具体实施方式

为了更详细地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

图1所示为本实施例的直驱式环形柔性输送系统结构示意图，其主要包括环形基座1和初级励磁型直线电机2。在本实施例中，环形基座1由大理石构成，环形基座1呈环形，实际应用时也可由铝型材搭建。在本实施例中，初级励磁型直线电机2安装于环形基座1的环形侧面，实际应用时也可安装于环形基座1的水平面上。初级励磁型直线电机2包括长定子21和多个动子22，各动子间相互独立运行且不存在电磁耦合，动子的数量可根据实际需要进行增减。与此同时，针对不同的应用需求，动子22可进行二次开发，在动子表面开设安装孔后可用于安装不同的承载设备，输送不同规格的物品。

图2是直驱式环形柔性输送系统剖视图。长定子21固接于环形基座1并由多段齿槽结构的定子铁芯无缝衔接而成，其包括如图3所示的多个直线段21A和多个弧形段21B。定子铁芯在朝向动子的一侧表面开设齿槽，多个齿槽沿动子运动方向间隔布置，每个齿槽沿垂直于动子的运动方向布置，动子运动方向和环形基座1的环形侧面方向相同，在背向动子的一侧表面开设螺纹孔，并用螺丝固接于环形基座。弧形段21B的定子铁芯在背向动子一侧的内径与环形基座1环形侧面的弧形段外径相同。动子22通过滚轮23B固定于导轨23A上，导轨23A沿着长定子21铺设并固接于环形基座1。动子22通过磁性吸力吸附于长定子21上并留有气隙，并通过滚轮在导轨上运动。动子与长定子之间的气隙大小设置为1-2mm，在本实施例中，气隙的大小为2mm。在实际应用中，考虑到环形基座的半径大小、动子的长度及前后滚轮的安装距离，气隙的选择受到约束，即在选择较小的气隙以提高电机推力密度的同时，需要保证直线段形状的动子能够顺利通过定子的弧形段而不发生卡顿。

供电模块24由供电单元和受电单元构成，且供电单元和受电单元分别安装于环形基座1和动子22。在本实施例中，供电单元由两条U型结构的滑触线241构成，两条滑触线并排分别布置于长定子21的两侧，并固接于基座，分别构成正极和负极电源线，其在一端外接供电电源。每个动子上均安装有受电单元，且受电单元由包含碳刷的两个集电器242构成，两个集电器242分别布置于短初级28的两侧。集电器242与滑触线241之间滑触连接且集电器242具有弹性，可保证动子在直线段和弧形段运动时其与滑触线241可靠连接，将电能实时、可靠地传送至动子22。当集电器242上的碳刷磨损严重时，可将整个集电器242进行更换，保证其与滑触线241可靠连接。通过滑触线与集电器滑触送电的方式，可以有效避免多个动子运动时的线缆连接问题，且集电器更换的成本较低。位置检测模块26由沿着长定子铺设的无源磁栅尺26A和集成于动子的信号读数头26B构成，将采集到的速度与位置信号实时地反馈给动子22用于驱动控制。为提高动子的定位精度，位置检测模块可采用具有更高精度的光栅尺。

图4是初级励磁型直线电机动子结构示意图，动子22的主体部分由短初级28构成。与此同时，动子22上还安装有四个滚轮23B，用于支撑动子固定在导轨23A上，并与长定子21保持一定的气隙。还包括功率驱动模块25、无线通讯模块27和上位机，功率驱动模块25、无线通讯模块27和动子22一起固定安装。供电模块24的受电单元、位置检测模块的信号读数头26B、功率驱动模块25和无线通讯模块27均集成安装于短初级28周围并随其运动。

图5是动子各模块电气与信号连接示意图。功率驱动模块25从受电单元实时获取电能并经过锂电池储能单元将一部分电能存储在锂电池中。三相全桥碳化硅逆变单元将从受电单元获取的直流电逆变输出为三相交流电，用于驱动动子22运动。当受电单元故障或突发断电时，锂电池储能单元将用于动子22上所有模块的供电。此外，硬件保护单元将为短初级28的过流、短路等故障提供保护，信号采集与调理单元将采集到的电流、电压、温度等信号进行调理并反馈给中央控制单元。中央控制单元是功率驱动模块的核心，负责接收由位置检测模块传递的位置信号和由无线通讯模块传递的运动指令，并由此产生三相PWM信号给三相全桥碳化硅逆变单元，用于驱动动子22运动。无线通讯模块27可将各动子参数实时传送至上位机，并接收由上位机下发的运动指令，将运动指令反馈至功率驱动模块25。

