專利名稱：低速高推力密度直線電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型磁場(chǎng)調(diào)制式永磁直驅(qū)直線電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)低速高推力密度，屬于直線電機(jī)技術(shù)。
背景技術(shù)：
永磁同步直線電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快、隨動(dòng)性好、免維護(hù)等突出優(yōu)點(diǎn)，在高性能直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用。然而，其也存在推力波動(dòng)幅值大的明顯缺點(diǎn)，直接影響定位和軌跡跟蹤精度，帶來低速時(shí)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性問題。通常的調(diào)速措施只能獲得低速，并不增加轉(zhuǎn)矩，限制了永磁同步直線電機(jī)性能的提高和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大。傳統(tǒng)采用齒輪箱作為中間環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)速，以增加電機(jī)次級(jí)速度，而齒輪箱使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)體積和重量增加，同時(shí)還有噪聲、磨損、響應(yīng)慢等問題。磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)是一種最近提出的直驅(qū)式電機(jī)，它的核心部分是磁齒輪的應(yīng)用，磁齒輪是一種新型的齒輪結(jié)構(gòu)，它具有噪聲低、可靠性高、轉(zhuǎn)矩傳輸能力大、過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。然而，也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需較高的工藝水平。因此，有必要提出一種新型磁場(chǎng)調(diào)制式永磁直線電機(jī)。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)直線電機(jī)在低速時(shí)推力密度相對(duì)較低的問題，提出一種低速高推力密度直線電機(jī)，解決現(xiàn)有傳動(dòng)裝置中的機(jī)械增速齒輪箱功率密度低、機(jī)械磨損和噪音等問題，同時(shí)對(duì)新型磁齒輪復(fù)合電機(jī)雙氣隙機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，省去由導(dǎo)磁塊和非導(dǎo)磁材料構(gòu)成的調(diào)磁固定部件，并在定子齒間上嵌入永磁體，本發(fā)明的內(nèi)容是圍繞直線電機(jī)具有低速高推力密度運(yùn)行性能而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種低速高推力密度直線電機(jī)，該裝置包括電機(jī)短初級(jí)、與電機(jī)短初級(jí)相對(duì)設(shè)置且隔一條氣隙的電機(jī)長(zhǎng)次級(jí)；
電機(jī)短初級(jí)包括定子鐵芯、均勻分布在定子鐵芯外周的定子齒、定子繞組、定子永磁體；定子鐵芯采用開口槽定子結(jié)構(gòu)，即定子鐵芯上開設(shè)有定子槽，定子永磁體均勻分布在相鄰的兩個(gè)定子齒之間，定子繞組嵌入定子槽內(nèi)；
電機(jī)長(zhǎng)次級(jí)包括動(dòng)子軛，動(dòng)子永磁體；動(dòng)子永磁體沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在動(dòng)子軛上。優(yōu)選的，該電機(jī)只有一層氣隙，分布在定子鐵芯與動(dòng)子軛之間。優(yōu)選的，定子永磁體材料和動(dòng)子永磁體材料均為稀土釹鐵硼，每塊永磁體均采用徑向充磁，定子永磁體和動(dòng)子永磁體在氣隙兩側(cè)的極性相反。優(yōu)選的，定子齒與定子槽組合用于進(jìn)行磁場(chǎng)調(diào)制，且滿足長(zhǎng)度均為L(zhǎng)的短初級(jí)定子齒個(gè)數(shù) 等于長(zhǎng)次級(jí)動(dòng)子永磁體極對(duì)數(shù) 與短初級(jí)電樞繞組極對(duì)數(shù) 之和。