一种初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机

1.本发明涉及磁悬浮永磁直线同步电机领域，尤其是一种初级错齿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，而且三维电磁力波动较大、电机定位精度难以满足要求。


技术实现要素：

6.本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机，本发明的技术方案如下：
7.一种初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机，该初级错齿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和形成为电机动子的次级结构；
8.初级结构和次级结构沿着垂直于水平面的法向方向相对设置，初级结构包括沿着水平面布设的两个悬浮初级和一个推进初级，每个初级分别包括铁芯以及安装在铁芯上的绕组、三个初级的铁芯的槽口朝向次级结构，三个初级在水平面上沿着水平横向依次间隔布设，推进初级位于两个悬浮初级之间，两个悬浮初级在水平纵向上对齐，推进初级在水平纵向与两侧的两个悬浮初级错开预定距离，水平纵向与水平横向在水平面上相互垂直；
9.次级结构包括沿着水平面布设的若干个永磁体，多个永磁体在水平面上沿着水平纵向依次间隔布设，每个永磁体均沿着法向方向充磁且相邻的永磁体的充磁方向相反；
10.悬浮驱动控制器根据初级结构和次级结构之间的气隙宽度控制两个悬浮初级的绕组以调节悬浮力，推进驱动控制器控制推进初级的绕组以调节推进力。
11.其进一步的技术方案为，两个悬浮初级的参数规格相同，推进初级的铁芯与两个悬浮初级的铁芯的槽距、齿宽、齿高以及沿着水平纵向的长度均相等。
12.其进一步的技术方案为，推进初级的铁芯在水平纵向与两侧的两个悬浮初级的铁芯错开的预定距离与三个初级包含的铁芯的槽距相关。
13.其进一步的技术方案为，推进初级的铁芯在水平纵向与两侧的两个悬浮初级的铁芯错开的预定距离为τs/2，其中，τs为三个初级包含的铁芯的槽距。
14.其进一步的技术方案为，推进初级的铁芯与两个悬浮初级的铁芯沿着法向方向的高度相等或不相等。
15.其进一步的技术方案为，两个悬浮初级和一个推进初级中的绕组均采用集中式绕组并嵌装在对应的铁芯的齿上，两个悬浮初级的绕组和一个推进初级的绕组的间隙填充有绝缘材料。
16.其进一步的技术方案为，次级结构还包括背轭铁芯，若干个永磁体设置在背轭铁芯上形成次级结构，且次级结构沿着水平纵向的长度小于三个初级沿着水平纵向的长度。
17.其进一步的技术方案为，背轭铁芯的表面上开设有若干个凹槽，各个永磁体分别固定设置在各个凹槽内。
18.其进一步的技术方案为，悬浮驱动控制器采用iq＝0的控制策略控制两个悬浮初级的绕组以调节悬浮力，推进驱动控制器采用id＝0的控制策略控制推进初级的绕组以调节推进力，iq为q轴电流，id为d轴电流。
19.其进一步的技术方案为，悬浮驱动控制器以初级结构和次级结构之间的气隙宽度的偏差量为输入、实时在线控制两个悬浮初级的绕组以调节悬浮力。
20.本发明的有益技术效果是：
21.本技术公开了一种初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机，该初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机的初级结构包括三组初级形成分段式结构，实现了悬浮系统与推进系统的电路和磁路的双解耦，且利用推进初级和悬浮初级之间的错齿结构，实现了全负载范围电机三维电磁力波动的有效抑制，减少了控制环节与控制难度，降低了电机三维电磁力波动，提升了电机系统直线定位精度。
附图说明
22.图1是本技术的一个实施例中的初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机的结构图。
23.图2是图1所示的结构中一个实施例的沿着水平纵向y方向的正视图。
24.图3是图1所示的结构中另一个实施例的沿着水平纵向y方向的正视图。
25.图4是图1所示的结构中沿着法向方向z方向的正视图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
