一种动铁式永磁直线电机.pdf

一种动铁式永磁直线电机，属于直线电机技术领域。该直线电机含有初级绕组和次级永磁阵列，初级绕组缠绕在初级铁心上，构成A相、B相和C相绕组，次级永磁阵列安装于动子平台上；初级铁心与永磁体之间为气隙。次级永磁阵列由若干个永磁体组拼接而成，永磁体组由多个充磁方向不同的永磁体构成，各永磁体的充磁方向沿阵列方向呈类正弦变化，用于形成直线电机运动所需的正弦波磁场。本发明的永磁体阵列的磁路更合理，减少了漏磁，可增大电机推力和悬浮力，无需次级铁心，增大了强侧磁感应强度与动子自身重量的比值；同时永磁阵列可减弱阵列的端部效应，降低动铁式永磁直线电机的推力和悬浮力波动。

权利要求书1.  一种动铁式永磁直线电机，含有初级绕组(3)和次级永磁阵列(6)，初级绕组(3) 缠绕在初级铁心(4)上，构成A相、B相和C相绕组，次级永磁阵列(6)安装于动子平台 上(1)，初级铁心与永磁体之间为气隙(5)，其特征在于：所述次级永磁阵列(6)由若干个 永磁体组(7)拼接而成，每个永磁体组包括n个充磁方向不同的永磁体(2)，其中n大于等 于2；永磁体组中各永磁体的充磁方向沿阵列方向呈类正弦变化，每个永磁体(2)均为长方 体，尺寸大小一致；所有永磁体(2)沿x轴方向紧密排列，不同永磁体组(7)中永磁体(2) 的数量一致；在空间直角坐标系O-xyz中，每块永磁体(2)的三个方向的棱分别平行于x轴、 y轴和z轴，以x轴正方向为基准，取顺时针方向为正，沿x轴正方向第i块永磁体(2)的 充磁方向与x轴正方向的夹角为θi，i＝1,2,……,n，夹角θi满足：当θi<90°时，θi＝-θn-i+1； 当θi>90°时，θi-180°＝180°-θn-i+1；对于相邻两个所述永磁体组(7)，其对应位置的永磁 体(2)的充磁方向相差180°。 2.  如权利要求1所述的一种动铁式永磁直线电机，其特征在于：在每个所述永磁体组(7) 中，每个永磁体(2)的充磁方向均平行于xOz平面，夹角θi满足：-90°≤θ1<0°且0°<θn≤90°，或90°≤θ1<180°且180°<θn≤270°，θi随i的增大而增大。

