动子模块化双定子电励磁双凸极直线电机及其绕线方法

本发明属于直线电机，具体涉及动子模块化双定子电励磁双凸极直线电机及其绕线方法。

背景技术：

1、直线电机顾名思义是一种能产生直线运动的电机，又称为线性电机，不同于普通的旋转电机，直线电机把电能直接转换成直线运动的机械能，不需要任何中间传动转换装置，所以比传统旋转电机经过转换装置形成的直线运动效率更高，具有结构简单、效率高、易于维护等优点，而且又兼具高运行效率、高功率密度等永磁电机的优势，因此，直线电机在数控机床、激光切割、物流运输等领域都具有广阔的应用前景。

2、然而，直线电机也存在固有缺陷“端部力问题”，成为其在高精度控制、伺服领域应用的最大障碍。直线电机的初级和次级在中间区域的磁场均匀连续分布，而在端部区域磁场不连续分布会发生畸变，产生边缘效应，导致端部力产生，降低运动精度，影响系统稳定性，无法满足现代工业对于高精度的严苛要求。

3、为了解决直线电机端部力问题造成的运动精度低、推力波动等问题，目前的相关研究也已取得了一定的成果。例如cn202410636138.4的专利中公开了使用端部调磁模块抑制永磁直线同步电机磁阻力的方法，该专利提出了一种通过改变定子端部形状来减小直线电机端部效应的设计。利用二进制数字进行拓扑编码得到端部调磁模块对应的拓扑矩阵，再根据拓扑矩阵中的每行元素将拓扑矩阵转换到高维空间，从而获得左侧最优拓扑矩阵和右侧最优拓扑矩阵，使得直线电机的磁阻力得到抑制，进而减小了端部力的影响。这种方法有效地提高了电机的运行平稳性和效率。再如cn202311704028.9的专利中公开了一种低推力波动永磁直线电机端部辅助结构设计方法，该专利描述了一种通过添加定子端部辅助齿来减少端部效应的技术，使得磁场在端部区域发生变化，减少了端部力的影响。这种方法适用于各种类型的直线电机，具有广泛的应用前景。

4、现有技术通过改变端部形状来减小端部力的传统方法虽然有效，但往往涉及复杂的结构设计和制造工艺，增加了生产成本和难度。因此亟需寻找一种既能够解决直线电机运动精度低、推力波动问题，同时又较为简洁和高效的解决方案。

技术实现思路

1、针对上述情况，本发明提供了动子模块化双定子电励磁双凸极直线电机及其绕线方法，采用双定子结构并仅通过调整励磁绕组匝数来减小端部力影响，提供了一种更为简洁和高效的解决方案，不仅简化了直线电机的设计流程，同时还提高了电机的运行稳定性和效率。

2、为了实现以上目的，首先，本发明提出了一种动子模块化双定子电励磁双凸极直线电机，包括定子组件和动子组件，其中，所述定子组件为由上下对称设置的两个定子模块组成的双定子结构；所述动子组件包括可移动夹设于两所述定子模块之间的至少两个动子模块，以及绕设在动子模块上的三相电枢绕组和端部励磁绕组；两所述定子模块和所述动子模块均为由若干层高导磁率硅钢片叠压而成的凸极结构。

3、本发明的核心创新点在于：所述动子模块呈卧倒的“丰”字形结构，动子组件的上下两侧面对称设置有6n个动子凸极，定子组件的两个定子模块的两相对面上对称设置有2n个定子凸极，其中，n为正整数，定子凸极和动子凸极为矩形齿结构，且所述定子模块的齿槽宽度比为0.5，所述动子模块的齿槽宽度比为1；所述动子模块的前后两端面上还分别设置有前端凸齿和后端凸齿，用于前后两个动子模块之间实现首尾对接，所述三相电枢绕组对应横向环绕在动子模块上下两侧的各动子凸极外侧，所述端部励磁绕组对应纵向环绕在动子模块的前、后端凸齿外侧。

4、进一步地，所述动子模块的前后两端面上均开设有燕尾槽结构，所述前端凸齿和后端凸齿均对应一体固设在燕尾槽结构的正中间，为了防止局部磁路饱和，前、后端凸齿与燕尾槽结构的连接拐角处均进行倒圆角处理，动子模块的齿宽与定子模块的齿宽相等，定子模块的槽宽为动子模块的槽宽的2倍。

