一種基於Halbach永磁結構的模塊化遊標永磁直線電機的製作方法

2023-05-31 09:04:02 2

本發明屬於永磁電機技術領域，具體地，涉及一種基於Halbach永磁結構的模塊化遊標永磁直線電機。

技術背景

數控工具機尤其是高性能工具機，是工業領域重要的製造裝備。許多高精尖工業領域例如航空航天、高鐵、精密儀器等在很大程度上取決於高性能工具機的技術水平。隨著先進電磁設計、現代控制理論以及微電子技術的發展，直線伺服系統的進給速度、加速度以及定位精度均得到了很大的提高，在工具機領域正得到越來越廣泛的重視和應用。而制約直線交流伺服電機的瓶頸主要在於直線交流電機的推力密度和推力波動。據預測，未來幾年，世界20％～40％的數控工具機將採用直線驅動。

目前制約直線交流伺服系統發展的瓶頸在於，傳統永磁直線電機的兩大關鍵指標——推力密度難以得到大幅提升，推力波動在較高推力密度下難以兼顧。前者直接決定電機的體積、重量和製造成本，而後者直接影響伺服系統的定位精度和加工誤差。

遊標永磁直線電機拓撲是近年來出現的一種較新的電機結構，它以磁場調製原理工作。對遊標永磁直線電機已有的研究主要集中在分裂齒遊標永磁直線電機和初級永磁型遊標永磁直線電機。它們不同程度的顯示出推力波動和推力密度難以兼顧，結構較為複雜，成本高、批量化生產困難等缺點。

技術實現要素：

針對上述缺陷，本發明提供一種基於Halbach永磁結構的模塊化遊標永磁直線電機旨在解決現有的永磁直線電機輸出推力密度小，推力波動大。

為此，本發明提出了一種基於Halbach永磁結構的遊標永磁直線電機，包括一個定子和3K個動子模塊，3K個動子模塊沿動子運動方向排布，動子模塊和定子之間具有氣隙；

定子包括定子鐵芯和具有Halbach陣列結構的永磁體，具有Halbach陣列結構的永磁體貼於定子鐵芯表面；

每個動子模塊上設有多個動子槽數，動子槽數中繞有三相電樞繞組，不同動子模塊中各相電樞繞組位置不同，每個模塊中相同相電樞繞組軸線對應定子永磁體的相對位置保持一致；

每個動子模塊的槽數Z，每個動子模塊的電樞繞組的極對數Pa、每個動子模塊對應的具有Halbach陣列結構的永磁體的極對數PM滿足PM＝|Z±Pa|，

其中，K為正整數。

由於採用3K個動子模塊，每個動子模塊中三相電樞繞組位置不同，且每個模塊中相同相電樞繞組軸線對應定子永磁體的相對位置保持一致，使各相繞組在整體視圖下處於完全對稱結構，以起到極大改善三相繞組反電勢的對稱性的效果，通過動子模塊化組合的互補效應，使得不同動子模塊分別與定子作用產生具有一定相位差的推力，以實現模塊化遊標永磁直線電機的推力波動得到削弱效果，另外，採用具有Halbach陣列結構的永磁體，可以有效增大氣隙磁密，提高推力密度。

進一步地，還包括磁障，兩個相鄰的動子模塊通過磁障連接，減少了電樞繞組之間的互感，實現了不同動子模塊之間的電磁解耦，提高了模塊化遊標永磁直線電機運行的容錯性和可靠性。

進一步地，磁障寬度相等，為了使每個模塊中相同相電樞繞組軸線對應定子永磁體的相對位置保持一致，磁障寬度理論值為式中，m為正整數，λ為具有Halbach陣列結構的永磁體的極距，由於每個模塊中相同相電樞繞組軸線對應定子永磁體的相對位置保持一致，且連接相鄰動子模塊的磁障寬度相等，有利於消除推力波動，提高電機的性能。

