一种非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机

1.本发明涉及直线电机领域，尤其是一种非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机。


背景技术：

2.相比于气悬浮，磁悬浮具有大刚度、承载力高的优点，并且可以适应超洁净和真空制造环境，无需精密加工气浮支撑表面从而降低制造成本，因此被广泛使用。
3.在磁悬浮应用中，根据悬浮力和驱动力是否由同一部件提供，磁悬浮直线定位平台又可以分为两类：一类是采用两个部件分别来实现悬浮和驱动，即采用磁悬浮直线导轨实现悬浮，采用直线电机实现驱动，类比于旋转电机中的磁悬浮轴承电机。针对精密运动控制领域，磁悬浮导轨与直线电机相结合的直驱形式无法彻底解决系统多点支撑、模型非线性以及系统强耦合的问题，尚不能实现电磁力的精确控制。此外，系统在运动侧馈电，无法实现无线缆运动的同时还增大了冷却系统的设计难度。
4.因此目前更为常用的是采用同一个部件来实现悬浮和驱动，类似于旋转电机中的无轴承电机。相较于磁悬浮导轨与直线电机的组合方案，直接使用磁悬浮永磁直线同步电机可以简化直线定位平台结构，降低装置复杂程度，使系统控制更简单。
5.然而，目前常用的由一套绕组同时实现悬浮和推进功能的磁悬浮永磁直线同步电机的悬浮力控制与推力控制间存在耦合，增大了系统控制难度。