優(yōu)選的，定子繞組是由三相電樞繞組組成，每相由若干個(gè)集中繞組線圈組成。優(yōu)選的，定子鐵芯和動(dòng)子軛的材料均為硅鋼片。有益效果(1)省去了機(jī)械增速齒輪箱，基于磁場(chǎng)調(diào)制的游標(biāo)式結(jié)構(gòu)提高了裝置可靠性，特別適用于低速高推力密度的工況，減小了電機(jī)的體積、重量和制造成本。(2)電機(jī)中有更多的磁力線通過氣隙，實(shí)現(xiàn)大幅度提高氣隙磁密，因此氣隙磁密的有效諧波成份值比普通磁場(chǎng)調(diào)制式永磁直線電機(jī)高，從而提高了電機(jī)的推力密度、快速響應(yīng)。(3)動(dòng)子永磁體之間通過鐵心隔離，阻斷了各永磁體中渦流電流的相互流動(dòng)，降低了轉(zhuǎn)子永磁體中的渦流損耗。(4)電機(jī)為緊湊型單氣隙結(jié)構(gòu)，有效減小磁阻阻抗，加工工藝簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性及可靠性得到提高。(5)單氣隙兩側(cè)的永磁體設(shè)計(jì)，使電機(jī)漏磁減少，從而減少了損耗。(6)動(dòng)子永磁體采用高磁能積釹鐵硼勵(lì)磁，替代電勵(lì)磁，不存在電刷和滑環(huán)裝置， 具有體積小、重量輕、功率密度高、損耗小以及電氣控制更為簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。(7)動(dòng)子永磁體采用表面插入式結(jié)構(gòu)，能使直線電機(jī)運(yùn)行速度范圍廣，實(shí)行弱磁控制，獲得良好的運(yùn)行性能。(8)無接觸的變速結(jié)構(gòu)，可有效抑制推力波動(dòng)。(9)合理設(shè)計(jì)相同長(zhǎng)度L短初級(jí)定子永磁體與長(zhǎng)次級(jí)轉(zhuǎn)子永磁的極對(duì)數(shù)便可實(shí)現(xiàn)裝置推力脈動(dòng)小，控制精度高等特點(diǎn)。
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。其中有定子鐵芯1、定子繞組2、定子齒3、定子永磁體4、氣隙5、動(dòng)子永磁體6、動(dòng)子軛7、定子槽8。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。本發(fā)明提供的低速高推力密度游標(biāo)式直線電機(jī)，單氣隙兩側(cè)的游標(biāo)式結(jié)構(gòu)具有磁齒輪的傳動(dòng)性能，通過電機(jī)中初級(jí)定子齒的磁場(chǎng)調(diào)制作用，既繼承磁齒輪無接觸變速傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)又省去磁齒輪復(fù)合電機(jī)中的調(diào)磁環(huán)固定部件，解決傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)低速時(shí)效率和功率因數(shù)相對(duì)較低的問題，實(shí)現(xiàn)低速時(shí)具有高推力密度的運(yùn)行性能，同時(shí)單氣隙的緊湊型設(shè)計(jì)，有效提高氣隙磁密。該裝置包括電機(jī)動(dòng)子軛7、動(dòng)子永磁體6、定子鐵芯1、定子永磁體4、定子繞組2。定子鐵芯1采用開口槽定子結(jié)構(gòu)，定子永磁體4沿水平方向均勻嵌放在兩個(gè)定子齒3之間；動(dòng)子永磁體6沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在動(dòng)子軛7上。定子齒3與定子槽8組合替代磁齒輪中的調(diào)磁環(huán)部件進(jìn)行磁場(chǎng)調(diào)制，滿足長(zhǎng)度均為L(zhǎng)的定子
齒個(gè)數(shù)％等于動(dòng)子永磁體極對(duì)數(shù) 與電樞繞組極對(duì)數(shù) 之和，合理選擇速度變比參數(shù)L
{k= n7inf )，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的傳遞推力和功率，可應(yīng)用于低速大推力的直驅(qū)場(chǎng)合。本發(fā)明