進一步地，每個動子槽中電樞繞組可以為單層繞組或者雙層繞組。

進一步地，模塊化遊標永磁直線電機為單邊平板結構、雙邊平板結構或者圓筒型結構。

進一步地，模塊化遊標永磁直線電機為電動機或者發電機。

進一步地，定子鐵芯與動子鐵芯均為實心鋼、矽鋼片、非晶態鐵磁複合材料或者SMC軟磁複合材料。

通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，能夠取得以下有益效果：

1、本發明中採用採用3K個動子模塊，電樞繞組產生的磁場經過動子模塊鐵芯的調製，在氣隙中產生與該模塊對應永磁體相同極對數的磁場，二者相互作用產生波動的推力，但由於每個動子模塊中三相電樞繞組進行了換位，且每個動子模塊中相同相電樞繞組軸線對應定子永磁體的相對位置保持一致，且有3K個動子模塊，使各相繞組在整體視圖下處於完全對稱結構，可以極大地改善直線電機端部效應引起的三相反電勢不平衡問題，使得每個動子模塊產生的波動推力具有互補特性，可以使得模塊化遊標永磁直線電機的推力波動大幅削弱至1％以內。

2、本發明採用Halbach陣列的永磁體表貼於定子鐵芯上，由於Halbach陣列的永磁體漏磁很小，可以有效增大氣隙磁密，提高推力密度，相比傳統永磁電機，相同體積下的推力得到較大提升。

3、由於相鄰的動子模塊之間採用非導磁材料填充，電樞繞組之間的互感得以減小，實現了不同模塊之間的電磁解耦，提高了模塊化遊標永磁電機運行的容錯性和可靠性。

4、本發明顯著改善了永磁直線電機的推力密度和降低了推力波動性，且電機具有結構簡單，易於批量化生產、維護方便等優點，本發明特別適合於短定子結構直線電機應用場合，例如工具機伺服系統。

附圖說明

圖1所示為本發明提供的基於Halbach永磁結構的模塊化遊標永磁電機結構的第一實施例的示意圖；

圖2所示為本發明提供的第一實施例中Halbach陣列永磁結構示意圖；

圖3所示為本發明提供的對比實施例中三個動子模塊中電樞繞組不換位時的反電勢波形圖和反電勢諧波分析；

圖4所示為本發明提供的第一實施例中三個動子模塊中電樞繞組換位的反電勢波形圖和反電勢諧波分析；

圖5所示為本發明提供的第一實施例和對比實施例中推力波形對比圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

本發明所提供的基於Halbach永磁結構的模塊化遊標永磁直線電機，包括3K個動子模塊和一個定子，K為正整數，動子模塊與定子之間有氣隙。定子包括定子鐵芯和表貼於其上的Halbach陣列結構的永磁體，定子鐵芯由導磁材料做成，例如為實心鋼、矽鋼片、非晶態鐵磁複合材料或者SMC軟磁複合材料等構成的導磁材料。每個動子模塊包括有具有齒槽結構的鐵芯，槽內繞有三相電樞繞組，槽內可以設置單層繞組或雙層繞組，動子鐵芯由導磁材料做成，例如為實心鋼、矽鋼片、非晶態鐵磁複合材料或者SMC軟磁複合材料等構成的導磁材料。基於磁場調製原理，每個動子模塊槽數Z，電樞繞組極對數Pa、永磁體極對數PM滿足PM＝|Z±Pa|，使得經過每個動子模塊鐵芯調製後的電樞繞組磁場在氣隙中與永磁體勵磁磁場相互作用，產生波動的推力，由於每個動子模塊中的三相繞組經過了換位，且每個動子模塊中相同相電樞繞組軸線對應定子中具有Halbach陣列結構的永磁體的相對位置保持一致，且動子模塊為3K個，使各相繞組在整體視圖下處於完全對稱結構，可以極大地改善直線電機端部效應引起的三相反電勢不平衡問題，輔以動子模塊化結構的互補特性，可以大大抵消推力波動，使得模塊化遊標永磁電機的推力波動顯著降低，由於Halbach陣列的永磁體漏磁很小，可以有效增大氣隙磁密，提高推力密度。

