本發(fā)明屬于永磁直線電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種永磁直線同步電機(jī)非均勻混合永磁體勵(lì)磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體涉及一種永磁直線同步電機(jī)釹鐵硼永磁體和鐵氧體永磁體非均勻分塊混合的勵(lì)磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，由于現(xiàn)代精密制造業(yè)、微電子制造業(yè)等行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床提出了“高加速度、高速、高精度”的多重要求。采用永磁同步直線電機(jī)(pmlsm)來(lái)直接驅(qū)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床高加速度、高速、高精度的必要途徑之一。永磁同步直線電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，取消了傳統(tǒng)的從旋轉(zhuǎn)電機(jī)到工作臺(tái)之間的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，進(jìn)給系統(tǒng)可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，具有高加速度、高速、高精度的特性。

然而，現(xiàn)有的永磁同步直線電機(jī)還存在如下問(wèn)題：

1、其固有的推力波動(dòng)削弱方法，在降低推力波動(dòng)的同時(shí)，也減低了電機(jī)的功率密度，影響電機(jī)系統(tǒng)的性能，削弱了其在工程應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

2、與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，永磁同步直線電機(jī)更容易產(chǎn)生熱量，電機(jī)的氣隙間隙較小，初級(jí)繞組所產(chǎn)生的熱量易傳導(dǎo)到永磁體上，使得永磁體工作溫度比較高。長(zhǎng)期運(yùn)行甚至可能造成電機(jī)絕緣的破壞、電機(jī)最大額定推力減小、過(guò)載能力小等問(wèn)題。

3、永磁體一般采用整塊釹鐵硼永磁體材料，在過(guò)高溫度時(shí)，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械震動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機(jī)性能降低，甚至無(wú)法使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何減小推力波動(dòng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，改善氣隙磁密正弦特性和抗去磁能力，提高電機(jī)的效率和響應(yīng)速度。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種永磁直線同步電機(jī)非均勻混合永磁體勵(lì)磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括次級(jí)磁軛，次級(jí)磁軛上設(shè)有永磁體，一個(gè)極距內(nèi)永磁體以n極、s極交替排列；其特征在于：每極下永磁體采用非均勻分塊結(jié)構(gòu)，包括設(shè)于中間的至少一塊徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體和設(shè)于兩端的徑向充磁鐵氧體永磁體，相鄰徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體之間通過(guò)隔磁塊隔開(kāi)。

優(yōu)選地，每極下各塊永磁體的寬度由中間向兩端依次遞減。

更優(yōu)選地，每極下各塊永磁體的寬度由中間向兩端按等比數(shù)列依次遞減。

優(yōu)選地，所述徑向充磁鐵氧體永磁體的厚度hm的取值范圍為0.5hm＜hm＜1.2hm，hm為徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體的厚度。

優(yōu)選地，對(duì)于單邊永磁直線同步電機(jī)，僅包括一層初級(jí)定子，所述次級(jí)磁軛上只有對(duì)應(yīng)所述初級(jí)定子的一側(cè)設(shè)有永磁體。

優(yōu)選地，對(duì)于雙邊永磁直線同步電機(jī)，包括內(nèi)外兩層初級(jí)定子，所述次級(jí)磁軛上內(nèi)外兩側(cè)均設(shè)有永磁體。

優(yōu)選地，所述永磁體與對(duì)應(yīng)側(cè)的電機(jī)初級(jí)定子之間設(shè)有氣隙。

優(yōu)選地，所述永磁體與用于實(shí)現(xiàn)軸向往返運(yùn)動(dòng)的外部驅(qū)動(dòng)設(shè)備相連。

優(yōu)選地，所述永磁體的磁場(chǎng)通過(guò)電機(jī)的初級(jí)定子鐵心形成回路，同時(shí)與電機(jī)的初級(jí)繞組交鏈，氣隙磁場(chǎng)沿軸向呈正弦分布；永磁體通過(guò)采用非均勻分塊結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)氣隙磁密。

由于徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體和徑向充磁鐵氧體永磁體有不同的去磁曲線，在高溫情況下，釹鐵硼永磁材料退磁曲線的下半部分會(huì)發(fā)生彎曲，當(dāng)負(fù)載工作點(diǎn)下降到退磁拐點(diǎn)以下，會(huì)發(fā)生不可逆去磁現(xiàn)象，而鐵氧體永磁體矯頑力較大，耐高溫，抗去磁能力較強(qiáng)，將電機(jī)運(yùn)行中釹鐵硼永磁體最容易發(fā)生去磁現(xiàn)象的端部單元位置換成鐵氧體永磁體，不但可降低由于溫升引起的不可逆去磁的風(fēng)險(xiǎn)，提高電機(jī)的運(yùn)行范圍，而且由于鐵氧體永磁體的矯頑力低于稀土釹鐵硼永磁體，鐵氧體永磁體的軸向?qū)挾燃庸ぞ纫筝^低，方便了機(jī)械加工，鐵氧體永磁體的成本遠(yuǎn)低于稀土釹鐵硼永磁體，因此該拓?fù)湟步档土擞来朋w成本。