图6是初级励磁型直线电机短初级28结构示意图，其包括非对称结构的永磁体阵列281、电枢绕组282和初级铁芯283。本实施例中，永磁阵列281由N_p＝12个永磁单元紧密并排组成并表贴于初级铁芯283电枢齿的表面，每个永磁单元单方向从左到右由永磁体A和永磁体B并排贴合构成，永磁体A和永磁体B宽度不同且极性相反。图7所示为永磁单元结构及磁场分布示意图，由图可知，当永磁体A和永磁体B呈宽度不同的非对称分布后，永磁体A和B磁场的峰值并不相同，主要表现为宽度较小的永磁体下磁场幅值较高而宽度较大的永磁体下磁场幅值较低，幅值的正负非对称会带来额外的可被有效利用的偶数次谐波。图7所示为本实施例在定子无槽铁芯下的气隙磁密波形及谐波分布，通过引入非对称永磁励磁结构，电机中的永磁磁动势分布可以从原来的对称型奇数倍分布拓展到非对称型整数倍分布，在相同永磁体用量的情况下，可以额外增加并有效利用幅值较大的偶数倍谐波磁动势特别是二次谐波磁动势，构造多永磁磁动势共同励磁的全新运行模式。图9所示为短初级电枢绕组连接图，电枢绕组282采用单层集中绕组，初级铁芯283每隔一个电枢齿绕制一个线圈，三相绕组共有6个线圈，相邻两个线圈之间相差60度电角度，各相绕组线圈之间的连接如图9所示。

初级铁芯283为整体冲片式齿槽结构的叠片铁芯，叠片铁芯的叠方向是沿垂直于运动方向和平行于定子铁芯安装平面。初级铁芯在朝向长定子的一侧开设有多个半闭口槽，多个半闭口槽沿运动方向间隔布置，相邻两个半闭口槽之间形成初级铁芯齿部。定子铁芯齿的最佳数目满足如下关系：当初级铁芯槽数为2N_ph(N_ph为相数)时，定子铁芯齿的最佳数目为4N_ph±1；当初级铁芯槽数为4N_ph时，定子铁芯齿的最佳数目为6N_ph±1；当初级铁芯槽数为6N_ph时，定子铁芯齿的最佳数目为8N_ph±1。以此类推，定子铁芯的最佳齿数设置为(kN_ph+2N_ph)±1，其中kN_ph表示初级铁芯283的齿数，k表示槽数系数，N_ph为永磁直线电机的相数。在本实施例中，采用的相数为3相，定子铁芯齿数为17。

表1所示是不同定子铁芯齿数下的相反电动势基波幅值，由表1可知，当定子铁芯齿数为17时，相反电动势基波幅值最大，而定子铁芯齿数为19时基波幅值次之。随着定子铁芯齿数的减小，相反电动势基波幅值也随之减小，定子铁芯齿为13/14近槽极配合下的基波幅值小于定子铁芯齿为17/19时的幅值，主要原因在于定子铁芯齿数较小的近槽极配合不能高效利用二次谐波磁动势。随着定子铁芯齿数的增加，相反电动势基波幅值下降更加明显，主要原因在于定子铁芯齿数较大时不能高效利用基波磁动势。由此可以看出，为了同时有效利用基波磁动势和二次谐波磁动势，初级铁芯槽数与定子铁芯齿数配合突破了传统对称励磁中的“近槽配合”，定子铁芯齿数在基波极对数和两倍谐波极对数之间寻求平衡，其最佳数目满足上文所述关系。

表1不同定子铁芯齿数下相反电动势基波幅值

在确定定子铁芯齿的最佳数目后，可用基于解析函数的优化设置方法对该初级励磁型永磁直线电机的永磁体宽度最佳比例和定子铁芯齿宽度的最佳比例进行快速优化设置，其步骤如下：

步骤1：在设置定子不设有齿和齿槽情况下，建立定子无齿槽结构下非对称励磁磁极的无槽气隙磁通密度解析模型，表示为：

其中，x表示短初级沿运动方向移动的距离，B_slotless(x)表示无槽气隙磁通密度，α表示永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例，i表示各次谐波倍数，g表示动子和定子之间的气隙，B_r表示永磁体剩磁，μ_r表示永磁体相对磁导率，h_m表示永磁体充磁方向的厚度，l_p表示初级铁芯中的相邻半闭口槽之间的周期槽距；

步骤2：计算极对数等于初级铁芯齿数N_p时的气隙磁通密度B_slotless(x)作为基波幅值，同时计算极对数等于两倍初级铁芯11铁芯齿数N_p时的气隙磁通密度B_slotless(x)作为二次谐波幅值，以基波幅值和二次谐波幅值之和最大为优化目标，优化求解获得永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例α；

步骤3：在设置定子设有齿和齿槽情况下，建立定子磁导解析模型，可表示为：

其中，t表示时间，Λ_s(x,t)表示时间t下短初级沿运动方向移动了距离x情况下的磁导函数，Λ_s0表示0阶磁导值，Λ_s1表示1阶磁导值，N_s表示与短初级相同长度范围内的定子的齿数，N_p表示短初级的槽数，V_s表示短初级相对于长定子的运动速度，x_s0表示短初级相对于长定子的初始位置，w_st表示长定子铁芯齿的齿宽，τ表示长定子铁芯相邻两齿之间的距离，β表示变化系数；

步骤4：根据步骤2获得永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例α代入定子无齿槽结构下非对称励磁磁极的无槽气隙磁通密度解析模型中，再结合定子磁导解析模型代入以下定子有齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度解析模型，进行求解获得气隙磁通密度：