通過合理設(shè)計(jì)定子齒代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁齒輪中的調(diào)磁環(huán)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化加工工藝，提高裝置的可靠性， 減小系統(tǒng)制造成本。本發(fā)明公開一種新型低速高推力密度游標(biāo)式直線電機(jī)，充分利用磁場(chǎng)調(diào)制原理，通過電機(jī)中定子齒的磁場(chǎng)調(diào)磁作用，實(shí)現(xiàn)無接觸變速傳動(dòng)，解決了傳統(tǒng)電機(jī)低速運(yùn)行推力波動(dòng)大、電氣控制復(fù)雜的缺點(diǎn)，也省去了磁齒輪復(fù)合電機(jī)中獨(dú)立的調(diào)磁環(huán)，同時(shí)單氣隙的設(shè)計(jì)，使電機(jī)整體結(jié)構(gòu)更緊湊，減小電機(jī)的體積。同時(shí)定子上增加了永磁體，提高了氣隙磁密， 減少了漏磁，降低鐵芯損耗，并且具有良好的抗過載能力，提高了輸出推力。該裝置包括電機(jī)動(dòng)子軛7、動(dòng)子永磁體6、定子鐵芯1、定子齒3、定子永磁體4、定子繞組2。動(dòng)子永磁體6 沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在動(dòng)子軛7上，定子鐵芯1采用開口槽定子結(jié)構(gòu)，定子齒 3與定子槽8組合替代磁齒輪中的調(diào)磁環(huán)部件進(jìn)行磁場(chǎng)調(diào)制。該電機(jī)動(dòng)子和定子上都有永磁體，利用有限元可以優(yōu)化調(diào)整永磁體寬度和厚度， 與傳統(tǒng)的雙氣隙磁齒輪復(fù)合電機(jī)相比，它能提供更大的有效磁場(chǎng)諧波成份和輸出推力密度。本發(fā)明是一種磁場(chǎng)調(diào)制式的新型低速高推力密度游標(biāo)式直線電機(jī)，在電機(jī)定子鐵芯1上開有齒槽，在齒槽里安裝定子繞組2，通過時(shí)產(chǎn)生永磁同步直線電機(jī)所需的行波磁場(chǎng)；定子永磁體4均勻地嵌放在定子兩個(gè)齒3之間，提高單氣隙磁密；在電機(jī)次級(jí)動(dòng)子軛7 上，間隔地且等距離地嵌放著徑向充磁的釹鐵硼動(dòng)子永磁體6，以形成勵(lì)磁磁場(chǎng)。所述的定子鐵芯1、動(dòng)子軛7由硅鋼片制成。所述的電機(jī)定子齒槽替代由導(dǎo)磁塊和非導(dǎo)磁材料組成的固定調(diào)磁環(huán)部件，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)調(diào)制。所述的初級(jí)定子繞組2采用分?jǐn)?shù)集中繞組，導(dǎo)線用量減小，端部發(fā)熱少，更高的槽滿率，有利于提高電機(jī)的推力密度。所述的定子永磁體4材料和動(dòng)子永磁體6材料均為稀土釹鐵硼，每塊永磁體均采用徑向充磁，定子永磁體4和動(dòng)子永磁體6在氣隙兩側(cè)的極性相反。所述的新型低速高推力密度游標(biāo)式直線電機(jī)包括單邊平板式、雙邊平板式和圓筒式子等多種直線電機(jī)形式。本發(fā)明的基本原理為磁齒輪調(diào)磁環(huán)的空間磁場(chǎng)調(diào)制原理，利用空間諧波傳遞能量，滿足相同長(zhǎng)度為L(zhǎng)的短初級(jí)定子齒個(gè)數(shù)乂為長(zhǎng)次級(jí)動(dòng)子永磁體極對(duì)數(shù) 與短初級(jí)電樞
繞組極對(duì)數(shù) 之和的關(guān)系，ηγ與 的比值即為該游標(biāo)式直線電機(jī)的無接觸傳動(dòng)速比，合理選擇速比，可應(yīng)用于不同低速時(shí)實(shí)現(xiàn)高推力密度直線運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。當(dāng)定子電樞繞組通以一定頻率的交流電時(shí)，電樞繞組電流產(chǎn)生的行波磁場(chǎng)同步速度為叫，經(jīng)定子齒的磁場(chǎng)調(diào)制作用，在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制行波磁場(chǎng)，其同步角速度為- ,該磁場(chǎng)與動(dòng)子上的永磁體相互作用，帶動(dòng)動(dòng)子同步運(yùn)動(dòng)，負(fù)號(hào)表示調(diào)制波磁場(chǎng)與電樞繞組磁場(chǎng)的行波方向相反。