專利名稱：低速高推力密度直線電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型磁場調(diào)制式永磁直驅(qū)直線電機，可實現(xiàn)低速高推力密度，屬于直線電機技術。
背景技術：
永磁同步直線電機具有結構簡單、反應速度快、隨動性好、免維護等突出優(yōu)點，在高性能直線驅(qū)動系統(tǒng)獲得廣泛應用。然而，其也存在推力波動幅值大的明顯缺點，直接影響定位和軌跡跟蹤精度，帶來低速時的運動平穩(wěn)性問題。通常的調(diào)速措施只能獲得低速，并不增加轉矩，限制了永磁同步直線電機性能的提高和應用領域的擴大。傳統(tǒng)采用齒輪箱作為中間環(huán)節(jié)進行調(diào)速，以增加電機次級速度，而齒輪箱使整個傳動系統(tǒng)體積和重量增加，同時還有噪聲、磨損、響應慢等問題。磁場調(diào)制式永磁電機是一種最近提出的直驅(qū)式電機，它的核心部分是磁齒輪的應用，磁齒輪是一種新型的齒輪結構，它具有噪聲低、可靠性高、轉矩傳輸能力大、過載保護等優(yōu)點。然而，也存在結構復雜，需較高的工藝水平。因此，有必要提出一種新型磁場調(diào)制式永磁直線電機。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(fā)明針對傳統(tǒng)直線電機在低速時推力密度相對較低的問題，提出一種低速高推力密度直線電機，解決現(xiàn)有傳動裝置中的機械增速齒輪箱功率密度低、機械磨損和噪音等問題，同時對新型磁齒輪復合電機雙氣隙機構進行改進，省去由導磁塊和非導磁材料構成的調(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)容是圍繞直線電機具有低速高推力密度運行性能而進行設計的。技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種低速高推力密度直線電機，該裝置包括電機短初級、與電機短初級相對設置且隔一條氣隙的電機長次級；
電機短初級包括定子鐵芯、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構，即定子鐵芯上開設有定子槽，定子永磁體均勻分布在相鄰的兩個定子齒之間，定子繞組嵌入定子槽內(nèi)；
電機長次級包括動子軛，動子永磁體；動子永磁體沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在動子軛上。優(yōu)選的，該電機只有一層氣隙，分布在定子鐵芯與動子軛之間。優(yōu)選的，定子永磁體材料和動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，定子永磁體和動子永磁體在氣隙兩側的極性相反。優(yōu)選的，定子齒與定子槽組合用于進行磁場調(diào)制，且滿足長度均為L的短初級定子齒個數(shù) 等于長次級動子永磁體極對數(shù) 與短初級電樞繞組極對數(shù) 之和。優(yōu)選的，定子繞組是由三相電樞繞組組成，每相由若干個集中繞組線圈組成。優(yōu)選的，定子鐵芯和動子軛的材料均為硅鋼片。有益效果(1)省去了機械增速齒輪箱，基于磁場調(diào)制的游標式結構提高了裝置可靠性，特別適用于低速高推力密度的工況，減小了電機的體積、重量和制造成本。(2)電機中有更多的磁力線通過氣隙，實現(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調(diào)制式永磁直線電機高，從而提高了電機的推力密度、快速響應。(3)動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，降低了轉子永磁體中的渦流損耗。(4)電機為緊湊型單氣隙結構，有效減小磁阻阻抗，加工工藝簡單，穩(wěn)定性及可靠性得到提高。(5)單氣隙兩側的永磁體設計，使電機漏磁減少，從而減少了損耗。(6)動子永磁體采用高磁能積釹鐵硼勵磁，替代電勵磁，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單等優(yōu)點。(7)動子永磁體采用表面插入式結構，能使直線電機運行速度范圍廣，實行弱磁控制，獲得良好的運行性能。(8)無接觸的變速結構，可有效抑制推力波動。(9)合理設計相同長度L短初級定子永磁體與長次級轉子永磁的極對數(shù)便可實現(xiàn)裝置推力脈動小，控制精度高等特點。


圖1為本發(fā)明結構示意圖。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、動子永磁體6、動子軛7、定子槽8。
具體實施例方式
下面將參照附圖對本發(fā)明進行說明。本發(fā)明提供的低速高推力密度游標式直線電機，單氣隙兩側的游標式結構具有磁齒輪的傳動性能，通過電機中初級定子齒的磁場調(diào)制作用，既繼承磁齒輪無接觸變速傳動的優(yōu)點又省去磁齒輪復合電機中的調(diào)磁環(huán)固定部件，解決傳統(tǒng)永磁直線電機低速時效率和功率因數(shù)相對較低的問題，實現(xiàn)低速時具有高推力密度的運行性能，同時單氣隙的緊湊型設計，有效提高氣隙磁密。該裝置包括電機動子軛7、動子永磁體6、定子鐵芯1、定子永磁體4、定子繞組2。定子鐵芯1采用開口槽定子結構，定子永磁體4沿水平方向均勻嵌放在兩個定子齒3之間；動子永磁體6沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在動子軛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)部件進行磁場調(diào)制，滿足長度均為L的定子
齒個數(shù)％等于動子永磁體極對數(shù) 與電樞繞組極對數(shù) 之和，合理選擇速度變比參數(shù)L
{k= n7inf )，實現(xiàn)穩(wěn)定高效的傳遞推力和功率，可應用于低速大推力的直驅(qū)場合。本發(fā)明