5、优选地，所述前端凸齿的前端面居中开设有呈“ω”形状的卡接凹槽，后端凸齿的后端面居中固设有呈“ω”形状的卡接凸起，前一动子模块的卡接凸起与后一动子模块的卡接凹槽之间能够相适配卡扣连接，进而实现前后两动子模块之间的首尾对接。

6、优选地，所述三相电枢绕组为缠绕在动子模块各动子凸极上的集中绕组，每个动子模块的三相电枢绕组分为a、b、c三相按顺序沿动子凸极依次绕制，形成6n个绕组线圈（即动子模块的上边3个动子凸极和下边3个动子凸极分别绕设一组a、b、c三相绕组）。

7、进一步地，为了削弱直线电机特有的边端效应和双凸极电机各相不对称问题，所述动子模块的前端凸齿上绕制有前端部励磁绕组，动子模块的后端凸齿上绕制有后端部励磁绕组，通过调整两端部励磁绕组的绕线匝数产生相应的激励，能使动子模块移动过程中在三相电枢绕组中感应出的磁链近似相同。

8、其次，在上述动子模块化双定子式的电励磁双凸极直线电机的基础上，本发明又提供了一种适用于制作该电励磁双凸极直线电机的绕线方法，其端部动子模块与中间动子模块的端部励磁绕组的绕线匝数计算关系为：

9、中间动子模块的磁动势f0的表达式为：

10、；

11、其中，原始励磁绕线匝数为

n0，电流为

i；

12、气隙磁密

b0的表达式为：

13、；

14、其中，气隙长度为

δ，真空磁导率为

u0；

15、中间动子模块的磁阻

rδ的表达式为：

16、；

17、其中，a为气隙横截面积；

18、电励磁双凸极直线电机的漏磁通

rleak的表达式为：

19、；

20、其中，

lleak为漏磁路径长度，

aleak为漏磁路径横截面积；

21、求得电励磁双凸极直线电机的漏磁系数

k的表达式为：

22、；

23、由于端部漏磁影响，端部动子模块的等效磁阻增大，表示为

kδ，

k为漏磁系数且

k＞1；

24、电励磁双凸极直线电机的原始端部磁密

b1的表达式为：

25、；

26、原始端部磁密

b1小于中间部位磁密

b0导致产生端部力；调整端部绕线匝数后，使端部磁密变大，从而达到磁场平衡；

27、端部励磁绕组增加绕线匝数后的端部磁密为

b2，端部增加绕线匝数为δn，增加绕线匝数后的磁动势

f2的表达式为：

28、；

29、令端部磁密

b2等于中间部位磁密

b0，得到；

30、；

31、化简后，得到：

32、；

33、以上是两个动子模块拼接的情况，同理也可推广到n个动子模块。

34、当动子组件有多个动子模块对接组成时，由于各中间动子模块受到的磁场都是均匀的，只有前后两端的两个端部动子模块存在边缘效应，因此无需调整中间动子模块的端部励磁绕组的绕线匝数，仅通过调整前、后两端两个端部动子模块端部励磁绕组的绕线匝数，即可补偿端部漏磁影响，达到磁场平衡，进而消除端部力问题。

35、本发明还包括能够使其正常使用的其它组件，均为本领域的常规手段，另外，本发明中未加限定的装置或组件，均采用本领域的现有技术。

36、本发明的有益效果如下：

37、本发明提供的动子模块化双定子电励磁双凸极直线电机，通过在直线电机两端对称布置双定子结构，使得磁场分布更均匀，不需要改变定子端部形状，减少了生产成本和难度。

38、通过模块化的动子拼接结构设计和优化动子模块的三相电枢绕组的线圈排布及端部励磁绕组的绕线匝数，可以实现对直线电机的磁力线分布调节，确保动子模块在运行过程中受到端部力最小，仅调节端部励磁绕组的匝数，就可以实现磁场平衡，减少端部力影响；同时励磁绕组和电枢绕组位于动子上，相较于传统的绕组位于定子轨道排布，减少了绕组铜耗。

39、动子模块上下对称的6n个绕组线圈分布位置不同且相位相差120°，位于同一位置上的上下一对绕组线圈的相位一致，构成各相磁链变化率相同的a、b、c三相绕组。当调整端部励磁绕组的绕线匝数产生激励后，使得动子模块移动过程中，在三相电枢绕组中感应出近似相同的磁链波形，仅调节端部励磁绕组的匝数，即可实现磁场平衡，减少端部力影响。

40、利用双定子结构的和模块化的动子绕线方法，不仅简化了直线电机的设计流程，还提高了直线电机的运行稳定性和效率，具有显著的技术优势和应用价值。