通過改變通入繞組電流的頻率從而實(shí)現(xiàn)不同的同步速度 !, 進(jìn)而得到不同的外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度- 實(shí)現(xiàn)調(diào)速驅(qū)動(dòng)。、力速度變比，數(shù)值上等于i (k = nrin￥ )。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種低速高推力密度直線電機(jī)，其特征在于該電機(jī)包括電機(jī)短初級(jí)、與電機(jī)短初級(jí)相對(duì)設(shè)置且隔一條氣隙(5)的電機(jī)長(zhǎng)次級(jí)；電機(jī)短初級(jí)包括定子鐵芯(1)、均勻分布在定子鐵芯(1)外周的定子齒(3)、定子繞組 O)、定子永磁體；定子鐵芯(1)采用開口槽定子結(jié)構(gòu)，即定子鐵芯(1)上開設(shè)有定子槽 (8)，定子永磁體(4)均勻分布在相鄰的兩個(gè)定子齒C3)之間，定子繞組( 嵌入定子槽(8) 內(nèi)；電機(jī)長(zhǎng)次級(jí)包括動(dòng)子軛(7)，動(dòng)子永磁體(6)；動(dòng)子永磁體(6)沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在動(dòng)子軛(7)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低速高推力密度直線電機(jī)，其特征在于該電機(jī)只有一層氣隙(5)，分布在定子鐵芯(1)與動(dòng)子軛(7)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低速高推力密度直線電機(jī)，其特征在于定子永磁體(4)材料和動(dòng)子永磁體(6)材料均為稀土釹鐵硼，每塊永磁體均采用徑向充磁，定子永磁體(4)和動(dòng)子永磁體(6)在氣隙兩側(cè)的極性相反。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低速高推力密度直線電機(jī)，其特征在于定子齒(3) 與定子槽(8)組合用于進(jìn)行磁場(chǎng)調(diào)制，且滿足長(zhǎng)度均為L(zhǎng)的短初級(jí)定子齒個(gè)數(shù)^等于長(zhǎng)次級(jí)動(dòng)子永磁體極對(duì)數(shù) 與短初級(jí)電樞繞組極對(duì)數(shù) 之和。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低速高推力密度直線電機(jī)，其特征在于定子繞組(2)是由三相電樞繞組組成，每相由若干個(gè)集中繞組線圈組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低速高推力密度直線電機(jī)，其特征在于定子鐵芯(1)和動(dòng)子軛(7)的材料均為硅鋼片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低速高推力密度直線電機(jī)，該裝置包括電機(jī)短初級(jí)、與電機(jī)短初級(jí)相對(duì)設(shè)置且隔一條氣隙(5)的電機(jī)長(zhǎng)次級(jí)；電機(jī)短初級(jí)包括定子鐵芯(1)、均勻分布在定子鐵芯(1)外周的定子齒(3)、定子繞組(2)、定子永磁體(4)；定子鐵芯(1)采用開口槽定子結(jié)構(gòu)，即定子鐵芯(1)上開設(shè)有定子槽(8)，定子永磁體(4)均勻分布在相鄰的兩個(gè)定子齒(3)之間，定子繞組(2)嵌入定子槽(8)內(nèi)；電機(jī)長(zhǎng)次級(jí)包括動(dòng)子軛(7)，動(dòng)子永磁體(6)；動(dòng)子永磁體(6)沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在動(dòng)子軛(7)上。本發(fā)明采用定子齒代替磁齒輪中的調(diào)磁環(huán)，簡(jiǎn)化加工工藝，提高裝置的可靠性，減小系統(tǒng)制造成本。
文檔編號(hào)H02K41/03GK102412700SQ20111044311
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者於鋒, 樊英, 程明, 鄒國(guó)棠 申請(qǐng)人:東南大學(xué)