通過合理設計定子齒代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁齒輪中的調(diào)磁環(huán)結構，簡化加工工藝，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式直線電機，充分利用磁場調(diào)制原理，通過電機中定子齒的磁場調(diào)磁作用，實現(xiàn)無接觸變速傳動，解決了傳統(tǒng)電機低速運行推力波動大、電氣控制復雜的缺點，也省去了磁齒輪復合電機中獨立的調(diào)磁環(huán)，同時單氣隙的設計，使電機整體結構更緊湊，減小電機的體積。同時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。該裝置包括電機動子軛7、動子永磁體6、定子鐵芯1、定子齒3、定子永磁體4、定子繞組2。動子永磁體6 沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在動子軛7上，定子鐵芯1采用開口槽定子結構，定子齒 3與定子槽8組合替代磁齒輪中的調(diào)磁環(huán)部件進行磁場調(diào)制。該電機動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)的雙氣隙磁齒輪復合電機相比，它能提供更大的有效磁場諧波成份和輸出推力密度。本發(fā)明是一種磁場調(diào)制式的新型低速高推力密度游標式直線電機，在電機定子鐵芯1上開有齒槽，在齒槽里安裝定子繞組2，通過時產(chǎn)生永磁同步直線電機所需的行波磁場；定子永磁體4均勻地嵌放在定子兩個齒3之間，提高單氣隙磁密；在電機次級動子軛7 上，間隔地且等距離地嵌放著徑向充磁的釹鐵硼動子永磁體6，以形成勵磁磁場。所述的定子鐵芯1、動子軛7由硅鋼片制成。所述的電機定子齒槽替代由導磁塊和非導磁材料組成的固定調(diào)磁環(huán)部件，實現(xiàn)磁場調(diào)制。所述的初級定子繞組2采用分數(shù)集中繞組，導線用量減小，端部發(fā)熱少，更高的槽滿率，有利于提高電機的推力密度。所述的定子永磁體4材料和動子永磁體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和動子永磁體6在氣隙兩側的極性相反。所述的新型低速高推力密度游標式直線電機包括單邊平板式、雙邊平板式和圓筒式子等多種直線電機形式。本發(fā)明的基本原理為磁齒輪調(diào)磁環(huán)的空間磁場調(diào)制原理，利用空間諧波傳遞能量，滿足相同長度為L的短初級定子齒個數(shù)乂為長次級動子永磁體極對數(shù) 與短初級電樞
繞組極對數(shù) 之和的關系，ηγ與 的比值即為該游標式直線電機的無接觸傳動速比，合理選擇速比，可應用于不同低速時實現(xiàn)高推力密度直線運動的場合。當定子電樞繞組通以一定頻率的交流電時，電樞繞組電流產(chǎn)生的行波磁場同步速度為叫，經(jīng)定子齒的磁場調(diào)制作用，在氣隙中產(chǎn)生一個調(diào)制行波磁場，其同步角速度為- ,該磁場與動子上的永磁體相互作用，帶動動子同步運動，負號表示調(diào)制波磁場與電樞繞組磁場的行波方向相反。通過改變通入繞組電流的頻率從而實現(xiàn)不同的同步速度 !, 進而得到不同的外轉子旋轉速度- 實現(xiàn)調(diào)速驅(qū)動。、力速度變比，數(shù)值上等于i (k = nrin￥ )。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種低速高推力密度直線電機，其特征在于該電機包括電機短初級、與電機短初級相對設置且隔一條氣隙(5)的電機長次級；電機短初級包括定子鐵芯(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)采用開口槽定子結構，即定子鐵芯(1)上開設有定子槽 (8)，定子永磁體(4)均勻分布在相鄰的兩個定子齒C3)之間，定子繞組( 嵌入定子槽(8) 內(nèi)；電機長次級包括動子軛(7)，動子永磁體(6)；動子永磁體(6)沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在動子軛(7)上。
2.根據(jù)權利要求1所述的低速高推力密度直線電機，其特征在于該電機只有一層氣隙(5)，分布在定子鐵芯(1)與動子軛(7)之間。
3.根據(jù)權利要求1所述的低速高推力密度直線電機，其特征在于定子永磁體(4)材料和動子永磁體(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)和動子永磁體(6)在氣隙兩側的極性相反。
4.根據(jù)權利要求1所述的低速高推力密度直線電機，其特征在于定子齒(3) 與定子槽(8)組合用于進行磁場調(diào)制，且滿足長度均為L的短初級定子齒個數(shù)^等于長次級動子永磁體極對數(shù) 與短初級電樞繞組極對數(shù) 之和。
5.根據(jù)權利要求1所述的低速高推力密度直線電機，其特征在于定子繞組(2)是由三相電樞繞組組成，每相由若干個集中繞組線圈組成。
6.根據(jù)權利要求1所述的低速高推力密度直線電機，其特征在于定子鐵芯(1)和動子軛(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，該裝置包括電機短初級、與電機短初級相對設置且隔一條氣隙(5)的電機長次級；電機短初級包括定子鐵芯(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)采用開口槽定子結構，即定子鐵芯(1)上開設有定子槽(8)，定子永磁體(4)均勻分布在相鄰的兩個定子齒(3)之間，定子繞組(2)嵌入定子槽(8)內(nèi)；電機長次級包括動子軛(7)，動子永磁體(6)；動子永磁體(6)沿水平方向間隔地且等距離地嵌放在動子軛(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H02K41/03GK102412700SQ20111044311
公開日2012年4月11日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權日2011年12月27日
發(fā)明者於鋒, 樊英, 程明, 鄒國棠 申請人:東南大學