一種弧形永磁體的無鐵芯永磁同步直線電機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無鐵芯永磁同步直線電機領(lǐng)域，具體是一種弧形永磁體的無鐵芯永磁 同步直線電機。
【背景技術(shù)】
[0002] 無鐵芯永磁同步直線電機（permanentmagnetsynchronouslinearmotor, PMSLM)具有零齒槽效應(yīng)、繞組與永磁體之間沒有吸引力、結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高、靈敏度高 等優(yōu)點，在少切削力精密數(shù)控機床及精密雕刻機中具有廣泛應(yīng)用前景。然而，無鐵芯PMSLM 自身結(jié)構(gòu)特點，其諧波分量、邊端效應(yīng)等均會產(chǎn)生推力波動，推力波動是影響PMSLM應(yīng)用的 主要原因之一，在要求精加工的數(shù)控機床中，推力波動導(dǎo)致加工表面出現(xiàn)劃痕、粗糙度降 低，尺寸超差等問題，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量;在雕刻機中，推力波動引起雕刻深度不均勻，雕刻 線條粗糙等問題；同時，推力波動會產(chǎn)生振動和噪聲，影響定位精度?；⌒斡来朋w的分?jǐn)?shù)槽 無鐵芯永磁同步直線電機能有效抑制諧波分量，減小電機推力波動，保證精密數(shù)控機床及 雕刻機的加工精度。
[0003]目前國內(nèi)外研究者普遍采用斜極、斜槽、錯磁、分?jǐn)?shù)槽、優(yōu)化電機動子長度、改變磁 鐵布置方式及改變充磁方式等方法來抑制永磁同步直線推力波動。其中，前4種方法主要是 通過降低齒槽效應(yīng)引起的齒槽力減小推力波動，不適合無齒槽效應(yīng)的無鐵芯PMSLM;優(yōu)化電 機動子長度的方法主要是降低邊端效應(yīng)達到抑制推力波動的目的；改變磁鐵的布置方式可 以通過選擇合適的極弧系數(shù)，使初期反電勢基波幅值大，諧波系數(shù)小，但是磁鐵之間有間 距，次級空間利用率較小；改變充磁方式能夠使磁通密度波形接近正弦，然而，按正弦規(guī)律 對磁鐵充磁，需要控制充磁機的充磁能量按正弦規(guī)律變化，在充磁工藝上較難實現(xiàn)，充磁精 度也難以保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是，提供一種弧形永磁體的無鐵芯永磁同步直線電機，使其磁通密 度波形接近正弦形，以解決現(xiàn)有技術(shù)無鐵芯PMSLM受推力波動影響較大的問題。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0006] -種弧形永磁體的無鐵芯永磁同步直線電機，永磁體為其中一個磁面為弧形面的 弧形永磁體，所述電機的極距為τ，弧形永磁體的弧高為Μ，弧形永磁體最高點厚度為h+l·/， 電機的最小氣隙厚度為δ，弧形永磁體最高點厚h+h7不大于0.2τ，電機的最小氣隙厚度δ大 于0·2το
[0007] 優(yōu)選地，所述弧形永磁體的寬度為15mm，長度為40mm，弧高為0 · 2mm，最高點厚度為 (3+0 · 2)_。
[0008]本發(fā)明在無鐵芯永磁同步直線電機中，采用弧形永磁體，通過合適的參數(shù)設(shè)置，可 使弧形永磁體的磁通密度波形接近正弦形，從而可減小諧波分量有效抑制推力波動，同改 變充磁方式相比，在工藝上簡單易行，具有本發(fā)明結(jié)構(gòu)的電機對于少切削力精密數(shù)控機床 及精密雕刻機的應(yīng)用具有重要的理論和實踐意義。
【附圖說明】
[0009] 圖1為矩形電流線圈示意圖。
[0010] 圖2為弧形永磁體示意圖。
[0011] 圖3為電機中弧形永磁體結(jié)構(gòu)分布示意圖。
[0012] 圖4為不同弧高的弧形永磁體磁密分布曲線圖，其中：
[0013] 圖4a為t/ = 4.5mm時磁密分布曲線圖，圖4b為t/ = 3 · 5mm時磁密分布曲線圖，圖4c 為t/ =2.5mm時磁密分布曲線圖，圖4d為t/ = 1.5mm時磁密分布曲線圖，圖4e為t/ = 0.2mm時 磁密分布曲線圖。
[0014]圖5為【具體實施方式】中Maxwell2D仿真模型得到的矩形永磁體直線電機推力、諧 波分量波形圖，其中：
[0015]圖5a為推力波形圖，圖5b為諧波分量波形圖。
[0016]圖6為【具體實施方式】中Maxwell2D仿真模型得到的弧形永磁體直線電機推力、諧 波分量波形圖，其中：
[0017]圖6a為推力波形圖，圖6b為諧波分量波形圖。
【具體實施方式】
[0018] -種弧形永磁體的無鐵芯永磁同步直線電機，所述永磁體為其中一個磁面為弧形 面的弧形永磁體，設(shè)電機的極距為τ，弧形永磁體的弧高為V，弧形永磁體最高點厚度為h+ ，電機的最小氣隙厚度為δ，弧形永磁體最高點厚h+l·/不大于0.2τ，電機的最小氣隙厚度δ大于0.2τ，選擇弧形永磁體的弧高l·/ = 0.2，該弧形永磁體的磁通密度波形接近正弦形。
[0019] 本發(fā)明設(shè)計原理如下：
