阅读说明：本技术 低推力脉动的永磁同步直线电机 (Low-thrust pulsating permanent magnet synchronous linear motor ) 是由 周尔清 唐自祥 黄奕宏 于 2019-11-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及直线电机的技术领域,公开了低推力脉动的永磁同步直线电机,包括动子以及定子,动子与定子相对布置；动子包括铁芯、多个绕组以及电路板,铁芯的下端朝向定子方向延伸形成多个间隔布置的铁芯柱,绕组套设在铁芯柱上,多个绕组分别与电路板电性连接；定子布置在底座上,定子包括导磁基板以及多个N-S极交错平行布置的永磁体；动子的前端形成有朝向定子布置的前端铁芯柱,动子的后端形成有朝向定子布置的后端铁芯柱,前端铁芯柱与后端铁芯柱上设置有端齿,这样,在动子移动过程中,在动子前端与后端的端齿的作用下,能有效降低齿槽力以及推力脉动,便于高精度场合直线电机的应用。(The invention relates to the technical field of linear motors, and discloses a low-thrust-pulsation permanent magnet synchronous linear motor, which comprises a rotor and a stator, wherein the rotor and the stator are oppositely arranged; the rotor comprises an iron core, a plurality of windings and a circuit board, the lower end of the iron core extends towards the stator direction to form a plurality of iron core columns which are arranged at intervals, the windings are sleeved on the iron core columns, and the windings are respectively and electrically connected with the circuit board; the stator is arranged on the base and comprises a magnetic conduction substrate and a plurality of permanent magnets with N-S poles arranged in a staggered and parallel mode; the front end of the rotor is provided with a front-end iron core column arranged towards the stator, the rear end of the rotor is provided with a rear-end iron core column arranged towards the stator, and the front-end iron core column and the rear-end iron core column are provided with end teeth.)

低推力脉动的永磁同步直线电机

技术领域

本发明专利涉及直线电机的技术领域，具体而言，涉及低推力脉动的永磁同步直线电机。

背景技术

在制造装配业中，由直线电机构成的直驱技术具有高速、高精、免维护等优点，已得到广泛应用。

目前，带有铁芯的直线电机是在绕组组中设置铁芯，其广泛应用于高速数控加工中心、垂直升降输送系统、高速地面运输系统、往复式空气压缩机等领域，可以提供较快的响应能力，较大的负载，并在机床加工或施加推力过程中能够保证刚度。

然而在更精密应用场合，对直线电机有更高的要求，这类直线电机的应用中，由于端部效应和齿槽效应共同影响，存在现有直线电机的齿槽力较高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供低推力脉动的永磁同步直线电机，旨在解决现有技术中，现有直线电机的齿槽力较高的问题。

本发明是这样实现的，低推力脉动的永磁同步直线电机，包括动子以及定子，所述动子与所述定子相对布置；所述动子包括铁芯、多个绕组以及电路板，所述铁芯的下端朝向所述定子方向延伸形成多个间隔布置的铁芯柱，所述绕组套设在所述铁芯柱上，多个所述绕组分别与所述电路板电性连接；所述定子布置在底座上，所述定子包括导磁基板以及多个N-S极交错平行布置的永磁体；所述动子的前端形成有朝向所述定子布置的前端铁芯柱，所述动子的后端形成有朝向所述定子布置的后端铁芯柱，所述前端铁芯柱与所述后端铁芯柱上设置有端齿。

进一步地，沿所述底座的长度方向，所述底座的两侧设有条形滑槽，所述定子置于所述条形滑槽的内侧，所述动子可沿所述条形滑槽的长度方向往复滑动。

进一步地，所述动子由多个动子模块组成，单个所述动子模块为7极6槽，单个所述动子模块内布置有两套三相电机绕组。

进一步地，在电气上，两套所述三相电机绕组相差30电角度，双Y偏30°。

进一步地，所述前端铁芯柱与所述后端铁芯柱分别具有下角部，所述下角部包括垂直所述定子的垂直面、平行且朝向所述定子的平行面以及背离所述定子方向呈倾斜布置的倾斜面，所述倾斜面的两端分别对接所述垂直面和所述平行面。

进一步地，所述前端铁芯柱与所述后端铁芯柱的长度小于所述铁芯柱的长度。

进一步地，所述齿槽力低的直线电机包括有限元分析模块，沿横向方向，所述倾斜面的长度为(A-B)值，沿纵向方向，所述倾斜面的宽度为D值，沿横向方向，所述动子结构的长度为L值，所述限元分析模块根据所述D值、(A-B)值以及L值，分析电机的齿槽力。

