阅读说明：本技术 低定位力双边磁通切换永磁直线电机 (Low-positioning-force bilateral magnetic flux switching permanent magnet linear motor ) 是由 闻程 刘君宇 刘靖纳 杜巍 王晶 刘晋 于 2020-05-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低定位力双边磁通切换永磁直线电机,涉及直线电机技术领域。所述电机包括双边次级定子以及设置于所述定子之间的初级动子,每个单边次级定子上间隔的形成有若干个次级齿,所述次级齿与次级齿之间形成有次级齿槽,所述次级齿槽的底部形成有轭部,所述次级齿包括第一次级齿以及第二次级齿,所述第一次级齿与第二次级齿间隔设置,第一次级齿与第二次级齿之间的次级齿极距<Image he="19" wi="21" file="1.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>相同,且第一次级齿的宽度和高度与第二次级齿的宽度和高度不同,本申请所述直线电机不仅有效降低了定位力,且增大了电机的推力。(The invention discloses a low-positioning-force bilateral magnetic flux switching permanent magnet linear motor, and relates to the technical field of linear motors. The motor comprises bilateral secondary stators and a primary rotor arranged between the stators, a plurality of secondary teeth are formed on each unilateral secondary stator at intervals, secondary tooth grooves are formed between the secondary teeth and the secondary teeth, yokes are formed at the bottoms of the secondary tooth grooves, each secondary tooth comprises a first secondary tooth and a second secondary tooth, the first secondary tooth and the second secondary tooth are arranged at intervals, and the secondary tooth pole pitch between the first secondary tooth and the second secondary tooth The same, and the width and the height of first secondary tooth are different with the width and the height of second secondary tooth, this application linear electric motor has not only effectively reduced the positioning force, and has increased the thrust of motor.)

低定位力双边磁通切换永磁直线电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种低定位力双边磁通切换永磁直线电机。

背景技术

目前，随着工业技术的发展，直线电机作为驱动电机应用于轨道交通、数控机床以及垂直升降等领域越来越成为行业的技术热点。双边磁通切换永磁直线电机的长次级仅由导磁材料构成，初级仅由电枢绕组和导磁材料构成，具有可靠性高，结构简单，适用于长行程工况等优点，但磁通切换电机采用双凸极结构，在气隙磁密增加的同时，定位力矩问题也变得越发严重，且存在推力密度小、制作成本过高、漏磁严重等问题，限制了其广泛的应用。

所谓定位力矩，是永磁电机的固有现象，永磁直线电机的定位力主要是永磁体与定子及动子齿槽间的相互作用产生的齿槽力，定位力最为直观的表现是在电机绕组无激励源的情况下，电机的动子也总是具有趋于停在某些稳定位置的趋势，由此趋势产生的一种“振荡转矩”，它与转子的结构尺寸、定子齿槽的结构、气隙的大小、磁极的形状和磁场分布等有关，而与绕组如何放置在槽中和各相绕组中馈入多少电流等因素无关。定位力是永磁直线电机推力波动的来源之一，从而限制了其在各领域的应用，因此，本发明采用有效方法在电机本体的设计上减小磁通切换永磁直线电机的定位力矩具有重要的意义和实用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种低定位力高推力双边磁通切换永磁直线电机。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种低定位力双边磁通切换永磁直线电机，其特征在于：包括双边次级定子以及设置于所述定子之间的初级动子，所述次级定子的长度大于所述初级动子的长度，所述初级动子与所述双边次级定子之间具有气隙，所述初级动子包括6个初级动子单元，所述初级动子单元与初级动子单元之间存在连接桥，相邻单元之间由连接桥填充紧固，所述连接桥为导热但非导磁材料且与单元间隔组成初级的冷却通风结构；每个初级动子单元包括两个H型导磁铁芯，两个H型导磁铁芯之间设置有三段式永磁体；每个单边次级定子上间隔的形成有若干个次级齿，所述次级齿与次级齿之间形成有次级齿槽，所述次级齿槽的底部形成有轭部，所述次级齿包括第一次级齿以及第二次级齿，所述第一次级齿与第二次级齿间隔设置，第一次级齿与第二次级齿之间的次级齿极距τ_p相同，次级齿极距τ_ρ是指相邻的两个次级齿间的中心距，且第一次级齿的宽度和高度与第二次级齿的宽度和高度不同；以所述双边次级定子为固定部件，初级动子为运动部件，以初级动子在双边次级定子中间做直线运动，构成双边平板结构的电机。