本發(fā)明采用非均勻分塊式混合永磁體勵(lì)磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在分塊基礎(chǔ)上將端部小塊釹鐵硼永磁體更換為低磁能積的鐵氧體永磁體結(jié)構(gòu)。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、采用非均勻分塊式混合永磁體結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)各分塊的永磁體的尺寸調(diào)節(jié)氣隙磁密，改善了氣隙磁密正弦性，進(jìn)而減小了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)諧波含量與電磁推力的波動(dòng)；

2、由釹鐵硼材料和鐵氧體材料的不同工作點(diǎn)，可以模擬永磁體的不可逆去磁，改善了電機(jī)的抗去磁能力；同時(shí)，由于鐵氧體永磁體的矯頑力低于稀土釹鐵硼永磁體，鐵氧體永磁體的軸向?qū)挾燃庸ぞ纫筝^低，方便了機(jī)械加工，鐵氧體永磁體的成本遠(yuǎn)低于稀土釹鐵硼永磁體，因此該拓?fù)湟步档土擞来朋w成本；

3、提高了永磁體使用率，既可用于發(fā)電機(jī)，也可用于電動(dòng)機(jī)，既可用于圓筒型電機(jī)，也可用于平板型電機(jī)，有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1提供的雙邊圓筒型永磁直線同步電機(jī)非均勻混合永磁體勵(lì)磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)截面圖；

圖2為實(shí)施例2提供的單邊圓筒型永磁直線同步電機(jī)非均勻混合永磁體勵(lì)磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)截面圖；

其中：1-內(nèi)層初級(jí)鐵心，2-內(nèi)層電樞繞組，3-次級(jí)磁軛，4-外層電樞繞組，5-外層初級(jí)鐵心，6-隔磁塊；7-1-徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體，7-2一徑向充磁鐵氧體永磁體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。

實(shí)施例1

電機(jī)主要包括初級(jí)、次級(jí)和氣隙。

如圖1所示，雙邊圓筒型永磁直線同步電機(jī)的初級(jí)分為內(nèi)、外雙層結(jié)構(gòu)，由內(nèi)部定子和外部定子組成。

外部定子包括外層初級(jí)鐵心5和外層電樞繞組4。外層初級(jí)鐵心5位于電機(jī)的最外側(cè)，為管式結(jié)構(gòu)，外層電樞繞組4緊緊固定在外層初級(jí)鐵心5內(nèi)側(cè)。

內(nèi)部定子包括內(nèi)層初級(jí)鐵心1和內(nèi)層電樞繞組2。內(nèi)層初級(jí)鐵心1位于電機(jī)的最內(nèi)側(cè)，亦為管式結(jié)構(gòu)，內(nèi)層電樞繞組2緊緊固定在內(nèi)層初級(jí)鐵心1外側(cè)。

內(nèi)層電樞繞組2和外層電樞繞組4串聯(lián)，內(nèi)、外層初級(jí)鐵心均由硅鋼片組成。

電機(jī)次級(jí)主要包括次級(jí)磁軛3、永磁體、隔磁塊6。

永磁體為雙層結(jié)構(gòu)，由內(nèi)側(cè)永磁體和外側(cè)永磁體組成，內(nèi)、外側(cè)永磁體對(duì)稱放置在次級(jí)磁軛3上的內(nèi)、外側(cè)。內(nèi)層電樞繞組2和內(nèi)側(cè)永磁體之間有5mm左右的氣隙，外層電樞繞組4和外側(cè)永磁體之間有5mm左右的氣隙。

一個(gè)極距內(nèi)永磁體以n極、s極交替排列，永磁體磁化方向?yàn)閺较蚍较?。每極下內(nèi)、外側(cè)永磁體均采用非均勻分塊結(jié)構(gòu)，包括設(shè)于中間的多塊徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體7-1和設(shè)于左右兩端的徑向充磁鐵氧體永磁體7-2，相鄰徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體7-1之間采用不同寬度的隔磁塊6隔開(kāi)。

每極下各塊永磁體的寬度由中間向兩端按等比數(shù)列依次遞減。設(shè)最中間的一塊徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體7-1的寬度為a0，向兩端徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體7-1寬度分別為，徑向充磁鐵氧體永磁體7-2寬度為an+1，n為正整數(shù)，圓筒型永磁直線電機(jī)的極距為τp，則a0＝0.389τp+0.3683，ai＝a0*qⁱ，i＝1、2、3、……n+1，q為等比數(shù)列遞減公比，0＜q＜1。

設(shè)由中間向兩端隔磁塊6的寬度分別為ts1、ts2、……、tsn，ts1＝0.00457τp+0.07697，tsn/ts1＝2.82*n²+8.4*n-2.8(n＞1)。

徑向充磁鐵氧體永磁體7-2的厚度hm可改變，取值范圍為0.5hm＜hm＜1.2hm，hm為徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體7-1的厚度。