[0020] 1、弧形永磁體空間磁場解析式推導(dǎo)
[0021 ]由安培分子環(huán)流假說可知磁體外部空間中任一點的磁場由永磁體側(cè)表面閉合電 流環(huán)路所激發(fā)。由畢奧-薩伐爾定律，由圖1所示矩形電流線圈可得：
[0023]I-線圈等效電流；
[0024] μ『真空磁導(dǎo)率。
[0027] (1)、（2)、（3)式中其余符號在圖1中已注明。
[0028]由公式（1)、（2)、（3)可得：
[0030] 公式(4)中：
[0031] α?-為由導(dǎo)體與Ρ點組成的平面的方向上的單位矢量。
[0032]由幾何知識可得：
[0034]ay-adfty軸方向的分量；
[0035]az-adftz軸方向的分量。
[0036]將公式(2)~公式(5)帶入公式(1)則得出z方向的磁通密度如下：
[0038]弧形永磁體結(jié)構(gòu)如圖2所示，則弧形永磁體前側(cè)面（圖中填充面)在P點產(chǎn)生的磁密 為：
[0042]Μ為弧形永磁體的弧高。
[0043]類似的方法也適合于矩形線圈的其它三邊。由此，整個線圈在P點產(chǎn)生的磁密為：
[0045] 2、弧形永磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計
[0046] 2.1弧形永磁體電機結(jié)構(gòu)
[0047]本發(fā)明以七級十二槽的分?jǐn)?shù)槽雙次級永磁同步直線電機為參照對象，參照電機的 相關(guān)參數(shù)見表1。
[0048]表1參照電機的相關(guān)參數(shù)表
[0050] ^電機的弧形永磁體分布結(jié)構(gòu)如圖3所示，在兩次級鐵輒彼此相對的輒面分別排布 弧形永磁體形成弧形永磁體組，初級繞組設(shè)置在兩弧形永磁體組之間。
[0051] 2.2弧形永磁體的磁密分布
[0052] 由公式(9)，根據(jù)表1的參數(shù)，計算得到z= 7.5，y= 0，-7.5 <X< 7.5時，不同弧高V 弧形永磁體、高度h= 3矩形永磁體的z向磁通密度Bz分布如圖4所示。
[0053]由圖4分析：相比矩形永磁體，弧形永磁體的磁通密度更接近正弦形;通過調(diào)整弧 形永磁體弧高V可以改變弧形永磁體的磁通密度與正弦形的相似度，弧高l·/與正弦形的幅 值越接近，兩者的相似度越高。參照弧形永磁體磁密與正弦形的相似度，理論上應(yīng)選擇ν= 15Λ;參照電機設(shè)計原則:一般選取永磁體厚度h不大于0.2τ，氣隙厚度δ大于〇. 2τ，并且在 保證磁密大小滿足要求時，盡量選擇較大的δ，應(yīng)選擇h7小于0.8 ;結(jié)合參照電機的相關(guān)參 數(shù)，本文選擇Μ=0.2,其磁密分布如圖4e。
[0054]本發(fā)明工作原理:弧形永磁體產(chǎn)生的空間磁通密度與正弦形比較接近，能有效抑 制諧波分量，減小推力波動。
[0055]根據(jù)表1所列電機相關(guān)參數(shù)，建立矩形永磁體永磁同步直線電機及V=0.2弧形永 磁體永磁同步直線電機的的Maxwel1 2D仿真模型得到電機的波形如圖5、圖6所示。
[0056]由仿真結(jié)果可知：矩形永磁體永磁同步直線電機的平均推力：，推力波動率： 0.613%，諧波畸變率:32.47% ;V= 0.2弧形永磁體永磁同步直線電機平均推力：，推力波 動率:0.306%，諧波畸變率:30.43 %。弧形永磁體直線電機的平均推力增大，推力波動率減 小，諧波畸變率降低。
【主權(quán)項】
1. 一種弧形永磁體的無鐵芯永磁同步直線電機，其特征在于:永磁體為其中一個磁面 為弧形面的弧形永磁體，所述電機的極距為τ，弧形永磁體的弧高為V，弧形永磁體最高點 厚度為h+l·/，電機的最小氣隙厚度為δ，弧形永磁體最高點厚h+l·/不大于0.2τ，電機的最小 氣隙厚度δ大于0.2τ。2. 如權(quán)利要求1所述的弧形永磁體的無鐵芯永磁同步直線電機，其特征在于，所述弧形 永磁體的寬度為15mm，長度為40mm，弧高為0.2mm，最高點厚度為(3+0.2 )_。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種弧形永磁體的無鐵芯永磁同步直線電機，一種弧形永磁體的無鐵芯永磁同步直線電機，永磁體為其中一個磁面為弧形面的弧形永磁體，所述電機的極距為τ，弧形永磁體的弧高為h′，弧形永磁體最高點厚度為h+h′，電機的最小氣隙厚度為δ，弧形永磁體最高點厚h+h′不大于0.2τ，電機的最小氣隙厚度δ大于0.2τ。本發(fā)明的有益效果為：采用弧形永磁體，通過合適的參數(shù)設(shè)置，可使弧形永磁體的磁通密度波形接近正弦形，從而可減小諧波分量有效抑制推力波動，在少切削力精密數(shù)控機床及精密雕刻機中具有廣泛應(yīng)用前景。
【IPC分類】H02K41/03
【公開號】CN105449978
【申請?zhí)枴緾N201510686072
【發(fā)明人】董菲, 趙吉文, 李樂, 宋俊材
【申請人】安徽大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年10月19日