进一步的技术方案在于：所述H型导磁铁芯上形成有导磁齿，同一侧的导磁齿之间形成绕组安装槽；每个初级动子单元中三段式永磁体和两侧的H型导磁铁芯的绕组安装槽间均隔套着一个电枢绕组，且每个初级动子单元的H型导磁铁芯的绕组安装槽中仅设置一相电枢绕组。

进一步的技术方案在于：所述三段式永磁体两端较宽，长度为中间较窄，长度为d_pm2，满足

进一步的技术方案在于：所述第一次级齿与第二次级齿中，较短的次级齿宽d_s1满足d_s1/τ_p＝0.4，较长的次级齿宽d_s2满足d_s2/τ_p＝0.45，相邻的次级齿高不同，所述长次级齿高h₂大于短次级齿高h₁，齿高为h₂的次级齿与初级之间的气隙长度为l_g2，齿高为h₁的次级齿与初级之间的气隙长度为l_g1，l_g1＞l_g2，所述长次级齿高h₂大于短次级齿高h₁，满足h₂-h₁＝0.2l_g2。

优选的，所述气隙长度l_g2为1mm。

进一步的技术方案在于：其中的一个单边次级定子相对于另一个单边次级定子错位，且该错位距离为d＝τ_ρ/12。

进一步的技术方案在于：所述永磁体水平充磁，且相邻初级动子单元中的永磁体的充磁方向相反，属于同一相的初级动子单元对应的永磁体充磁方向相反。

进一步的技术方案在于：从某一绕组安装槽开始，所述绕组安装槽中电枢绕组按一定的相序依次排列，其中，任一绕组安装槽内的电枢绕组与其相邻的一侧电枢绕组的绕向相反，且同一初级动子单元的同相电枢绕组绕向相反，6个连续初级动子单元构成一个完整的初级动子。

进一步的技术方案在于：每个初级动子单元对应的初级的任意一相电枢绕组由1对集中电枢绕组组成，其后依次设置属于相邻相的集中电枢绕组，6个初级动子单元依次设置，属于同相的集中电枢绕组并联单独控制，或者串联起来作为一相绕组控制。

进一步的技术方案在于：初级槽宽τ_t1与次级齿距τ_ρ之间、相间距ρ与次级齿距τ_ρ之间符合以下公式：

τ_t1＝[(m+1/2)]τ_ρ，其中，m为1；ρ＝(n±2/3)τ_ρ，其中，n为整数5，相距满足三相绕组互差120电角度的要求；初级单元间齿距τ_t2＝(m+1/6)τ_ρ，其中m为1，初级槽宽τ_t1是指同一个H型导磁铁芯上同侧的两个导磁齿间的中心距，次级齿距τ_ρ是指相邻的两个次级齿间的中心距，相间距ρ是指相邻的两个永磁体间的中心距，τ_t2是非导磁连接桥两侧相邻的两个导磁齿间的中心距。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本申请中三段式永磁体两端宽中间窄，使得磁通的流通主要集中在双边气隙周围，有效减小了磁通流通路径，从而减小了电机的磁阻效应，同时在一定程度上增大了电机的磁阻转矩，增加了电机的推力输出密度，在达到相同的平均推力时，所述永磁体用量更少，更有利于弱磁，在一定程度上有效的减小了定位力，提高了电机的运行性能，满足低定位力要求。

初级单元化的设计有效避免了初级动子内磁路耦合的问题，提高了电机的容错性能，不仅极大减轻了电机的材料用量，降低了电机制造的成本，而且增加了初级齿内的磁通密度和提高了电机的输出能力；次级定子采用非对称定子齿槽结构，即保证极距不变的情况下改变定子齿宽及齿高，在一定程度上拓宽了平均气隙的长度，借助有限元分析发现，该结构有效减小了定位力，同时配合双边定子非对称分布放置可增加电机的平均转矩，从而改善了电机的运行性能，满足高推力要求。

因此该发明在轨道交通和电梯等垂直升降的长行程领域有着良好的应用前景。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述直线电机的结构示意图；