说明书一种动铁式永磁直线电机
技术领域
本发明涉及一种直线电机，特别涉及一种动铁式永磁直线电机技术领域。
背景技术
动铁式永磁直线电机可被广泛地应用在精密机械制造、航天、微电子等高定位精度需求 的场合。为满足长行程运动需求，动铁式直线电机的动子永磁阵列沿运动方向长度小于定子 线圈阵列长度，有限长永磁阵列的端部将产生磁场端部效应，进而影响电机的推力和悬浮力 大小与周期。
中国专利文献(公开号为CN1885692A)公开的“内置式永磁直线电机”，在次级动子铁 心内部安置Halbach永磁体，永磁体固定良好，对永磁体的机械强度要求相对较低，容易实 现弱磁控制。其充磁方向为顺时针方向以90度间隔转动，使永磁体的一侧磁场加强，另外一 侧磁场减弱，但这种永磁阵列漏磁明显，需要铁心作为磁轭来抑制弱侧的漏磁，同时端部磁 场有明显畸变，端部效应难以忽略。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种动铁式永磁直线电机，其能产生较强的悬浮力和推 进力，并具有较小的漏磁和端部效应，无需次级铁心。
本发明的技术方案如下：
本发明所述的一种动铁式永磁直线电机，含有初级绕组和次级永磁阵列，初级绕组缠绕 在初级铁心上，构成A相、B相和C相绕组，次级永磁阵列安装于动子平台上，初级铁心与 永磁体之间为气隙，其特征在于：所述次级永磁阵列由若干个永磁体组拼接而成，每个永磁 体组包括n个充磁方向不同的永磁体，其中n大于等于2；永磁体组中各永磁体的充磁方向 沿阵列方向呈类正弦变化，每个永磁体均为长方体，尺寸大小一致；所有永磁体沿x轴方向 紧密排列，不同永磁体组中永磁体的数量一致；在空间直角坐标系O-xyz中，每块永磁体的 三个方向的棱分别平行于x轴、y轴和z轴，以x轴正方向为基准，取顺时针方向为正，沿x 轴正方向第i块永磁体的充磁方向与x轴正方向的夹角为θi，i＝1,2,……,n，夹角θi满足：当 θi<90°时，θi＝-θn-i+1；当θi>90°时，θi-180°＝180°-θn-i+1；对于相邻两个所述永磁体组， 其对应位置的永磁体的充磁方向相差180°。
优选的，所述的一种动铁式永磁直线电机的永磁体组中，每个永磁体的充磁方向均平行 于xOz平面，夹角θi满足：-90°≤θ1<0°且0°<θn≤90°，或90°≤θ1<180°且180°<θn≤270°，θi随i的增大而增大。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：本发明的永磁阵列有利于 将尽量多的磁感线聚集在有效磁通路径中，其能产生较强的悬浮力和推进力，并具有较小的 漏磁和端部效应，有效提高了磁能利用率；无需次级铁心作为磁轭，有效减轻动子质量。
附图说明
图1是本发明动铁式永磁直线电机的结构示意图。
图2是永磁阵列的立体图。
图3是永磁阵列的主视图。
图4是图2和图3中永磁体组的磁感应强度分布图。
图中：1-动子平台；2-永磁体；3-初级绕组；4-初级铁心；5-气隙；6-次级永磁阵列；7-永 磁体组。
具体实施方式
下面参照附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明所述的一种动铁式永磁直线电机，含有初级绕组3和次级永磁阵列6， 初级绕组3缠绕在初级铁心4上，按照A、B、C、A’、B’、C’顺序分布，其中线圈A和A’ 构成A相绕组，线圈B和B’构成B相绕组，线圈C和C’构成C相绕组。三相绕组采用铜材 料制成，三相绕组中通以三相电流，时序相差120°，绕组通电时产生一个行波磁场。次级 永磁阵列6安装于动子平台上1，动子平台1可采用非导磁材料，如铝合金，这样不仅能减 轻动子质量，还有利于减少两端永磁体2侧面的漏磁。初级铁心与永磁体之间为气隙5。
所述次级永磁阵列6由若干个永磁体组7拼接而成，每个永磁体组包括n个充磁方向不 同的永磁体2，其中n大于等于2；永磁体组中各永磁体的充磁方向沿阵列方向呈类正弦变化， 每个永磁体2均为长方体，尺寸大小一致；所有永磁体2沿x轴方向紧密排列，不同永磁体 组7中永磁体2的数量一致；在空间直角坐标系O-xyz中，每块永磁体2的三个方向的棱分 别平行于x轴、y轴和z轴，以x轴正方向为基准，取顺时针方向为正，沿x轴正方向第i块 永磁体2的充磁方向与x轴正方向的夹角为θi，i＝1,2,……,n，夹角θi满足：当θi<90°时，θi＝-θn-i+1；当θi>90°时，θi-180°＝180°-θn-i+1；对于相邻两个所述永磁体组7，其对应位置 的永磁体2的充磁方向相差180°。所述的一种动铁式永磁直线电机的永磁体组7中，每个 永磁体(2)的充磁方向均平行于xOz平面，夹角θi满足：-90°≤θ1<0°且0°<θn≤90°， 或90°≤θ1<180°且180°<θn≤270°，θi随i的增大而增大。
图1～图3中的箭头表示永磁体的充磁方向。永磁体2可采用稀土永磁材料。所有永磁体 2沿阵列方向紧密排列。在每个永磁体组7中，本实施例中，永磁体的个数为8个，沿x轴 正方向第i块永磁体2的充磁方向与x轴正方向的夹角θi满足：-90°≤θ1<0°且0°<θ8≤ 90°，或90°≤θ1<180°且180°<θ8≤270°，θi随i的增大而增大，i＝1,2,……,8。经过这 样的设计，在一个永磁体组7中，各充磁方向头尾依次连接，可以拟合出一条类正弦的曲线， 该曲线从永磁体组7的一侧穿入和穿出，且具有方向变化缓慢的特征，只有很少的磁感线会 进入另一侧的空间中。磁感线穿入和穿出永磁体组7的一侧为强磁场侧，另一侧为弱磁场侧。 这样可将尽量多的磁场聚集在有效磁通路径中，减少了漏磁，提高了磁能利用率，并无需铁 心作为磁轭。相比于Halbach永磁体，本发明的次级永磁阵列6的强侧磁场明显增强，弱侧 磁场明显减弱，永磁阵列两端的端部效应减弱。对于相邻两个所述永磁体组7，永磁体组7 中对应位置的永磁体2的充磁方向相差180°。这样设计是为了使相邻永磁体组7的磁场是 互斥的，除了最外侧的两个永磁体组7，其它永磁体组7产生的磁场受到其两侧磁场的排斥 挤压，被限制在其正下方的区域内，这样有利于增大电机推力和悬浮力。图4是图2和图3 所示永磁体组的磁感应强度分布图，图中的箭头表示磁感应强度的方向。从图4中可以看出， 该永磁体组7产生的磁场确实按照前述分析的，聚集在永磁体组7、初级绕组和两者之间的 空隙中，永磁体组7上方几乎没有漏磁；该永磁体组7产生的磁场受到其两侧磁场的排斥挤 压，被限制在其正下方的区域内。
励磁磁势是由次级永磁阵列6提供的，它在气隙5中产生一个正弦波磁场。初级绕组3 中通以三相电流，产生行波磁场，产生促使次级运动的推力。在没有电枢电流的情况下，气 隙磁势是由励磁磁势提供的，当三相绕组中通有三相电流时，气隙磁势是由励磁磁势和电枢 反应磁势相互作用产生的。
采用所述永磁阵列的动铁式永磁直线电机，能提供更大的推力和悬浮力，减少漏磁，并 无需次级铁心，端部效应也明显减小，减小对电机推力和悬浮力的影响。