动磁式初级不连续分段直线电机推力波动优化设计方法与流程

1.本发明涉及直线电机的电磁及机械结构设计制造领域。


背景技术：

2.不连续分段直线电机其初级是由多个在电气上不连续的独立定子段构成，不连续分段直线电机由于其定子绕组不连续，在相同的运动行程中使用的初级绕组数目少，降低电机整体的制造成本，可以在长行程直线传输领域广泛应用；但同时，由于绕组的分段结构，关键电磁参数在段间过度时产生剧烈影响，使之随动子位置变化而改变，尤其体现在推力波动，在段间过渡阶段，产生极大的推力波动，这将降低无传感器驱动控制系统精度与可靠性。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决在不连续分段直线电机的段间过渡阶段，会产生极大的推力波动，从而降低了控制系统的精度与可靠性的问题，提出了动磁式初级不连续分段直线电机推力波动优化设计方法。
4.本发明所述的动磁式初级不连续分段直线电机推力波动优化设计方法，该推力波动优化设计方法是针对动磁式初级不连续分段直线电机拓扑结构进行的优化；
5.动磁式初级不连续分段直线电机的拓扑结构包括多个定子和动子；所述多个定子等间距的排布，所述动子竖直设置在多个定子的正上方，并沿着多个定子排布的方向上运动；
6.所述多个定子的结构相同，定子包括初级铁轭和多个初级绕组；多个初级绕组构成初级绕组单元设置在初级铁轭的正上方；
7.所述动子包括次级铁轭和多个永磁体；多个永磁体等间距的设置在次级铁轭的正下方；
8.该推力波动优化设计方法包括以下方面：
9.对次级铁轭有效长度进行优化、对初级铁轭的安装间隔进行优化、对永磁体安装间隔进行优化以及对初级绕组的安装间隔进行优化，使得次级铁轭两端的端部效应相等；
10.对永磁体的结构进行优化以及对初级铁轭的形状进行优化，用于抑制磁场畸变。
11.本发明的有益效果是：通过对次级铁轭有效长度进行优化、对初级铁轭的安装间隔进行优化、对永磁体安装间隔进行优化以及对初级绕组的安装间隔进行优化，使得次级铁轭两端的端部效应相等，即利用两个相邻的初级绕组的进出端的端部效应的反向叠加，从而削减电机整体的推力波动，进而提高了控制系统的精度与可靠性；通过对永磁体的结构进行优化以及对初级铁轭的形状进行优化，削弱了由于初级铁轭长度有限而造成的磁场畸变，从而达到削弱段间过渡的推力波动，进而提高了控制系统的精度与可靠性；电机的推力波动率从未采用本发明所述的优化设计方法的13.67％降到了4.75％，极大的改善了电机的动态性能。
附图说明
12.图1为具体实施方式一中初级铁轭正上方设有一个初级绕组单元，并未对永磁体的结构以及对初级铁轭的形状进行优化的不连续分段式直线电机的第一种拓扑结构；
13.图2为具体实施方式一中初级铁轭正上方设有一个初级绕组单元，并未对永磁体的结构以及对初级铁轭的形状进行优化的不连续分段式直线电机的第二种拓扑结构；
14.图3为具体实施方式一中电机的推力波动率的有限元仿真结果对比图；
15.图4为具体实施方式六中初级铁轭正上方设有两个初级绕组单元，并未对永磁体的结构以及对初级铁轭的形状进行优化的不连续分段式直线电机的第一种拓扑结构；
16.图5为具体实施方式七中初级铁轭正上方设有一个初级绕组单元，并对永磁体的结构以及对初级铁轭的形状进行优化后的不连续分段式直线电机的第一种拓扑结构；
17.图6为具体实施方式七中初级铁轭正上方设有一个初级绕组单元，并对永磁体的结构以及对初级铁轭的形状进行优化后的不连续分段式直线电机的第二种拓扑结构。
具体实施方式
18.具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的动磁式初级不连续分段直线电机推力波动优化设计方法，该推力波动优化设计方法是针对动磁式初级不连续分段直线电机拓扑结构进行的优化；
19.动磁式初级不连续分段直线电机的拓扑结构包括多个定子和动子；所述多个定子等间距的排布，所述动子竖直设置在多个定子的正上方，并沿着多个定子排布的方向上运动；
20.所述多个定子的结构相同，定子包括初级铁轭3和多个初级绕组4；多个初级绕组4构成初级绕组单元设置在初级铁轭3的正上方；
21.所述动子包括次级铁轭1和多个永磁体2；多个永磁体2等间距的设置在次级铁轭1的正下方；
22.该推力波动优化设计方法包括以下方面：
23.对次级铁轭1有效长度进行优化、对初级铁轭3的安装间隔进行优化、对永磁体2安装间隔进行优化以及对初级绕组4的安装间隔进行优化，使得次级铁轭1两端的端部效应相等；
24.即满足：
[0025][0026]
其中，为次级铁轭1初始端的端部效应；为次级铁轭1末尾端的端部效应；
[0027]
对永磁体2的结构进行优化以及对初级铁轭3的形状进行优化，用于抑制磁场畸变。
[0028]
在本实施方式中，图1和图2是两种不连续分段式直线电机的拓扑结构，采用本实施方式所述的推力波动优化设计方法的电机，利用两个绕组的进出端的端部效应的反向叠加，从而削减电机整体的推力波动；为了验证本实施方式所述的推力波动优化设计方法电机的使用效果，特建立了未经优化的仿真模型和使用分裂磁极加圆弧轭板的仿真模型；未经优化的仿真模型和使用分裂磁极加圆弧轭板的仿真模型有着相同的尺寸参数，区别在于
两点：一是优化后的磁极将第一个永磁体分裂成两个相同尺寸的永磁体安装到次级两端，与相邻的磁极间隔不变；二是优化后的圆弧轭板在两侧使用90
°