磁場(chǎng)通過(guò)內(nèi)層初級(jí)鐵心1、外層初級(jí)鐵心5形成回路，同時(shí)與內(nèi)外雙層初級(jí)繞組交鏈，氣隙磁場(chǎng)沿軸向呈正弦分布。圓環(huán)形永磁體放置于內(nèi)外雙層初級(jí)繞組(內(nèi)層電樞繞組2、外層電樞繞組4)之間，并與初級(jí)繞組間設(shè)有雙層氣隙。永磁體與外部驅(qū)動(dòng)設(shè)備相連，可實(shí)現(xiàn)沿軸向的往返運(yùn)動(dòng)。

外部驅(qū)動(dòng)設(shè)備可以為活塞或海浪等直線運(yùn)動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)雙邊圓筒型永磁直線同步電機(jī)次級(jí)被往復(fù)驅(qū)動(dòng)時(shí)，初級(jí)雙層電樞繞組將同時(shí)切割磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)電機(jī)尺寸已定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與次級(jí)的運(yùn)動(dòng)頻率成正比，次級(jí)運(yùn)動(dòng)頻率越高，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，當(dāng)繞組外接電路閉合時(shí)，雙邊圓筒型永磁直線同步電機(jī)可對(duì)外供電。

由于采用非均勻分塊結(jié)構(gòu)的永磁體，可以通過(guò)調(diào)節(jié)各分塊的永磁體的尺寸調(diào)節(jié)氣隙磁密，改善氣隙磁密正弦性，進(jìn)而減小感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)諧波含量與電磁推力的波動(dòng)。氣隙高次諧波含量比值thd的計(jì)算公式如下：

其中，bj為j次諧波的有效值，j＝1，3，5....m，m為奇數(shù)。

傳統(tǒng)的整塊釹鐵硼材料永磁直線電機(jī)的thd含量為25.23％左右，而本實(shí)施例電機(jī)每極下永磁體采用三塊徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體和兩塊徑向充磁鐵氧體永磁體時(shí)，可以將thd最優(yōu)值減低到19％以下，進(jìn)而減少了高次諧波含量，改善了氣隙正弦特性。而且鐵氧體與釹鐵硼材料有不同的去磁曲線，在高溫情況下，釹鐵硼永磁材料退磁曲線的下半部分會(huì)發(fā)生彎曲，當(dāng)負(fù)載工作點(diǎn)下降到退磁拐點(diǎn)以下，會(huì)發(fā)生不可逆去磁現(xiàn)象，而鐵氧體永磁體矯頑力較大，耐高溫，抗去磁能力較強(qiáng)，將電機(jī)運(yùn)行中釹鐵硼永磁體最容易發(fā)生去磁現(xiàn)象的端部單元位置換成鐵氧體永磁體，不但可降低由于溫升引起的不可逆去磁的風(fēng)險(xiǎn)，提高電機(jī)的運(yùn)行范圍，而且由于鐵氧體永磁體的矯頑力低于稀土釹鐵硼永磁體，鐵氧體永磁體的軸向?qū)挾燃庸ぞ纫筝^低，方便了機(jī)械加工，鐵氧體永磁體的成本遠(yuǎn)低于稀土釹鐵硼永磁體，因此該拓?fù)湟步档土擞来懦杀?，同時(shí)可以改善永磁體的抗去磁能力。

本發(fā)明不意限其應(yīng)用或使用，該結(jié)構(gòu)在多個(gè)方面是有利的。具體的，徑向充磁鐵氧體永磁體的較低能量產(chǎn)出通過(guò)較高磁阻轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，使用相同尺寸的分段磁體與各種復(fù)雜形狀的永磁體相比，可以較大地降低制造成本。

實(shí)施例2

如圖2所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于：?jiǎn)芜厛A筒型永磁直線同步電機(jī)僅包括一層鐵心及一層電樞繞組，在次級(jí)磁軛3上只有對(duì)應(yīng)上述電樞繞組的一側(cè)設(shè)置永磁體。

每極下永磁體同樣采用實(shí)施例1所述的非均勻分塊結(jié)構(gòu)。設(shè)最中間的兩塊徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體7-1的寬度相同，為a0；向兩端的徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體7-1的寬度按等比數(shù)列依次遞減，分別為a1、a2、……、an；徑向充磁鐵氧體永磁體7-2寬度為an+1，n為正整數(shù)，圓筒型永磁直線電機(jī)的極距為τp，則a0＝0.301τp-0.0657，ai＝a0*qⁱ，i＝1、2、3、……n+1，q為等比數(shù)列遞減公比，0＜q＜1。

設(shè)最中間的一塊隔磁塊6的寬度為ts1，ts1＝0.00457τp+0.07697，ts2＝0.025τp+0.06135，tsn/ts2＝2.82*n²+8.4*n-2.8(n＞2)。

徑向充磁鐵氧體永磁體7-2的厚度hm可改變，取值范圍為0.5hm＜hm＜1.2hm，hm為徑向充磁稀土釹鐵硼永磁體7-1的厚度。

永磁體內(nèi)徑和實(shí)施例1外側(cè)永磁體半徑相同，其它組成和連接方式均與實(shí)施例1相同。