27.本技术公开了一种初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机，该初级错齿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1和形成为电机动子的次级结构2。初级结构1和次级结构2沿着垂直于水平面的法向方向(z方向)相对设置，在电机正常工作时，初级结构1和次级结构2之间形成气隙。可选的，如图1所示，初级结构1安装在转接板3上。
28.请参考图2所示的沿着图1中水平面的水平纵向(y方向)的正视图，初级结构1在水平面上沿着水平横向(x方向)分为三段，包括沿着水平面布设的两个悬浮初级11和一个推
进初级12，其中水平纵向与水平横向在水平面上相互垂直。三个初级在水平面上沿着水平横向依次间隔布设，推进初级12位于两个悬浮初级11之间。
29.每个初级分别包括铁芯以及安装在铁芯上的绕组，三个初级的铁芯的槽口均朝向次级结构2。为了便于区分，每个悬浮初级11包括悬浮铁芯11a和悬浮绕组11b，推进初级12包括推进铁芯12a和推进绕组12b。
30.两个悬浮初级11的参数规格完全相同，包括两个悬浮铁芯11a的参数规格相同、两个悬浮绕组11b的参数规格相同，以及悬浮铁芯与悬浮绕组的连接方式均相同。推进铁芯12a与两个悬浮铁芯11a的槽距、齿宽、齿高以及沿着水平纵向的长度均相等。在一个实施例中，两个悬浮铁芯11a和一个推进铁芯12a均采用直齿结构，均由硅钢片沿横向叠置而成。
31.基于上述特征，在一个实施例中，两个悬浮铁芯11a和一个推进铁芯12a的参数规格完全相同，也即除了上述各种参数相同之外，推进铁芯12a与两个悬浮铁芯11a沿着法向方向的高度也相等，如图2所示。在另一个实施例中，两个悬浮铁芯11a和一个推进铁芯12a的上述各种参数相同，但是推进铁芯12a与两个悬浮铁芯11a沿着法向方向的高度不相等，如图3所示，以推进铁芯12a沿着法向方向z方向的高度小于两个悬浮铁芯11a为例。
32.在一个实施例中，推进绕组12b和两个悬浮绕组11b的参数规格相同，且与各自对应的铁芯的连接方式也相同。推进绕组12b和两个悬浮绕组11b均采用集中式绕组，将导线绕制成矩形线圈，经纱带包扎定型，再经浸漆烘干处理后，嵌装在对应的铁芯的齿上。且可选的，两个悬浮绕组11b和推进绕组12b的间隙填充有绝缘材料，比如采用环氧硅脂等绝缘材料。
33.无论是采用图2还是图3还是其他实施例的结构，如图4所示的沿着法向方向的正视图，两个悬浮初级11在水平纵向y方向上对齐。推进初级12在水平纵向y方向上与两侧的两个悬浮初级错开预定距离d，也即推进铁芯12a与两个悬浮铁芯11a错开预定距离d。进一步的，推进铁芯12a在水平纵向与两侧的两个悬浮铁芯11a错开的预定距离d与三个初级所包含的铁芯的槽距相关。具体的，推进初级的铁芯在水平纵向与两侧的两个悬浮初级的铁芯错开的预定距离为d＝τs/2，其中，τs为三个初级包含的铁芯的槽距。
34.如图1所示，次级结构2包括沿着水平面布设的若干个永磁体21，多个永磁体21在水平面上沿着水平纵向y方向依次间隔布设，每个永磁体21的长度方向沿着水平横向x方向。每个永磁体21均沿着法向方向充磁且相邻的永磁体的充磁方向相反。可选的，次级结构2还包括背轭铁芯22，若干个永磁体21设置在背轭铁芯22上形成次级结构2，且永磁体21一侧朝向初级结构1。次级结构2沿着水平纵向y方向的长度小于三个初级沿着水平纵向的长度，也即小于所有初级的铁芯的长度。可选的，背轭铁芯22的表面上开设有若干个与永磁体21的结构匹配的凹槽，各个永磁体21分别固定设置在各个凹槽内，以利于固定永磁体21，永磁体21与背轭铁芯22可以通过粘贴等方式进行固定。另外，背轭铁芯22在水平横向x方向的端部设置有安装孔，用于通过连接件与负载台连接。
35.悬浮驱动控制器根据初级结构和次级结构之间的气隙宽度控制两个悬浮初级11的绕组以调节悬浮力。具体的，两个悬浮绕组11b分别通过两个不同的悬浮驱动控制器协同控制。悬浮驱动控制器采用iq＝0的控制策略控制两个悬浮初级的绕组以调节悬浮力，iq为q轴电流，且以初级结构和次级结构之间的气隙宽度的偏差量为输入、实时在线控制两个悬浮初级的绕组以调节悬浮力。
36.推进驱动控制器控制推进初级12的绕组以调节推进力，具体的，推进驱动控制器采用id＝0的控制策略控制推进初级的绕组以调节推进力，id为d轴电流。
37.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：