图2是本发明实施例所述直线电机的磁场分布图；

图3是本发明实施例所述连续三段式永磁体的优化形状示意图；

图4是本发明所述非对称定子齿槽结构示意图；

图5是本发明对次级齿及气隙的进一步说明；

图6是本发明所述直线电机双边定子非对称错位放置示意图；

图7a-图7b是单元化初级铁心内磁感线流通对比图；

图8是本发明实施例所述定位力与现有电机定位力的比较曲线；

图9是本发明实施例所述推力与现有电机模型推力的比较曲线；

其中：1、双边次级定子；2、初级动子；3、气隙；4、初级动子单元；5、连接桥；6、H型导磁铁芯；7、三段式永磁体；8、第一次级齿；9、第二次级齿；10、导磁齿、11、电枢绕组；12、次级齿槽。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-图2所示，本发明实施例公开了一种低定位力高推力的双边磁通切换永磁直线电机，包括双边次级定子1以及设置于所述定子之间的初级动子2，所述次级定子的长度大于所述初级动子2的长度，所述初级动子2与所述双边次级定子之间具有气隙3；所述初级动子包括6个初级动子单元4，所述初级动子单元4与初级动子单元4之间存在连接桥5，相邻初级动子单元4之间由连接桥5填充紧固，所述连接桥5为导热但非导磁材料且与初级动子单元间隔组成初级的冷却通风结构；每个初级动子单元4包括两个H型导磁铁芯6，两个H型导磁铁芯6之间设置有三段式永磁体7；每个单边次级定子上间隔的形成有若干个次级齿，所述次级齿与次级齿之间形成有次级齿槽12，所述次级齿槽12的底部形成有轭部，所述次级齿包括第一次级齿8以及第二次级齿9，所述第一次级齿8与第二次级齿9间隔设置，第一次级齿8与第二次级齿9之间的次级齿极距τ_p相同，次级齿极距τ_ρ是指相邻的两个次级齿间的中心距，第一次级齿8的宽度和高度与第二次级齿9的宽度和高度不同；以所述双边次级定子1为固定部件，初级动子2为运动部件，以初级动子2在双边次级定子中间做直线运动，构成双边平板结构的电机。

如图1所示，初级槽宽τ_t1与次级齿极距τ_ρ之间、相间距ρ与次级齿极距τ_ρ之间符合以下要求：τ_t1＝(m+1/2)τ_ρ，其中,m为1；ρ＝(n±2/3)τ_ρ，其中，n为整数，相距满足三相绕组互差120电角度的要求；初级单元间齿距τ_t2＝(m+1/6)τ_ρ，m为1，其中，初级槽宽τ_t1是指同一个H型导磁铁芯6上同侧的两个导磁齿10间的中心距，次级齿极距τ_ρ是指相邻的两个次级齿间的中心距，相间距ρ是指相邻的两个三段式永磁体7间的中心距，τ_t2是指连接桥5两侧相邻的两个导磁齿10间的中心距。

一个次级齿极距的长度相当于该电机的360电角度，即该电机的一个次级极相当于永磁同步电机的一对极。按照分数槽原理，如果初级槽数为6，则次级极数可选为1、5、7、11、13、17、19、23……。为得到较大的推力密度和较低的同步速度，该直线电机应采用少槽多极结构，图1所示电机为6槽/17极电机。工作速度范围由槽/极数和极距来决定，可根据实际要求来选择电机的槽/极数和次级的极距。

如图1所示，每个初级动子单元4中三段式永磁体7和两边的H型导磁铁芯6间均隔套着两个集中绕组，每个单元的H型导磁铁芯6的导磁齿10中仅设置一相集中绕组，每个初级动子单元4中单边初级的任意一相电枢绕组11由2对集中电枢绕组串联组成，从第一个集中电枢绕组起，有1个相邻放置的集中电枢绕组属于同一相，其后依次设置属于相邻相的集中电枢绕组，两单边初级结构完全相同，6个初级动子单元4依次设置，两单边初级动子单元4中属于同相的集中电枢绕组并联单独控制，或者串联起来作为一相绕组控制。

如图1所示，三段式永磁体7水平充磁，且相邻的初级动子单元4对应的三段式永磁体7的充磁方向相反，属于同一相的初级动子单元4对应的三段式永磁体7充磁方向相反。所述绕组安装槽中电枢绕组按一定的相序依次排列，其中，任一绕组安装槽内的电枢绕组与其相邻的一侧电枢绕组的绕向相反，且同一初级动子单元4的同相电枢绕组绕向相反，6个连续的初级动子单元4构成一个完整的初级动子2。

