[发明专利]一种基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机

说明书

本发明公开了一种基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机，包括定子电枢一次侧和Halbach永磁动子二次侧，定子电枢一次侧位于永磁动子二次侧外侧，定子电枢一次侧由定子铁心和电枢绕组构成，定子铁心两侧端部齿采用内阶梯型结构，定子铁心内部齿采用弧形结构；永磁动子二次侧由动子铁心和贴于铁心表面的永磁体构成，该永磁体采用Halbach阵列结构。本发明的永磁直线电机可以获得比常规磁体更大的气隙磁通，而且具有很好的磁屏蔽作用，可减小动子导磁轭厚度。本发明给出弧形齿结构解析模型，通过该解析模型可推导出磁导大小及磁导随位置变化曲线。本发明的电机最优结构采用田口优化算法获得。

技术领域

本发明属于电工、电机领域，涉及一种永磁同步直线电机。

背景技术

随着科技进步的不断进步，机电行业日益朝着高精度，高效方向迅速发展，永磁同步直线电机直接驱动技术已成为一个最具代表性的先进技术。直线电机可以提供一个直接的线性驱动，与传统的旋转电机配合滚珠丝杠结构相比，无中间传动环节，具有高刚性、高推力、响应速度快、优势突出的节能、免维护等优点，被广泛的应用于航空航天，精密加工等领域。

永磁同步直线电机直接与负载刚性相连，取代了传统滚珠丝杠的直线进给方式，由于取消了中间的传动装置，工作台受到的负载力扰动和外部环境扰动会直接反馈给永磁同步直线电机，使电机产生一定的推力波动，该推力波动会导致机械振动，噪声以及速度振荡，从而恶化其伺服运行特性，如位置跟踪精度。因此，减小直线电机的推力波动是十分必要的。此外，如何提高直线电机的功率密度或推力也是直线电机领域研究的重点问题。与常规磁体结构相比，Halbach阵列应用于永磁同步直线电机具有很好的特性，能够提供正弦度较好的气隙磁密，从而减小了转矩脉动，有利于提高永磁电机的定位精度，Halbach阵列具有良好的磁屏蔽效果，能够减轻电机的重量，同时具有聚磁效果，能够提供高气隙磁密，有利于提高永磁直线电机的功率密度。

田口优化算法是质量工程领域的一种新技术，是日本著名质量管理学家TaguchiG博士于上世纪70年代创立的一种科学，是一种聚焦于最小化过程变异或使产品、过程对环境变异最不敏感的实验设计方法，能设计出环境多变条件下能够稳健和优化操作的高效方法，通过合理安排试验方案，确定最佳参数组合，实现产品质量和成本的最佳匹配。

发明内容

技术问题：本发明提供一种基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机。该永磁直线电机能够在保证电机尺寸不变的情况下，大幅度减小由边端和齿槽共同引起的推力波动，于此同时，该永磁电机在保证低定位力同时，提高了电机的功率密度。将该电机应用到直驱系统中，不需要额外的机械传动装置，使得整个系统的体积质量减小，成本降低、效率提高。

技术方案：本发明的基于定子弧形与内阶梯型混合结构的永磁直线电机，包括相对设置的定子电枢一次侧、气隙层、永磁动子二次侧，位于所述定子电枢一次侧和永磁动子二次侧之间的气隙层，所述定子电枢一次侧包括定子铁心、设置在所述定子铁心内侧的定子齿、安装在两相邻定子齿之间的开槽中的电枢绕组，定子铁心的两端设置有内阶梯形结构的定子端部齿，所述定子齿采用弧形结构；所述永磁动子二次侧包括永磁动子铁心、设置于所述永磁动子铁心表面、采用Halbach不规则永磁阵列的永磁体。

进一步的，本发明电机中，定子端部齿采用内阶梯形结构，阶梯开口方向为定子端部朝向定子中部。

进一步的，本发明电机中，Halbach不规则永磁阵列为两种，且两种Halbach不规则永磁阵列沿永磁动子铁心内侧交替设置，第一种Halbach不规则永磁阵列的永磁体充磁方向从左向右依次为：水平向右，向右上角45°方向，垂直向上，向左上角45°，水平向左；另一种Halbach不规则永磁阵列的永磁体充磁方向从左向右依次为：水平向右，向右下角45°方向，垂直向下，向左下角45°，水平向左。

进一步的，本发明电机中，定子齿的弧形高度h，定子端部齿的水平宽度和垂直高度按照如下方式，确定：