[发明专利]一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机及其优化设计方法

摘要

本发明公开了一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机及其优化设计方法，属于永磁电机领域，包含单初级和双次级，初级与双次级之间分别具有气隙，初级由三个单元模块组成，每个单元模块靠近气隙一侧开槽形成四个初级齿和两个初级槽，在初级齿的齿端沿着电机运动方向设有多个虚槽和虚齿，虚齿的个数比虚槽的个数多一个，在虚槽中嵌有由三块永磁体构成的聚磁单元；初级槽内三相绕组分别绕在三个初级单元模块的轭部，每相绕组能够同时切割相应模块中四个初级齿上永磁体产生的磁力线，在保证空载反电势、推力输出、永磁体用量、容错能力等性能指标不受影响的同时，提高绕组利用率，减少绕组用量的一半，降低铜耗。

主权项

1.一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机，其特征在于，包括初级(1)，第一次级(21)、第二次级(22)，初级(1)与第一次级(21)、第二次级(22)之间分别具有第一气隙(41)、第二气隙(42)；所述第一次级(21)、第二次级(22)分别在靠近第一气隙(41)、第二气隙(42)一侧由铁芯开槽形成梯形槽结构，初级(1)由三个单元模块结构组成，每个单元模块结构均一致，模块结构(11)呈H型，包含第一初级齿(112)、第二初级齿(113)以及第一初级槽(1141)、第二初级槽(1142)；第一初级齿(112)靠近第一气隙(41)一侧沿着电机运动方向开槽形成虚齿(101)和虚槽(102)结构，虚齿(101)的个数N₁与虚槽(102)的个数N₂关系为N₁＝N₂+1，N₂为大于1的奇数；虚槽(102)内设置有由三块永磁体依次紧密贴合构成的聚磁单元(300)，其中中间的第二永磁体(32)充磁方向和电机运动方向相垂直且朝向第一气隙(41)，两侧的第一永磁体(31)、第三永磁体(33)相对充磁且充磁方向和电机运动方向相同；第二初级齿(113)靠近第二气隙(42)一侧沿着电机运动方向开槽形成虚齿(101)和虚槽(102)结构；虚槽内的聚磁单元(300)中中间的第四永磁体(34)充磁方向和电机运动方向相垂直且朝向第二气隙(42)，两侧永磁体充磁方向与第一初级齿(112)上的一致；第一初级槽(1141)、第二初级槽(1142)的槽口分别开在靠近第一气隙(41)、第二气隙(42)一侧；三相绕组(116)分别绕在三个单元模块结构的轭部(115)，每相绕组能够同时切割相应模块中四个初级齿上永磁体产生的磁场；一种提高绕组利用率的磁场调制永磁直线电机的优化设计方法，包括以下步骤：步骤1，电机初级(1)绕组极对数P_w，永磁体极对数P_PM以及第一次级(21)、第二次级(22)总极对数P_s满足以下关系式：P_w＝│P_PM‑P_s│电机的调制比为：在电机磁路不饱和的情况下，选取较大的调制比，确定电机的绕组极对数；根据绕组极对数，确定电机的绕组连接方式；步骤2，对单元电机限定尺寸设计，为提高电机容错性能，单元电机中初级(1)由三个独立的单元模块结构组成，电机三相绕组(116)分别绕在对应单元模块轭部(115)，为保证三相反电势的对称性，相邻两个模块之间的相位相差120°电角度，每个模块中在同一气隙侧的相邻初级齿之间的相位相差180°电角度，三个模块之间的距离满足以下关系：λ＝(j+1/3)τ_s或者λ＝(j+1/6)τ_s同一气隙侧相邻初级齿之间的距离满足以下关系：τ_m＝(k+1/2)τ_s其中，λ为两个模块之间的距离，τ_s为次级极距，τ_m为初级齿极距，k与j分别为正整数；步骤3，在确定每个模块之间的距离λ、次级极距τ_s和初级齿极距τ_m后，根据聚磁单元(300)与虚齿(101)的总宽度等于初级齿极距τ_m，聚磁单元(300)、虚齿(101)和虚槽(102)的总宽度等于距离λ这两个约束条件，确定三者的最佳比例关系；由于聚磁单元是嵌入在虚槽中，聚磁单元(300)与虚齿(101)的高度相等，通过永磁体体积，进一步确定聚磁单元的高度；步骤4，每个聚磁单元由中间的第二永磁体(32)或第四永磁体(34)和两块两侧的第一永磁体(31)、第三永磁体(33)构成，根据每个聚磁单元的宽度，确定中间的第二永磁体(32)或第四永磁体(34)和两侧的两块永磁体的尺寸结构，确定三者的最优配合，其中，中间的第二永磁体(32)或第四永磁体(34)的宽度大于两侧的两块永磁体的宽度，两侧的两块永磁体结构尺寸相同，三块永磁体的高度相同；步骤5，根据电机次级极距τ_s和电机极槽数，确定第一次级(21)、第二次级(22)靠近气隙一侧的槽宽s₁与次级的齿距τ_s之比，靠近次级轭部的槽宽s₂与次级齿距τ_s之比，得出最佳的次级齿槽结构；确定电机次级槽深与槽的高度之比。