[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

说明书

本发明公开了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。包括初级模块和次级模块，次级模块保持固定，初级模块相对次级模块沿运动方向可运动，初级模块在两个次级模块之间并有气隙；初级铁芯中部为轭部，轭部两侧设有半闭口槽，电枢绕组绕制在半闭口槽的轭部上；初级铁芯两侧齿部外端面均布置永磁阵列；两个次级模块在朝向初级模块表面开设齿槽，齿槽沿运动方向间隔布置。本发明在相同永磁体用量下可产生较高幅值的两倍极对数的谐波磁动势，均衡利用基波磁动势和二次谐波磁动势，有效提高电机的推力密度，大幅降低空载定位力及负载推力波动，有效消除初级所受法向力，降低电机安装难度，且提高电机槽满率。

技术领域

本发明属于直线电机技术领域的一种电机结构及其优化设置方法，具体涉及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。

背景技术

永磁直线电机兼具永磁电机和直线电机的优势，能够直接将电能转换成直线运动的机械能而不需要中间机械传动部分。因此，永磁直线电机具有高推力密度、高速度、高精度、高效率等显著优点，在高档数控机床、半导体加工、垂直升降输送系统、高速物流系统等领域已得到广泛应用。

传统永磁直线电机的工作原理如下所述：当电枢绕组通入交流电时，会在气隙中产生电枢磁场。与此同时，永磁磁极在气隙中产生励磁磁场。上述电枢磁场与永磁励磁磁场共同构成气隙磁场。电机起动时拖动磁极或电枢，电枢行波磁场和永磁励磁磁场相对静止，从而电枢绕组中的电流在所述气隙磁场的作用下产生电磁推力。如果电枢固定，则磁极在推力作用下牵入同步做直线运动；反之，则电枢牵入同步做直线运动。

在高速物流系统领域，由于电机运动的行程较长(通常几十米至几百米)，传统永磁直线电机推广应用的一大制约在于成本，因为无论采用长电枢还是长磁极结构，整体成本都很高。为了降低成本，现有的办法是将永磁体和电枢均集中在电枢一侧作为短动子，而次级仅由叠片铁芯构成并作为长定子，即初级励磁型永磁直线电机。

初级励磁型永磁直线电机主要有以下两种类型：

1、开关磁链型永磁直线电机

如中国专利CN101355289B、CN108155775B所提出的开关磁链型永磁直线电机，该拓扑结构把永磁体夹在电枢铁芯齿的中间位置，其永磁体用量较小且电枢长度较短，在长行程应用场合可以大大降低成本，但也带来新的问题：(1)电枢铁芯由多个分立部件构成，加工及安装困难；(2)槽面积与永磁体互相制约，推力密度受到了限制；(3)永磁体被电枢绕组包围，散热条件较差。

2、磁通反向型永磁直线电机

如中国专利CN101552535B所提出的磁通反向型永磁直线电机，该拓扑结构把永磁体放置在电枢铁芯齿靠近气隙的表面，其永磁体用量较小且电枢长度较短，在长行程应用场合可以大大降低成本，但也带来新的问题：由于磁路串联，电枢磁路需经过永磁体，使得电枢磁路的等效气隙变大，推力密度受到限制。

上述两种类型的初级励磁型永磁直线电机均为对称励磁结构，即两种极性的永磁体所产生的励磁磁场相互对称，因而经过快速傅里叶变换后，只存在基波及奇数次的谐波磁动势分量，而不存在偶数次的谐波磁动势分量。对于初级励磁型永磁直线电机这一类依靠有效谐波磁场产生推力的电机而言，仅依靠基波及奇数次的谐波磁动势限制了电机推力密度的进一步提升。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提出了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，通过构造永磁体的非对称励磁结构，在相同永磁体用量下可以产生较高幅值的两倍极对数的谐波磁动势。在此基础上，通过合理选择次级极数，可均衡利用基波磁动势和两次谐波磁动势，有效提高电机的推力密度。

本发明的技术方案如下：

一、一种非对称多谐波励磁的永磁直线电机