本發明提供的基於Halbach永磁結構的模塊化遊標永磁直線電機還包括磁障，為非導磁材料，用於連接相鄰兩動子模塊，每個相鄰的動子模塊通過磁障連接，所以磁障有3K-1個，由於動子模塊間用磁障連接，使得電樞繞組之間的互感得以減小，實現了不同模塊之間的電磁解耦，提高了電機運行的容錯性和可靠性，連接各個動子模塊的磁障寬度一定且相等，有利於消除推力波動，提高電機的性能。

如圖1所示，本發明提供的第一實施例中，該永磁直線電機是單邊平板結構，由3個動子模塊5、2個磁障3和定子組成，動子模塊5和定子之間具有氣隙，磁障3用於連接相鄰的動子模塊5，定子包括定子鐵芯6和表貼有Halbach陣列結構的永磁體1。所述永磁體可以採用永磁體，超導磁體，或者電勵磁體。就其性能最佳而言，優先採用強磁性材料，例如釹鐵硼磁體。磁障可以採用鋁、鈦合金或者鋁合金等非導磁材料製造。

每一動子模塊5中動子槽的個數為6個，動子槽中設置3相的單層繞組，且3個動子模塊中不同相繞組位置不同。第一個動子模塊中第一個動子槽和第四個動子槽中繞制A相電樞繞組，第二個動子模塊中第三個動子槽和第六個動子槽中繞制A電樞繞組，第三個動子模塊中第二個動子槽和第五個動子槽中繞制A相電樞繞組，每個動子模塊中相同相位位於不同的動子槽內，即實現動子模塊中電樞繞組的換位。

如圖2所示，本發明提供的第一實施例中具有Halbach陣列結構的永磁體，Halbach陣列採用每極兩塊的結構，亦可以採用每極2塊以上的結構。在滿足加工工藝的條件下，此處不限制Halbach陣列結構的具體形式。

每一個動子模塊對應形成5對極的Halbach陣列結構的永磁體，為使換位後每個模塊中相同相繞組軸線對應定子永磁體的相對位置保持一致，磁障寬度理論值為：

式中，m為正整數，λ為Halbach陣列結構的永磁體的極距；

每個模塊的動子槽數Z為6，電樞繞組極對數Pa為1、永磁體極對數PM為5，滿足PM＝|Z±Pa|，另外，由於磁障寬度使得每個模塊中三相電樞繞組經過換位後，確保每個模塊中相同相繞組軸線對應定子永磁體的相對位置保持一致，可以極大地改善直線電機端部效應引起的三相反電勢不平衡問題，動子模塊化組合結構實現每個動子模塊產生的波動推力具有互補特性，大大抵消推力波動。另外，採用具有Halbach陣列結構的永磁體，可以有效增大氣隙磁密，提高推力密度，相比傳統永磁電機，相同體積下的推力得到較大提升。

此外，不同模塊之間可以分別控制，通過合理調節磁障的寬度，即不同模塊之間的距離，以及優化Halbach陣列的永磁體的寬度，可以大大抵消推力波動。也可以對具有子模塊邊端的兩個半齒的寬度進行優化，可以有效削減推力波動。

本發明提供的實例中模塊化遊標永磁直線電機可以為雙邊平板結構或者圓筒型結構，可以是電動機或者發電機。

本發明提供的對比實施例中，結構與本發明提供的第一實施例相同，但每個動子模塊的電樞繞組位置相同，即電樞繞組不換位，圖3(a)所示為本發明提供的對比實施例中動子模塊電樞繞組不換位時的反電勢波形圖，圖3(b)為對應的反電勢諧波分析圖，可以看出C相有較大諧波。圖4(a)所示為本發明提供的第一實施例中三個動子模塊的電樞繞組換位的反電勢波形圖，圖4(b)為對應的反電勢諧波分析圖，可以看出三相繞組換位後三相反電勢對稱度得到較大改善。圖5所示為本發明提供的第一實施例和對比實施例的負載推力波形對比圖，動子模塊中電樞繞組換位可以有效削減推力波動，將推力波動大幅削弱至1％以內。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。