技术实现要素：

6.本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机，本发明的技术方案如下：
7.一种非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机，该非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机包括形成为电机定子的初级结构以及形成为电机动子的次级结构；
8.初级结构包括沿着垂直于水平面的法向方向相对设置的上层推进初级和下层悬浮初级，上层推进初级包括上层铁芯和推进绕组，下层悬浮初级包括下层铁芯和悬浮绕组，上层铁芯的齿与下层铁芯的齿正对设置且上层铁芯沿着法向方向的厚度大于下层铁芯；
9.次级结构设置在上层推进初级和下层悬浮初级之间，次级结构包括背轭铁芯、设置在背轭铁芯的上表面的若干个上层永磁体、设置在背轭铁芯的下表面的若干个下层永磁体，上层永磁体和下层永磁体均沿着法向方向充磁，每个上层永磁体及其对应的下层永磁体正对设置在背轭铁芯的两侧表面且充磁方向相反，相邻上层永磁体的充磁方向相反、相邻下层永磁体的充磁方向相反，上层永磁体沿着法向方向的厚度大于下层永磁体；
10.上层推进初级和下层悬浮初级与次级结构在法向方向的空载法向力之差作为悬浮力，悬浮绕组用于调节悬浮力，推进绕组用于调节推进力。
11.其进一步的技术方案为，悬浮气隙与推进气隙的气隙宽度不相等、实现双边气隙不等宽设计，悬浮气隙是下层悬浮初级与次级结构之间的气隙，推进气隙是上层推进初级
与次级结构之间的气隙。
12.其进一步的技术方案为，当非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机启动时，悬浮气隙的气隙宽度小于推进气隙；当非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机稳定悬浮时，悬浮气隙的气隙宽度大于推进气隙。
13.其进一步的技术方案为，下层悬浮初级的上表面设置有保护垫，当非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机不工作时，次级结构落于保护垫上，保证下层永磁体与下层铁芯之间存在间隙。
14.其进一步的技术方案为，上层铁芯和下层铁芯均沿着水平面的纵向开齿，上层铁芯的齿宽、槽宽、水平面的横向宽度以及水平面的纵向长度均与下层铁芯相同，水平面的横向在水平面上垂直于纵向。
15.其进一步的技术方案为，背轭铁芯的水平面的纵向长度小于上层铁芯和下层铁芯。
16.其进一步的技术方案为，悬浮驱动控制器控制悬浮绕组以调节悬浮力，推进驱动控制器控制推进绕组以调节推进力。
17.其进一步的技术方案为，悬浮驱动控制器采用iq＝0的控制策略控制悬浮绕组以调节悬浮力，推进驱动控制器采用id＝0的控制策略控制推进绕组以调节推进力，iq为q轴电流，id为d轴电流。
18.本发明的有益技术效果是：
19.本技术公开了一种非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机，该电机的初级结构采用双边结构，实现了悬浮系统与推进系统“电路”、“磁路”双解耦，简化了系统数学模型，降低了系统控制难度。同时结合悬浮系统“启动时过载”和“悬浮时轻载”的工作特性，设计双边初级和双边永磁体为非对称结构，降低了电机整体体积，有助于提升电机力密度。利用双边初级与次级间空载法向力之差作为悬浮力，实现了悬浮工作时悬浮子系统极低功耗运行。采用双边气隙不等宽设计，启动时悬浮绕组侧气隙较窄，稳定悬浮时推进绕组侧气隙较窄，增强了悬浮力与推力、负载重力间的适配性，解决了传统单边式结构中存在的“法向力远大于重力和推力”的问题。同时电机次级用作动子，运动侧无需馈电，可实现无线缆运动，消除线缆力扰动的同时有利于进一步简化装置结构。
附图说明
20.图1是该非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机启动时的结构示意图。
21.图2是该非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机稳定悬浮时的结构示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
23.本技术公开了一种非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机，该非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机包括形成为电机定子的初级结构以及形成为电机动子的次级结构。
24.请参考图1，初级结构包括沿着垂直于水平面的法向方向(图1中z方向)相对设置的上层推进初级1和下层悬浮初级2，上层推进初级1包括上层铁芯11和推进绕组12，下层悬
浮初级2包括下层铁芯21和悬浮绕组22。
25.上层铁芯11与下层铁芯21平行设置，且上层铁芯11的齿与下层铁芯21的齿正对设置，不能存在错位。上层铁芯11沿着法向方向的厚度大于下层铁芯21，形成非对称结构。
26.除了法向方向z方向的厚度不同之外，上层铁芯11与下层铁芯21的其他规格参数一般相同，包括：上层铁芯11和下层铁芯21均沿着水平面的纵向(图1中y方向)开齿，上层铁芯11的齿宽、槽宽、水平面的横向宽度以及水平面的纵向长度均与下层铁芯相同，水平面的横向在水平面上垂直于纵向，水平面的横向方向垂直于图1中的yz平面向内。
27.次级结构3设置在上层推进初级1和下层悬浮初级2之间，次级结构3包括背轭铁芯31、设置在背轭铁芯31的上表面的若干个上层永磁体32、设置在背轭铁芯31的下表面的若干个下层永磁体33。其中背轭铁芯31的上表面是背轭铁芯31的朝向上层推进初级1的表面，背轭铁芯31的下表面是背轭铁芯31的朝向下层悬浮初级2的表面。
28.上层永磁体32和下层永磁体33均沿着法向方向充磁，每个上层永磁体32及其对应的下层永磁体33正对设置在背轭铁芯31的两侧表面且充磁方向相反。相邻的两个上层永磁体32的充磁方向相反、相邻的两个下层永磁体33的充磁方向相反，如图1示出了每个永磁体的充磁方向。上层永磁体32沿着法向方向的厚度大于下层永磁体33。
29.在一个实施例中，下层悬浮初级2在靠近次级结构3的一侧的上表面还设置有保护垫，图1中未示出。当该非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机不工作时，次级结构3落于保护垫上，从而保证下层永磁体33与下层铁芯21之间存在间隙。背轭铁芯31的水平面的纵向的长度小于上层铁芯11和下层铁芯21，可选的，背轭铁芯31的水平面的横向端部设置有安装孔，用于通过连接件与负载台连接。
