型,对电机的定位精度有显著改善；其次采用双层绕组,可以提高绕组系数,能够有效克服现有无铁芯圆筒型永磁同步直线电机推力小的缺点,提高了电机的平均推力密度。(The invention relates to a coreless cylindrical permanent magnet synchronous linear motor, which consists of a stator and a rotor, wherein an axial magnetizing magnetic ring and a radial magnetizing magnetic ring are sleeved on a core rod in the stator at intervals, the magnetic rings are made of neodymium iron boron permanent magnet materials, the magnetizing angles of adjacent magnetic ring units are changed by 90 degrees in sequence, and the structure of each magnetic ring unit has a certain radian; the armature winding in the rotor is of a double-layer structure and consists of three-phase pie-shaped coreless double-layer coils. The magnetic ring is drum-shaped, the generated air gap magnetic field can be homogenized, the content and amplitude of higher harmonics of the air gap magnetic field can be further inhibited, the amplitude and sine of the air gap magnetic field of the coreless cylindrical permanent magnet synchronous linear motor can be effectively improved, and the positioning precision of the motor is remarkably improved; and secondly, the double-layer winding is adopted, so that the winding coefficient can be improved, the defect of small thrust of the existing coreless cylindrical permanent magnet synchronous linear motor can be effectively overcome, and the average thrust density of the motor is improved.)

无铁芯圆筒型永磁同步直线电机

技术领域

本发明属于机电工程技术领域，涉及一种无铁芯圆筒型永磁同步直线电机。

背景技术

永磁同步直线电机具有快响应、高加速度、以及高定位精度等优点，在精密定位系统中被广泛的应用。永磁同步直线电机可分为有铁芯永磁同步直线电机与无铁芯永磁同步直线电机，有铁芯永磁同步直线电机因齿槽效应的存在使得电机在运行过程中会产生齿槽力，齿槽力会对电机驱动下的运动平台定位产生不良影响即会出现推力波动。在精密定位中希望齿槽力越小越好，而无铁芯永磁同步直线电机可以克服齿槽力的缺点，故常采用无铁芯永磁同步直线电机作为精密定位系统的驱动。平板型永磁同步直线电机由于其端部效应的不良影响也会使直线电机在定位过程中产生推力波动，不利于其精密定位的要求，而圆筒型永磁同步直线电机可以克服端部效应对电机运行产生的影响。无铁芯永磁同步直线电机由于没有绕组铁芯的聚磁作用，导致气隙磁场强度较弱，其平均推力密度比相同有铁芯永磁同步直线电机要小，在实际的高推力应用中会带来不便。故需要克服现有无铁芯圆筒型永磁同步直线电机推力波动及平均推力密度小的缺点。

针对推力波动问题，国内外研究学者从本体结构出发做了大量的工作。主要对电机拓扑结构进行优化，如采用斜槽、斜极等方法削弱电机的齿槽效应，降低推力波动。然而，斜槽、斜极等方法主要削弱由齿槽效应引起的推力波动，对电机气隙磁通密度的波形改善不大。针对平均推力密度小的问题，国内外研究学者从改变线圈绕组的结构出发做了大量工作，主要有采用分布式绕组来代替集中式绕组以提升绕组系数，间接提升电机的平均推力密度。此方法虽能大幅提高线圈的绕组系数，但是其线圈端部互相重叠，占用了更大的空间。复杂的分布式绕组结构不便于线圈的绕制和初级的生产与安装。

发明内容

本发明的目的是提供一种无铁芯圆筒型永磁同步直线电机，以克服现有永磁同步直线电机推力波动大及平均推力密度小的问题。

为了达到本发明的目的，本发明采用的技术方案是：一种无铁芯圆筒型永磁同步直线电机，包括定子和动子，所述定子与所述动子同轴设置，所述定子上包括芯棒，其特征在于：所述芯棒上套设有多个鼓状的磁环，所述磁环分为径向充磁磁环和轴向充磁磁环两种，相间排列且磁环的充磁角度依次改变90度；

所述动子包括电枢绕组，所述电枢绕组由三相饼状无铁芯线圈组成，所述三相饼状无铁芯线圈紧密排列组成双层形式，外层绕组与内层绕组之间紧密相连不留空隙，所述外层线圈与所述内层线圈排列为同轴线且任一单层绕组是集中绕组。

上述磁环的中间直径比两端直径大0.5～1mm，中间直径为10～12mm。

上述定子上径向充磁磁环和轴向充磁磁环轴向总长度大于所述电机动子上电枢绕组的轴向长度。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明无铁芯圆筒型永磁同步直线电机将磁环的轴向外表面设计为弧形，通过弧形结构的设计使得其在气隙空间中产生的磁场分布得到均化，气隙磁场谐波得到有效抑制，气隙磁场分布更加趋于正弦性，可以有效减小推力波动对无铁芯圆筒型永磁同步直线电机的影响，提高无铁芯圆筒型永磁同步直线电机的定位精度。

