[發明專利]一種基于縱向端部效應抑制的動磁式永磁同步直線電機設計方法

有效

• 申請號: 201811547793.3
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN109672304B
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 王群京;李國麗
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: H02K15/00
• 分類號: H02K15/00;G06F30/17;G06F30/20
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

本發明提出了一種基于縱向端部效應抑制的動磁式永磁同步直線電機設計方法，從氣隙長度的選擇入手，進而由尺寸設計準則確定電機極距、永磁體磁化方向長度以及永磁體寬度。在磁路計算階段，在磁路模型中引入了修正的漏磁系數來考慮端部效應的影響，而修正的漏磁系數通過由端部磁極漏磁系數與中間磁極漏磁系數有關的“均值法”來獲取，并指出需要根據計算誤差大小來選擇需要調整的預設值，以完成循環計算流程。在最后方案優化階段，提出采用在次級端部增加輔助鐵心形成“輔助極”的方法來抑制端部效應的影響。上述方法針對性強，實施后的良好效果顯著，所完成的動磁式永磁同步直線的設計方案可以獲得較高的推力密度以及較小的推力波動。

技術領域

本發明涉及電機領域，具體涉及到一種基于縱向端部效應抑制的動磁式永磁同步直線電機設計方法。

背景技術

根據運動部件的不同，永磁同步直線電機可分為動電樞式和動磁鋼式兩種類型，如圖1所示。在高速、長行程及往復運動場合中，如數控機床進給系統、電磁彈射系統等，動電樞式直線電機的運動部件是初級電樞，存在動子拖曳導線等問題，因而動磁鋼式直線電機成為首選的技術方案，以保證系統的安全性及可靠性。

由直線電機結構的演變過程可知，縱向端部效應是直線電機中的特有問題。端部效應會對電機氣隙磁場以及軛部磁場產生影響，它也一直是直線電機研究中的重點和熱點。動磁鋼式直線電機存在兩種縱向端部效應：永磁次級有限長所引起的端部效應與初級電樞繞組開斷所引起的端部效應。一般來說，動磁鋼式直線同步電機的初級電樞長度為次級動子的幾倍甚至十幾倍，此時繞組開斷所引起的端部效應可基本忽略，而僅需要重點關注有限長的永磁次級所引起的縱向端部效應。不同于常見的初級電樞繞組開斷所形成的端部效應(其激勵源為隨時間變化的交流電)，動磁式永磁直線同步電機的次級所形成的縱向端部效應為磁極端部永磁體，其激勵源是穩定磁場。論文《初級繞組分段永磁直線同步電機端部效應研究》指出，次級端部永磁體的磁場開斷所引起的端部效應，是動磁式永磁同步直線電機特有的現象，對電機的氣隙磁場和推力特性(推力密度和推力波動)有著顯著的影響，且常規的電機設計方法及計算公式需要經過修正之后才能適用于該類型直線電機。

目前諸多“高精尖”的技術領域均對永磁直線電機的性能指標提出了嚴苛的要求，這就需要在電機研發過程中能夠盡量發掘電機潛能，進行精細化的設計，以實現電機性能的極致發揮。永磁次級所引起的縱向端部效應若能在設計過程中得到有效抑制和處理，可以提升電機的推力密度，降低電機的推力波動，且能改善電機在工況周期內的非線性磁鏈特征，進而降低對電機控制系統的技術要求。因此，基于縱向端部效應抑制的動磁式永磁同步直線電機設計方法的實施具有重要的意義和實用價值。

發明內容

本發明的目的是為了解決次級端部永磁磁場縱向端部效應對動磁式永磁直線同步電機性能的影響，而針對性地提出具有端部效應抑制效果的電機電磁設計方法。該方案通對電機在設計階段的準確計算和電磁優化，可以保證電機推力性能的提升，并改善電機的控制特性。

為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：一種基于縱向端部效應抑制的動磁式永磁同步直線電機設計方法，該方法包括如下步驟：

動磁式永磁同步直線電機包括長行程初級電樞鐵心、電樞線圈、次級永磁體和次級軛部等。初級繞組可以采用集中繞組或分布繞組等類型。次級動子可為表貼式永磁體結構，也可為內嵌式永磁體結構。初級和次級之間是氣隙，初、次級未耦合的部分形成半開域磁場。電機的外形結構可以為平板型，也可以為圓筒型；可以是雙邊初級結構，也可以是單邊結構。

次級縱向端部效應的強弱與氣隙長度、端部磁極的剩磁、形狀、以及基本尺寸比(氣隙長度g/極距τ及永磁體厚度h_m/極距τ)緊密相關。本發明所提出的設計方法即是基于此理論，來確定此類永磁直線電機的關鍵設計參數選取，以及設計循環流程，其包括主要如下步驟：