进一步地，除前端铁芯柱与后端铁芯柱以外的相邻的铁芯柱之间围合形成有中部槽道，所述绕组布置在所述中部槽道内。

进一步地，所述前端铁芯柱与相邻的所述铁芯柱之间围合形成有第一槽道，所述后端铁芯柱与相邻的所述铁芯柱之间围合形成第二槽道，所述第一槽道与第二槽道的宽度为所述中部槽道的二分之一，所述绕组布置在所述第一槽道与所述第二槽道内。

进一步地，相邻的两个绕组之间呈间隔布置。

与现有技术相比，本发明提供的低推力脉动的永磁同步直线电机，在动子移动过程中，在动子前端与后端的端齿的作用下，能起到有效降低齿槽力以及推力脉动的效果，便于高精度场合直线电机的应用，解决了现有直线电机的齿槽力较高的问题。

附图说明

图1是本发明提供的低推力脉动的永磁同步直线电机的立体示意图；

图2是本发明提供的低推力脉动的永磁同步直线电机的定子与动子的配合主视示意图；

图3是本发明提供的低推力脉动的永磁同步直线电机的A部放大图；

图4是本发明提供的低推力脉动的永磁同步直线电机的绕组示意图；

图5是本发明提供的低推力脉动的永磁同步直线电机改进前后的齿槽力标么值的曲线示意图；

图6是本发明提供的低推力脉动的永磁同步直线电机的相位图；

图7是本发明提供的低推力脉动的永磁同步直线电机的反电势图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照图1至7所示，为本发明提供的较佳实施例。

低推力脉动的永磁同步直线电机，包括动子10以及定子110，动子10与定子110相对布置；动子10包括铁芯、多个绕组120以及电路板14，铁芯的下端朝向定子110方向延伸形成多个间隔布置的铁芯柱100，绕组120套设在铁芯柱100上，多个绕组120分别与电路板14电性连接；定子110布置在底座111上，定子110包括导磁基板以及多个N-S极交错平行布置的永磁体112；动子10的前端形成有朝向定子110布置的前端铁芯柱100，动子10的后端形成有朝向定子110布置的后端铁芯柱100，前端铁芯柱100与后端铁芯柱100上设置有端齿1010。

上述提供的低推力脉动的永磁同步直线电机，在动子10移动过程中，在动子10前端与后端的端齿1010的作用下，能起到有效降低齿槽力以及推力脉动的效果，便于高精度场合直线电机的应用，解决了现有直线电机的齿槽力较高的问题。

永磁体112是呈竖直布置在底座111上方的，能够有效地驱动绕组120线圈部分往复运动，这样，在电机运行过程中，能达到更高的工作效率。

直线电机的工作原理：以直线感应电机为例，当初级绕组120通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力；如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动；直线电机的驱动控制技术一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须具有能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统；随着自动控制技术与微计算机技术的发展，直线电机的控制方法越来越多。

另外，通过设置电路板14，还可以对电源与绕组120之间的电性连接进行一些电路处理，或者，根据实际需要，增加一些电路功能等等。

本实施例中，电路板14呈长条状，其分布在铁芯的侧边，布置在多个成排布置的铁芯柱100的侧边，这样，便于电路板14与多个绕组之间的电性连接。

另外，在电路板14上形成有连接端子15，这样，外部电源需要与电路板14电性连接时，可以通过与连接端子15之间电性连接则可。具体地，连接端子15上设有多个插孔，这样，外部电源等直接通过连接结构与插孔对接则可。

动子10还包括外壳11，外壳11中具有下端开口的容腔，上述的绕组10、铁芯以及电路板14置于外壳11的容腔中，利用外壳11对绕组10、铁芯以及电路板14形成外在保护。

当绕组120、铁芯以及电路板14置于外壳11的容腔中后，往外壳11的容腔中灌注胶水，胶水在容腔中形成胶块，该胶块填充外壳11的整个容腔，这样，绕组120、铁芯以及电路板14也被胶块包裹着，并固定在外壳11容腔中，也使得绕组120、铁芯以及电路板14三者的连接更加稳固。

再者，电路板14的侧边形成有缺口，这样，可以使得电路板14稳固包裹在胶块中；电路板14的侧边形成有多个缺口，多个缺口延伸电路板14的侧边相间隔布置。

当然，为了便于外部电源与电路板14进行电性连接，电路板14上的连接端子15则显露在外壳11的外部。另外，在外壳11上设置有多个外部连接孔，且在连接条13的上表面设有多个内部连接孔131，内部连接孔131与外部连接孔对齐布置，这样，当动子10需要与外部元件进行连接时，可以直接通过螺钉穿过外部连接孔及内部连接孔131实现连接。