30.下层悬浮初级2与次级结构3在法向方向的空载法向力f
z1
，和上层推进初级1与次级结构3在法向方向的空载法向力f
z2
之差f
z1-f
z2
作为悬浮力。悬浮绕组22用于调节悬浮力，推进绕组12用于调节推进力。在本技术中，悬浮绕组22和推进绕组12分别由两个不同的驱动器控制，悬浮驱动控制器控制悬浮绕组22以调节悬浮力，推进驱动控制器控制推进绕组12以调节推进力。具体的，悬浮驱动控制器以初级结构与次级结构之间的气隙宽度的偏差为输入量，采用iq＝0的控制策略控制悬浮绕组以调节悬浮力，实时补偿控制。推进驱动控制器采用id＝0的控制策略控制推进绕组以调节推进力，iq为q轴电流，id为d轴电流。
31.双边结构实现了悬浮系统与推进系统“电路”、“磁路”双解耦，简化了系统数学模型，降低了系统控制难度。结合悬浮系统“启动时过载”和“悬浮时轻载”的工作特性，设计双边初级为非对称结构，降低了电机整体体积，有助于提升电机力密度，利用双边初级与次级间空载法向力之差作为悬浮力，实现了悬浮工作时悬浮子系统极低功耗运行。
32.基于本技术的结构，该非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机的悬浮气隙与推进气隙的气隙宽度不相等、实现双边气隙不等宽设计，其中，悬浮气隙是下层悬浮初级2与次级结构3之间的气隙，推进气隙是上层推进初级1与次级结构3之间的气隙。当非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机启动时，悬浮气隙的气隙宽度小于推进气隙，如图1所示。当非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机稳定悬浮时，悬浮气隙的气隙宽度大于推进气隙，如图2所示。采用双边气隙不等宽设计，启动时悬浮绕组侧悬浮气隙较窄，稳定悬浮时推进绕组侧推进气隙较窄，增强了悬浮力与推力、负载重力间的适配性，解决了传统单边式结构中存在的“法向力远大于重力和推力”的问题。
33.以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，所述非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机包括形成为电机定子的初级结构以及形成为电机动子的次级结构；所述初级结构包括沿着垂直于水平面的法向方向相对设置的上层推进初级和下层悬浮初级，所述上层推进初级包括上层铁芯和推进绕组，所述下层悬浮初级包括下层铁芯和悬浮绕组，所述上层铁芯的齿与所述下层铁芯的齿正对设置且所述上层铁芯沿着法向方向的厚度大于所述下层铁芯；所述次级结构设置在所述上层推进初级和下层悬浮初级之间，所述次级结构包括背轭铁芯、设置在所述背轭铁芯的上表面的若干个上层永磁体、设置在所述背轭铁芯的下表面的若干个下层永磁体，上层永磁体和下层永磁体均沿着法向方向充磁，每个上层永磁体及其对应的下层永磁体正对设置在所述背轭铁芯的两侧表面且充磁方向相反，相邻上层永磁体的充磁方向相反、相邻下层永磁体的充磁方向相反，所述上层永磁体沿着法向方向的厚度大于所述下层永磁体；上层推进初级和下层悬浮初级与所述次级结构在法向方向的空载法向力之差作为悬浮力，悬浮绕组用于调节悬浮力，推进绕组用于调节推进力。2.根据权利要求1所述的非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，悬浮气隙与推进气隙的气隙宽度不相等、实现双边气隙不等宽设计，所述悬浮气隙是所述下层悬浮初级与所述次级结构之间的气隙，所述推进气隙是所述上层推进初级与所述次级结构之间的气隙。3.根据权利要求2所述的非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，当所述非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机启动时，所述悬浮气隙的气隙宽度小于所述推进气隙；当所述非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机稳定悬浮时，所述悬浮气隙的气隙宽度大于所述推进气隙。4.根据权利要求1所述的非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，所述下层悬浮初级的上表面设置有保护垫，当所述非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机不工作时，所述次级结构落于所述保护垫上，保证所述下层永磁体与所述下层铁芯之间存在间隙。5.根据权利要求1所述的非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，所述上层铁芯和所述下层铁芯均沿着水平面的纵向开齿，所述上层铁芯的齿宽、槽宽、水平面的横向宽度以及水平面的纵向长度均与所述下层铁芯相同，水平面的横向在水平面上垂直于纵向。6.根据权利要求5所述的非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，所述背轭铁芯的水平面的纵向长度小于所述上层铁芯和所述下层铁芯。7.根据权利要求1所述的非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，悬浮驱动控制器控制悬浮绕组以调节悬浮力，推进驱动控制器控制推进绕组以调节推进力。8.根据权利要求7所述的非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，悬浮驱动控制器采用i
q
＝0的控制策略控制所述悬浮绕组以调节悬浮力，推进驱动控制器采用i
d
＝0的控制策略控制所述推进绕组以调节推进力，i
q
为q轴电流，i
d
为d轴电流。

技术总结
本发明公开了一种非对称双边长初级磁悬浮永磁直线同步电机，涉及直线电机领域，该电机包括形成为电机定子的初级结构以及形成为电机动子的次级结构，初级结构包括上层推进初级和下层悬浮初级，上层铁芯沿着法向方向的厚度大于下层铁芯；次级结构设置在上层推进初级和下层悬浮初级之间，次级结构的上层永磁体沿着法向方向的厚度大于下层永磁体。该电机的初级结构采用双边结构，实现了悬浮力控制与推进力控制双解耦，降低了系统控制难度，非对称设计有利于提升电机力密度、实现极低功耗运行以及增强悬浮力与推力、负载重力间的适配性，且次级用作动子，运动侧无需馈电，可实现无线缆运动有利于进一步简化装置结构。运动有利于进一步简化装置结构。运动有利于进一步简化装置结构。


技术研发人员：谭强 刘岩松 杨岳 张雅妮 黄旭珍
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.02.21
技术公布日：2022/5/25