其中，B_slotted(x,t)表示时间t下短初级沿运动方向移动了距离x情况下有齿槽结构非对称励磁磁极的气隙磁通密度，μ₀表示真空磁导率。

步骤5：按照步骤4的公式计算不同极对数下的气隙磁通密度经快速傅里叶变换之和再求和，并以上述气隙磁通密度之和最大化为目标，优化求解获得单个定子的齿宽作为最优值，进而完成对初级励磁型永磁直线电机的优化设置。

图10所示为基波与二次谐波幅值之和随永磁体宽度比例的变化图，由图可知，基于解析函数的快速计算方法所得到的结果与基于有限元计算的结果变化趋势一致，具体数值上略有差异。与此同时，当永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例α约为三分之一时，基波和二次谐波的幅值之和最大，此时该比例可设定为最优比例。

在此基础上，利用步骤4所得到的定子有齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度解析模型求解气隙磁通密度，将求解后的气隙磁通密度进行快速傅里叶变换，得到不同极对数下气隙磁通密度的幅值，将极对数为|12i±17|,i＝1,2次谐波的幅值求和，并以上述次谐波的幅值之和最大化为目标，对定子铁芯齿宽度的最佳比例进行优化，得到最优值。图11所示为定子铁芯调制下各次有效谐波幅值之和随定子铁芯齿宽比例的变化图，由图可知，基于解析函数的快速计算方法所得到的结果与基于有限元计算的结果变化趋势一致，具体数值上略有差异。当定子铁芯齿宽度占定子极距的比例约为三分之一时，5，7，29和41次谐波幅值之和最大，此时该比例可设定为最优比例。

图12所示为电机平均推力随定子铁芯齿宽比例的变化图，由图可知，平均推力随定子铁芯齿宽比例的变化趋势与各次有效谐波幅值之和随定子铁芯齿宽的变化趋势一致。由此可以看出，通过基于解析函数的优化设置方法对永磁体宽度最佳比例和次级铁芯齿宽度的最佳比例进行快速优化设置，可以达到优化并提升电机推力密度这一目标，并快速实现关键参数的优化设置。

图13所示为非对称励磁与对称励磁下电机平均推力的对比图，其中非对称励磁采用的最优的槽极配合为12槽17极，对称励磁采用的最优的槽极配合为12槽14极。由图可知，在相同铜耗和永磁体用量下，通过改变永磁体的宽度比例，非对称励磁下的平均推力可以比对称励磁时提高约38.1％，电机的推力密度得到大幅提高。由此可以看出，本发明所提出的非对称励磁的初级励磁型永磁直线电机及其优化设置方法能够有效提高电机的推力密度。

上述直驱式环形柔性输送系统的硬件部分搭建完毕之后，可以对多动子进行协同控制，保证各动子能相对独立且高效运行。图14所示为各动子间协同控制策略框图，各动子间采用并行同步控制，由上位机并行下发控制指令给各个动子，无线通讯模块收到控制指令后传递给功率驱动模块，功率驱动模块中的中央控制单元根据动子实际运行状况与控制指令进行反馈控制，并由此产生三相PWM信号给三相全桥碳化硅逆变单元，用于驱动动子运动。并行同步控制可保证各动子在协同运行的同时保持一定的独立性，避免因单个动子运行的误差对整个系统运行造成干扰。

图15所示为各动子运行状态示意图。根据位置信号反馈，上位机实时监测N个动子的实时位置并表示为[P₁,P₂,…,P_N]。根据实时位置[P₁,P₂,…,P_N]，可计算出N个动子间的运行距离[L₁,L₂,…,L_N]，其中L₁表示第一个动子与第二个动子间的距离，L₂表示第二个动子与第三个动子间的距离，L_k表示第k个动子与第k+1个动子间的距离，L_N表示第N个动子与第一个动子间的距离。

图16所示为两动子间最小安全运行距离示意图。在并行同步控制策略下，各动子在运行前后方向上均有一定距离的安全活动区，可用于反馈控制时运行状态的调节。在安全活动区内，各动子间不存在碰撞的可能，因此系统可安全运行，各动子根据控制指令对自身运行状态进行调节。在运行过程中，上位机实时地对比判断N个动子间的运行距离[L₁,L₂,…,L_N]与最小安全运行距离L_s的关系。当第k段运行距离L_k小于最小安全运行距离Ls时，则第k个和第k+1个动子存在运行状态异常，需要调取第k个和第k+1个动子的运行数据。

根据速度和位置指令，分别判断第k个和第k+1个动子的实际运行速度和位置值与指令值的偏差，当偏差大于设定阈值时，则认定该动子存在故障，对该动子重新下发速度与位置指令值，功率驱动模块调整输出驱动电流大小以纠正运动状态。上位机继续重点监测故障动子的运行数据，在十个控制周期内若其与相邻动子的运行距离仍小于最小安全运行距离L_s，则全部动子紧急停机，故障动子向上位机发送故障信号。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。