[发明专利]一种弧形永磁体的无铁芯永磁同步直线电机

说明书

技术领域

本发明涉及无铁芯永磁同步直线电机领域，具体是一种弧形永磁体的无铁芯永磁同步直线电机。

背景技术

无铁芯永磁同步直线电机(permanentmagnetsynchronouslinearmotor,PMSLM)具有零齿槽效应、绕组与永磁体之间没有吸引力、结构简单、定位精度高、灵敏度高等优点，在少切削力精密数控机床及精密雕刻机中具有广泛应用前景。然而，无铁芯PMSLM自身结构特点，其谐波分量、边端效应等均会产生推力波动，推力波动是影响PMSLM应用的主要原因之一，在要求精加工的数控机床中，推力波动导致加工表面出现划痕、粗糙度降低，尺寸超差等问题，严重影响产品质量；在雕刻机中，推力波动引起雕刻深度不均匀，雕刻线条粗糙等问题；同时，推力波动会产生振动和噪声，影响定位精度。弧形永磁体的分数槽无铁芯永磁同步直线电机能有效抑制谐波分量，减小电机推力波动，保证精密数控机床及雕刻机的加工精度。

目前国内外研究者普遍采用斜极、斜槽、错磁、分数槽、优化电机动子长度、改变磁铁布置方式及改变充磁方式等方法来抑制永磁同步直线推力波动。其中，前4种方法主要是通过降低齿槽效应引起的齿槽力减小推力波动，不适合无齿槽效应的无铁芯PMSLM；优化电机动子长度的方法主要是降低边端效应达到抑制推力波动的目的；改变磁铁的布置方式可以通过选择合适的极弧系数，使初期反电势基波幅值大，谐波系数小，但是磁铁之间有间距，次级空间利用率较小；改变充磁方式能够使磁通密度波形接近正弦，然而，按正弦规律对磁铁充磁，需要控制充磁机的充磁能量按正弦规律变化，在充磁工艺上较难实现，充磁精度也难以保证。

发明内容

本发明的目的是，提供一种弧形永磁体的无铁芯永磁同步直线电机，使其磁通密度波形接近正弦形，以解决现有技术无铁芯PMSLM受推力波动影响较大的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种弧形永磁体的无铁芯永磁同步直线电机，永磁体为其中一个磁面为弧形面的弧形永磁体，所述电机的极距为τ，弧形永磁体的弧高为h′，弧形永磁体最高点厚度为h+h′，电机的最小气隙厚度为δ，弧形永磁体最高点厚h+h′不大于0.2τ，电机的最小气隙厚度δ大于0.2τ。

优选地，所述弧形永磁体的宽度为15mm，长度为40mm，弧高为0.2mm，最高点厚度为(3+0.2)mm。

本发明在无铁芯永磁同步直线电机中，采用弧形永磁体，通过合适的参数设置，可使弧形永磁体的磁通密度波形接近正弦形，从而可减小谐波分量有效抑制推力波动，同改变充磁方式相比，在工艺上简单易行，具有本发明结构的电机对于少切削力精密数控机床及精密雕刻机的应用具有重要的理论和实践意义。

附图说明

图1为矩形电流线圈示意图。

图2为弧形永磁体示意图。

图3为电机中弧形永磁体结构分布示意图。

图4为不同弧高的弧形永磁体磁密分布曲线图，其中：

图4a为h′＝4.5mm时磁密分布曲线图，图4b为h′＝3.5mm时磁密分布曲线图，图4c为h′＝2.5mm时磁密分布曲线图，图4d为h′＝1.5mm时磁密分布曲线图，图4e为h′＝0.2mm时磁密分布曲线图。

图5为具体实施方式中Maxwell2D仿真模型得到的矩形永磁体直线电机推力、谐波分量波形图，其中：

图5a为推力波形图，图5b为谐波分量波形图。

图6为具体实施方式中Maxwell2D仿真模型得到的弧形永磁体直线电机推力、谐波分量波形图，其中：

图6a为推力波形图，图6b为谐波分量波形图。

具体实施方式

一种弧形永磁体的无铁芯永磁同步直线电机，所述永磁体为其中一个磁面为弧形面的弧形永磁体，设电机的极距为τ，弧形永磁体的弧高为h′，弧形永磁体最高点厚度为h+h′，电机的最小气隙厚度为δ，弧形永磁体最高点厚h+h′不大于0.2τ，电机的最小气隙厚度δ大于0.2τ，选择弧形永磁体的弧高h′＝0.2，该弧形永磁体的磁通密度波形接近正弦形。

本发明设计原理如下：

1、弧形永磁体空间磁场解析式推导

由安培分子环流假说可知磁体外部空间中任一点的磁场由永磁体侧表面闭合电流环路所激发。由毕奥-萨伐尔定律，由图1所示矩形电流线圈可得：