的圆弧形状，圆弧半径为定子轭板的高；电机绕组通电逻辑与连续型直线电机有所不同；尽管都是三相交流电，分段式直线电机的绕组分布遵循着机械角度与电角度的一一对应，即在原有绕组分布的基础上跳过中间间隔所去掉的绕组，按照分段后的位置安装初级绕组4；利用maxwell2d得到有限元仿真结果对比，对比图如图3所示，采用了本实施方式所述的推力波动优化设计方法，电机的推力波动率从未采用的13.67％降到了4.75％；极大的改善了电机的动态性能。
[0029]
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的动磁式初级不连续分段直线电机推力波动优化设计方法进一步限定，在本实施方式中，对次级铁轭1有效长度进优化的具体方法为：
[0030]
控制次级铁轭1满足：
[0031]
l1＝ml2[0032]
其中，l1为次级铁轭1的有效长度，m为大于1的整数，l2为初级铁轭3的有效长度。
[0033]
在本实施方式中，控制次级铁轭1的有效长度为初级铁轭3有效长度的整数倍；次级铁轭1的有效长度远远大于初级铁轭3有效长度，以保证相序的一致。
[0034]
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的动磁式初级不连续分段直线电机推力波动优化设计方法进一步限定，在本实施方式中，对初级铁轭3安装间隔进行优化的具体方法为：
[0035]
控制两个初级绕组单元之间的间距满足：
[0036]
l＝l1[0037]
其中，l为两个初级绕组单元之间的间距；
[0038]
所述两个初级绕组单元之间的间距l满足：
[0039]
l＝k(l2 l3)
[0040]
其中，l3为初级铁轭3的安装间隔，k为大于1的整数。
[0041]
在本实施方式中，控制两个初级绕组单元之间的间距等于次级铁轭1的有效长度，所述两个初级绕组单元之间的间距l等于初级铁轭3的有效长度l2与初级铁轭3的安装间隔l3之和的整数倍；在图1中k的取值为1；在图2中k的取值为3。
[0042]
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的动磁式初级不连续分段直线电机推力波动优化设计方法进一步限定，在本实施方式中，对永磁体2安装间隔进行优化的具体方法为：
[0043]
控制电机的极距满足：
[0044][0045]
其中，τ为电机的极距，n为大于0的偶数；
[0046]
所述永磁体2安装间隔等于电机的极距减去永磁体2的有效长度。
[0047]
在本实施方式中，控制电机的极距等于次级铁轭1的有效长度整除以n。
[0048]
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的动磁式初级不连续分段直线电机推力波动优化设计方法进一步限定，在本实施方式中，对初级绕组4安装间隔进行优化的具体方法为：
[0049]
控制电机的槽距满足：
[0050][0051]
其中，τ
s
为电机的槽距，h为大于0的整数；
[0052]
所述初级绕组4安装间隔等于电机的槽距减去初级绕组4的长度。
[0053]
在本实施方式中，控制电机的槽距等于初级铁轭3的有效长度l2与初级铁轭3的安装间隔l3之和除以h。
[0054]
具体实施方式六：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的动磁式初级不连续分段直线电机推力波动优化设计方法进一步限定，在本实施方式中，所述初级铁轭3的正上方设有多个初级绕组单元。
[0055]
在本实施方式中，对图1中的定子结构进行拼接，例如两个最小初级单元拼接成一个基本单元，如图3所示；初级的单元尺寸选择以最小单元(一个线圈ax)的倍数选择，同时绕组的通电逻辑还是以三相交流电的通电逻辑，分段式直线电机的绕组分布遵循着机械角度与电角度的一一对应，即在原有绕组分布的基础上跳过中间间隔所去掉的绕组，按照分段后的位置安装绕组；此外，初级单元之间的安装间隔也要遵循尺寸是最小单元(一个线圈ax)的倍数选择。
[0056]
具体实施方式七：结合图5至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的动磁式初级不连续分段直线电机推力波动优化设计方法进一步限定，在本实施方式中，对永磁体2结构进行优化的具体方法为：
[0057]
将位于次级铁轭1下方的第一个永磁体2分成两个尺寸相等的永磁体，安装在次级铁轭1的两侧，同时保持原有的永磁体2间隔不变。
[0058]
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的动磁式初级不连续分段直线电机推力波动优化设计方法进一步限定，在本实施方式中，初级铁轭3形状进行优化的具体方法为：
[0059]
将初级铁轭3的上端面设置为圆弧过渡的形状。
[0060]
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八所述的动磁式初级不连续分段直线电机推力波动优化设计方法进一步限定，在本实施方式中，初级铁轭3的上端面的圆弧为90
°
圆弧。
[0061]
具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式九所述的动磁式初级不连续分段直线电机推力波动优化设计方法进一步限定，在本实施方式中，初级铁轭3的上端面圆弧的圆弧半径与初级铁轭3的高度相等。