2、本发明无铁芯圆筒型永磁同步直线电机电枢绕组采用双层三相饼状无铁芯线圈，通过对三相饼状无铁芯双层线圈的设计，其绕组系数得以提高，可以增大电机的推力，能够克服无铁芯圆筒型永磁同步直线电机推力小的缺点。

3、本发明无铁芯圆筒型永磁同步直线电机采用Halbach磁极阵列，其中轴向充磁磁环沿着轴线左右方向，径向充磁磁环沿着轴线向外和向内辐射，能够获得更高的气隙磁场强度。同时本发明采用的Halbach磁极阵列在达到同样磁场强化效果下永磁体用量比上下排布少一半，可以节约永磁体的用量。

附图说明

图1为本发明无铁芯圆筒型永磁同步直线电机截面示意图；

图2为本发明无铁芯圆筒型永磁同步直线电机鼓状磁环结构剖视图；

图3为本发明无铁芯圆筒型永磁同步直线电机Halbach永磁阵列磁感线的分布示意图；

图4为本发明无铁芯圆筒型永磁同步直线电机三相饼状无铁芯双层线圈示意图；

附图标记说明如下：

1-芯棒，2-径向充磁磁环，3-轴向充磁磁环，4-电枢绕组，201-沿着轴线向外辐射充磁，202-沿着轴线向内辐射充磁，301-沿着轴向向左充磁，302-沿着轴向向右充磁，401-电枢绕组A+，402-电枢绕组A-，403-电枢绕组B+，404-电枢绕组B-，405-电枢绕组C+，406-电枢绕组C-。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明无铁芯圆筒型永磁同步直线电机，包括定子和动子，所述定子与所述动子同轴设置，所述定子上包括芯棒1，在芯棒1上套设有多个鼓状的磁环，所述磁环分为径向充磁磁环2和轴向充磁磁环3两种，所述径向充磁磁环2充磁方向包括沿着轴线向外辐射和沿着轴线向内辐射，所述轴向充磁磁环3充磁方向包括沿着轴线向左和沿着轴向向右，两种磁环相间排列且磁环的充磁角度依次改变90度。所述动子包括电枢绕组4，所述电枢绕组4由三相饼状无铁芯线圈组成，所述三相饼状无铁芯线圈紧密排列组成双层形式，外层绕组与内层绕组之间紧密相连不留空隙，所述外层线圈与所述内层线圈排列为同轴线且任一单层绕组是集中绕组。所述磁环的中间直径比两端直径大0.5～1mm，中间直径为10～12mm。所述定子上径向充磁磁环2和轴向充磁磁环3轴向总长度大于所述电机动子上电枢绕组4的轴向长度，所述电机动子上电枢绕组4沿着轴线长度方向作往复运动。

如图2所示为紧密排列鼓状的径向充磁磁环2和轴向充磁磁环3，均以钕铁硼永磁材料制作，磁环充磁依次是沿着轴线向外辐射充磁201、沿着轴线向左充磁301、沿着轴线向内辐射充磁202、沿着轴线向右充磁302，从径向截面可以发现本发明中相邻永磁单元充磁角度改变90度，以“沿着轴线向外辐射充磁201”、“沿着轴线向左充磁301”、“沿着轴线向内辐射充磁202”、“沿着轴线向右充磁302”作为一个充磁周期。

如图3所示为Halbach磁极阵列增强气隙磁场原理，永磁阵列这样排布不仅能增大气隙间的磁场，而且还能减少在芯棒处的漏磁，能提高磁环的利用率，且磁环结构的Halbach磁极阵列在达到同样磁场强化效果下永磁体用量比上下排布少一半，可以节约永磁体的用量。

如图4所示为三相饼状无铁芯双层线圈，其由电枢绕组A+401、电枢绕组A-402、电枢绕组B+403、电枢绕组B-404、电枢绕组C+405、电枢绕组C-406组成，三相绕组依次紧密排列形成内外双层绕组，且单层绕组采用集中排列形式，提高了绕组系数，可以克服无铁芯圆筒型永磁同步直线电机推力小的缺点。三相饼状无铁芯双层线圈通过骨架与导轨进行连接，永磁体产生的励磁磁场与三相电流相互作用可产生电磁推力，进而可在电源及控制系统作用下沿着导轨作往复运动。同时，三相饼状无铁芯双层线圈产生的电枢反应磁场较弱，其几乎不会影响磁环产生的励磁磁场，所以无铁芯圆筒型永磁同步直线电机在运行、暂停和关闭期间内，气隙磁场可以认为是恒定不变的即为磁环产生的励磁磁场。

上述对实施例的描述是为了更好的理解本发明，熟悉本领域的人员可以容易地对上述实施例中磁环做出细微的修改，并把上述实施例已经说明的原理应用到其他实施例中。因此，本发明不限于上述实施例提出的磁环结构，对于本发明提出的磁环做出细微的修改都应该在本发明的保护范围之内。