本实施例中，铁芯为多个硅钢片侧向叠合形成的整体结构，当然，各个硅钢片的结构一致，多个硅钢片叠合以后的整体，则形成了铁芯。

为了使得多个硅钢片之间稳固连接在一起，多个硅钢片上设有连接结构，该连接结构插设在多个硅钢片中，将多个硅钢片连接形成一体。

具体地，连接结构包括连接条13，该连接条13下部的两侧朝外突出，形成外凸结构，这样，对于连接条13而言，其横截面则形成上小下大的形状。连接条13同时横向穿过多个硅钢片，利用连接条13将多个硅钢片连接为一体，且可以避免连接条13朝上方向脱离多个硅钢片。

铁芯的上表面具有横向布置的插孔，当然，该插孔的横截面与连接条13的横截面对应结构一致，从而，连接条13则可以对应***插孔中，使得将多个硅钢片连接为一体的效果，或者，连接条13也可以从插孔中拔出；插孔的上端在铁芯上形成上端开口，这样，当连接条13插设在铁芯的插孔中后，连接条13的上表面显露在插孔的上端开口。

另外，定子110具有朝向动子10结构20的上端面，水平面与定子110的上端面具有间隙，间隙的范围为1-3mm。

间隙的范围为2mm；在不影响直线电机性能下，这样设置电机的推力密度最佳。

沿底座111的长度方向，底座111的两侧设有条形滑槽，定子110置于条形滑槽的内侧，动子10可沿条形滑槽的长度方向往复滑动，条形滑槽便于对定子110进行定位及导向，定子上方封盖有封盖板130，条形滑槽还可以为封盖板130提供安装区域。

再者，动子10由多个动子10模块组成，单个动子10模块为7极6槽，单个动子10模块内布置有两套三相电机绕组120，这样的话，每个铁芯柱100上都有且只有一个绕组120。

具体的，用户可以根据自身需要，对动子模块进行组合使用，当电机内包含两个动子10模块时，在动子10模块的两端分别各具有一个端齿1010，在两个端齿1010之间具有12个槽，当两个电机内包含三个动子10模块时，在动子10模块的两端分别各具有一个端齿1010，在两个端齿1010之间具有18个槽，具体的计算方法为：电机的槽数为动子10模块的数量的六倍，并且在槽的两端均各具有一个端齿1010。

在电气上，两套三相电机绕组120相差30电角度，双Y偏30°具体的，如图6所述，U1与U2之间为30°，V1与V2之间为30°，W1与W2之间为30°，通过双Y绕组120磁链耦合可消除6次谐波和转矩脉动。

再者，前端铁芯柱101与后端铁芯柱102分别具有下角部，下角部包括垂直定子110的垂直面、平行且朝向定子110的平行面以及背离定子110方向呈倾斜布置的倾斜面，倾斜面的两端分别对接垂直面和平行面，当绕组120通电时，绕组120与定子110相互作用产生电磁推力，从而驱动动子10结构沿横向往复移动，且下角部这样设置，有助于降低齿槽力，使推力波动达到最佳，满足电机精度需求。

前端铁芯柱101与后端铁芯柱102的长度小于铁芯柱100的长度。

齿槽力低的直线电机包括有限元分析模块，沿横向方向，倾斜面的长度为(A-B)值，沿纵向方向，倾斜面的宽度为D值，沿横向方向，动子10结构的长度为L值，限元分析模块根据D值、(A-B)值以及L值，分析电机的齿槽力，得到降低齿槽力效果最好的D、(A-B)以及L值。

在数学中，有限元法是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简单的部分，这种简单部分就称作有限元。

它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线逼近圆的思想，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元分析模块是对于结构力学分析迅速发展起来的。它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等问题，有限元方法已经应用于水工、土建、桥梁、机械、电机、冶金、造船、飞机、导弹、宇航、核能、地震、物探、气象、渗流、水声、力学、物理学等，几乎所有的科学研究和工程技术领域。基于有限元分析算法编制的软件，即所谓的有限元分析软件。

通常，根据软件的适用范围，可以将之区分为专业有限元软件和大型通用有限元软件。实际上，经过了几十年的发展和完善，各种专用的和通用的有限元软件已经使有限元方法转化为社会生产力。常见通用有限元软件包括Ansys、Abaqus等。

除前端铁芯柱101与后端铁芯柱102以外的相邻的铁芯柱100之间围合形成有中部槽道105，绕组120布置在中部槽道105内。

前端铁芯柱101与相邻的铁芯柱100之间围合形成有第一槽道103，后端铁芯柱102与相邻的铁芯柱100之间围合形成第二槽道104，第一槽道103与第二槽道104的宽度为中部槽道105的二分之一，绕组布置在第一槽道与第二槽道内，相邻的两个绕组120之间呈间隔布置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。