1.一种初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，所述初级错齿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和形成为电机动子的次级结构；所述初级结构和所述次级结构沿着垂直于水平面的法向方向相对设置，所述初级结构包括沿着水平面布设的两个悬浮初级和一个推进初级，每个初级分别包括铁芯以及安装在铁芯上的绕组、三个初级的铁芯的槽口朝向所述次级结构，三个初级在水平面上沿着水平横向依次间隔布设，所述推进初级位于两个悬浮初级之间，两个悬浮初级在水平纵向上对齐，所述推进初级在水平纵向与两侧的两个悬浮初级错开预定距离，水平纵向与水平横向在水平面上相互垂直；所述次级结构包括沿着水平面布设的若干个永磁体，多个永磁体在水平面上沿着水平纵向依次间隔布设，每个永磁体均沿着法向方向充磁且相邻的永磁体的充磁方向相反；悬浮驱动控制器根据所述初级结构和所述次级结构之间的气隙宽度控制两个悬浮初级的绕组以调节悬浮力，推进驱动控制器控制所述推进初级的绕组以调节推进力。2.根据权利要求1所述的初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，两个悬浮初级的参数规格相同，所述推进初级的铁芯与两个悬浮初级的铁芯的槽距、齿宽、齿高以及沿着水平纵向的长度均相等。3.根据权利要求2所述的初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，所述推进初级的铁芯在水平纵向与两侧的两个悬浮初级的铁芯错开的所述预定距离与三个初级包含的铁芯的槽距相关。4.根据权利要求3所述的初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，所述推进初级的铁芯在水平纵向与两侧的两个悬浮初级的铁芯错开的预定距离为τ
s
/2，其中，τ
s
为三个初级包含的铁芯的槽距。5.根据权利要求2所述的初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，所述推进初级的铁芯与两个悬浮初级的铁芯沿着法向方向的高度相等或不相等。6.根据权利要求1所述的初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，两个悬浮初级和一个推进初级中的绕组均采用集中式绕组并嵌装在对应的铁芯的齿上，两个悬浮初级的绕组和一个推进初级的绕组的间隙填充有绝缘材料。7.根据权利要求1所述的初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，所述次级结构还包括背轭铁芯，若干个永磁体设置在所述背轭铁芯上形成所述次级结构，且所述次级结构沿着水平纵向的长度小于三个初级沿着水平纵向的长度。8.根据权利要求7所述的初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，所述背轭铁芯的表面上开设有若干个凹槽，各个永磁体分别固定设置在各个凹槽内。9.根据权利要求1所述的初级错齿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的控制策略控制两个悬浮初级的绕组以调节悬浮力，推进驱动控制器采用i
d
＝0的控制策略控制所述推进初级的绕组以调节推进力，i
q
为q轴电流，i
d
为d轴电流。10.根据权利要求1所述的初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于，所述悬浮驱动控制器以所述初级结构和所述次级结构之间的气隙宽度的偏差量为输入、实时在线控制两个悬浮初级的绕组以调节悬浮力。

技术总结
本发明公开了一种初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机，涉及磁悬浮永磁直线同步电机领域，该初级错齿磁悬浮永磁直线同步电机的初级结构和次级结构沿着垂直于水平面的法向方向相对设置，初级结构包括沿着水平面布设的两个悬浮初级和一个推进初级形成分段式结构，两个悬浮初级在水平纵向上对齐，推进初级在水平纵向与两侧的两个悬浮初级错开预定距离形成错齿结构，悬浮初级的绕组和推进初级的绕组分别用于调节悬浮力和推进力。该电机实现了悬浮系统与推进系统的电路和磁路的双解耦，实现了全负载范围电机三维电磁力波动的有效抑制，减少了控制环节与控制难度，降低了电机三维电磁力波动，提升了电机系统直线定位精度。提升了电机系统直线定位精度。提升了电机系统直线定位精度。


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