为减小定位力优化电机性能，本申请中永磁体设计为连续的三段式结构，永磁体靠近气隙3的两端是进行能量交换的位置，而永磁体中间的位置的作用仅仅起到一个磁通回路的作用，故而将永磁体设计为两端宽中间较窄，这样的设计依据磁通切换电机的原理极大的减小了磁感线流通的路径，减小了电机的磁阻效应，经有限元分析，该结构增大了推力密度，在达到相同的推力大小水平，需永磁体的材料用量更少，减小了永磁体与定子及动子齿槽间的相互作用产生的齿槽力，所以在一定程度上的降低了电机的定位力，改善电机的性能；由于H型导磁铁心6与三段式永磁体7严格契合，故H型铁心与永磁体相邻的部分随永磁体的形状改变，保证了电机结构的紧凑，优化的永磁体模型如图3所示。优选的，所述三段式永磁体7两端较宽，长度为中间较窄，长度为d_pm2，满足

为进一步减小定位力，本申请中双边次级定子1采用非对称定子齿槽结构，在次级齿极距τ_p不变的情况下改变次级齿宽和齿高，使磁导率分布不对称达到减小齿槽转矩的目的，由于定位力是由气隙磁导率谐波和磁动势谐波之间相互作用而产生的，气隙磁阻在电机位移过程中相对变化最小，提出可变气隙长度的方法减小定位力，具体将此方法作用于次级齿中，结合定位力的解析公式可知，将相邻次级齿设计成不同齿高，同时次级与初级间形成不同长度的气隙，齿高为h₂的次级齿与初级之间的气隙长度l_g2优选为1mm，齿高为h₁的次级齿与初级之间的气隙长度为l_g1，l_g1>1mm，增加了平均气隙的长度，在一定程度上减小了磁通密度根据解析公式可知，并通过有限元验证，当h₁与h₂相差为0.2l_g2时，可有效减小定位力，实施例如图4及图5所示。所述直线电机中次级齿极距τ_ρ优选为10mm，相距ρ优选为56.6mm，气隙l_g2优选为1mm；

本申请通过改变次级齿宽和齿高，增加气隙平均长度的方法可减小定位力，但是会牺牲电机的一部分推力，通过对次级齿进行参数化建模解析可知，当次级齿宽与次级齿极距比值在0.4～0.5范围时，电机的平均电磁推力达到最大值，为保持电机的高推力特性，短齿宽d_s1满足d_s1/τ_p＝0.4，长齿宽d_s2满足d_s2/τ_p＝0.45，通过有限元分析验证，非对称的齿槽结构可有效减小定位力，同时保持相同程度的平均电磁推力。

由于分布不对称的磁导率可减小齿槽转矩，进一步为减小定位力，如图6所示，电机中一个单边次级定子移位一段距离后的双边定子分布是不对称的，因此这种方法定义为错位定子非对称分布。以减小定位力为目的，通过有限元方法参数化分析仿真计算，优选的，非对称分布距离为d＝τ_ρ/12，定位力可明显下降同时反电动势和推力能够保持良好的性能。

通过有限元建模进一步分析，当非对称齿槽结构的方法与错位定子非对称分布的方法作用共同优化电机时，可在一定程度上提高电机的平均推力。

为进一步提高电机的推力密度，通过有限元分析观察磁通量密度、磁感线在定子铁芯和动子铁芯中的分布，发现相邻单元的有些部分对于磁感线的流通是不重要的，如图7a所示，初级铁芯并未利用这一部分，去掉这些部分后通过观察磁场密度分布图，如图7b所示，右侧箭头和次级的黑色椭圆所示所示，发现两端铁芯磁通密度增大且未达到磁饱和，故而去除掉这一部分，形成本发明的初级动子单元化的结构。单元化的设计使得初级和次级之间流通的磁感线更加密集，大大提高了电机的推力密度,同时也极大减轻了电机的重量、降低了电机的制造成本，提高了电机材料的利用率和运行效率。

如图8所示，经过一系列优化结构后，本发明所述电机的定位力与现有的磁通切换电机的定位力相比大大减小，约为优化前电机定位力的1/4；如图9所示，根据相同极距尺寸设计的磁通切换电机，在同样的激励条件下，本发明所述电机的推力与现有的磁通切换电机的相比增大了约1.4倍。

本发明所述磁通切换电机的结构不仅具有低定位力高推力的优点，并有效减少永磁体和导磁材料的使用，同时也降低了电机整体的成本和重量，有利于永磁体散热，且提高了电机推力输出密度和带负载能力。该新型结构与现有的双边直线磁通切换永磁电机相比具有电机定位力低、推力密度高、损耗小等特点，有效降低了电机成本和重量且极大的解决了系统漏磁的情况。