[发明专利]一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机及其优化设置方法

权利要求书

1.一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，包括初级模块(1)和两个次级模块(2)，其特征在于：次级模块(2)保持固定，初级模块(1)相对于次级模块(2)沿运动方向可运动，初级模块(1)安装在两个次级模块(2)之间并设有沿运动方向的气隙；

所述初级模块(1)包括初级铁芯(11)、永磁阵列(12)和电枢绕组(13)；初级铁芯(11)布置在两个次级模块(2)之间，初级铁芯(11)中部为轭部，轭部的两侧均开设有多个半闭口槽，多个半闭口槽沿运动方向间隔布置，电枢绕组(13)绕制在半闭口槽处的轭部上；初级铁芯(11)两侧齿部的外端面均紧贴布置有永磁阵列(12)；

两个所述次级模块(2)各自在朝向初级模块(1)的一侧表面开设齿槽，齿槽沿运动方向间隔布置；

所述的永磁阵列(12)由多个永磁单元(121)组成，每个永磁单元(121)贴于初级铁芯(11)的齿的外端面，多个永磁单元(121)沿运动方向并排依次布置，每个永磁单元沿运动方向单方向由永磁体A和永磁体B并排依次紧贴构成，永磁体A和永磁体B沿运动方向的宽度不同且极性相反；永磁体A固定布置在初级铁芯(11)的一个齿外端面的中间，永磁体B固定布置在初级铁芯(11)的相邻两个齿外端面的之间。

2.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述的初级铁芯(11)轭部的两侧为齿部，两侧的齿部关于轭部对称布置，每侧齿部中相邻两齿之间形成半闭口槽。

3.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述的初级铁芯(11)主要由多个十字形初级铁芯模块(111)沿运动方向依次相扣连接而成，十字形初级铁芯模块(111)主要由两个条形部交叉构成十字，其中一个条形部作为轭部，相邻十字形初级铁芯模块(111)的轭部两端之间通过卯榫结构连接扣接，且在扣接处的轭部外绕制电枢绕组(13)；另一个条形部的两端作为齿。

4.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述的永磁体A和永磁体B均采用矩形结构，充磁方向为垂直于运动方向，其中永磁体A的几何中心线对准十字形初级铁芯模块(111)的齿的几何中心线，位于初级铁芯(11)两侧的永磁阵列(12)排布相同。

5.根据权利要求3所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述的十字形初级铁芯模块(111)由硅钢片沿垂直于运动方向且垂直于初级铁芯(11)的齿方向叠压而成。

6.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：所述次级模块(2)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垂直于初级铁芯(11)的齿方向，所述次级模块(2)的齿槽所在表面和所述初级铁芯(11)的齿所在表面之间存在气隙。

7.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：两侧次级模块(2)齿的中心线沿着运动方向错开二分之一极距而形成不对称结构，极距是指次级模块(2)相邻齿之间的周期间距。

8.根据权利要求1所述的一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机，其特征在于：位于初级铁芯(11)单侧的所述永磁单元(121)的数目与初级铁芯(11)单侧的齿数相同，且次级模块(2)的齿槽数按照以下方式设置：单个次级模块(2)的齿数设置为(kN_ph+2N_ph)±1，其中kN_ph表示初级铁芯(11)单侧的齿数，k表示槽数系数，N_ph为永磁直线电机的相数。

9.应用于权利要求1-8任一所述永磁直线电机的优化设置方法，其特征在于：方法包括以下步骤：

步骤1：根据永磁直线电机的相数预先设置槽数系数k，初级铁芯(11)单侧的齿数设置为kN_ph，单个次级模块(2)的齿数设置为(kN_ph+2N_ph)±1；N_ph为永磁直线电机的相数；

步骤2：在设置次级模块(2)不设有齿和齿槽情况下，建立次级模块无齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度解析模型，表示为：

其中，α为永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例，g为初级模块(1)和次级模块(2)之间的气隙长度，μ_r为永磁体的相对磁导率，B_r为永磁体的剩磁，h_m为永磁体在充磁方向上的长度，l_p为初级铁芯(11)中的相邻半闭口槽之间的周期槽距，B_slotless(x)表示次级无齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度，x表示初级模块沿运动方向移动的距离，i表示各次谐波倍数；

步骤3：计算极对数等于初级铁芯(11)单侧齿数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)单侧齿数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4：在设置次级模块(2)设有齿和齿槽情况下，建立次级模块导磁解析模型，表示为：

其中，τ为次级模块相邻两齿之间的距离，w_st为单个次级模块的齿宽，μ₀为真空磁导率，N_s为与初级模块相同长度范围内的次级模块的齿数，N_p为初级模块的单侧齿数槽数，V_s为初级模块相对于次级模块的运动速度，x_s0为初级模块相对于次级模块的初始位置；Λ_s(x,t)表示时间t下初级模块沿运动方向移动了距离x情况下的磁导函数，t表示时间；Λ_s0表示0阶磁导值，Λ_s1表示1阶磁导值，β表示变化系数；

步骤5：根据步骤3获得永磁体A的宽度占永磁单元总宽度的比例α代入次级模块无齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度解析模型中，再结合次级模块导磁解析模型代入以下次级模块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)表示次级有齿槽结构下非对称励磁磁极的气隙磁通密度；

步骤6：按照步骤5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，优化求解获得单个次级模块的齿宽作为最优值，进而完成对永磁直线电机的优化设置。