一种双边无铁芯永磁同步直线电机

1.本发明属于电机技术领域，特别是涉及一种双边无铁芯永磁同步直线电机。


背景技术：

2.双边无铁芯永磁同步直线电机由于法向力互相抵消，没有齿槽力，具有推力波动小的特点，被广泛应用在高精密的加工中，是光刻机中的重要驱动。电机的两边由固定永磁体产生磁场，中间由通电线圈构成动子，通电线圈在磁场中受力的作用产生运动。磁场强度越大，动子产生推力越大；气隙磁场的正弦性越好，推力波动越小。两侧的固定磁极产生的磁场对输出性能有很大影响，常应用于双边无铁心永磁同步直线电机磁极阵列是哈尔巴赫(halbach)磁极阵列。双边无铁心永磁同步直线电机的推力波动是一个重要的指标，然而降低推力波动往往伴随着推力密度的减小。在外部尺寸确定的情况下，传统halbach磁极阵列产生的气隙磁场往往正弦性不好，推力波动大，在相同磁极用量下输出性能不能达到最大化。


技术实现要素：

3.基于此，本发明的目的在于提供一种气隙磁密正弦性更高的双边无铁心永磁同步直线电机。
4.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.一种双边无铁芯永磁同步直线电机，包括动子以及定子，所述动子包括线圈绕组和绕组连接板；所述定子包括上侧磁极阵列和下侧磁极阵列；所述动子滑设于所述上侧磁极阵列和所述下侧磁极阵列之间；
6.所述上侧磁极阵列由多个磁路闭合的上侧磁极构型单元依次拼接构成，相邻的两个所述上侧磁极构型单元的磁路走势方向相反；所述上侧磁极构型单元包括一个横截面为等腰三角形的第一磁极、两个横截面为直角三角形的第二磁极和两个横截面为矩形的第三磁极，所述第一磁极的腰边侧面与所述第二磁极的斜边侧面拼合，所述第三磁极的直角侧面与所述第二磁极的直角侧面拼合；
7.同一个所述上侧磁极构型单元中，当所述第一磁极的充磁方向为水平向左充磁时，位于所述第一磁极左侧方向的所述第二磁极的充磁方向为斜向右下充磁，位于所述第一磁极左侧方向的所述第三磁极的充磁方向为竖直向下充磁，位于所述第一磁极右侧方向的所述第二磁极的充磁方向为斜向左上充磁，位于所述第一磁极右侧方向的所述第三磁极的充磁方向为竖直向上充磁；当所述第一磁极的充磁方向为水平向右充磁时，位于所述第一磁极左侧方向的所述第二磁极的充磁方向为斜向右上充磁，位于所述第一磁极左侧方向的所述第三磁极的充磁方向为竖直向上充磁，位于所述第一磁极右侧方向的所述第二磁极的充磁方向为斜向右下充磁，位于所述第一磁极右侧方向的所述第三磁极的充磁方向为竖直向下充磁；其中，充磁方向为竖直向上的第三磁极的宽度大于充磁方向为竖直向下的第三磁极的宽度；
8.所述下侧磁极阵列由多个磁路闭合的下侧磁极构型单元依次拼接构成，相邻的两个所述下侧磁极构型单元的磁路走势方向相反；所述下侧磁极构型单元包括一个横截面为等腰三角形的第四磁极、两个横截面为直角三角形的第五磁极和两个横截面为矩形的第六磁极，所述第四磁极的腰边侧面与所述第五磁极的斜边侧面拼合，所述第六磁极的直角侧面与所述第五磁极的直角侧面拼合；
9.同一个所述下侧磁极构型单元中，当所述第四磁极的充磁方向为水平向左充磁时，位于所述第四磁极左侧方向的所述第五磁极的充磁方向为斜向左上充磁，位于所述第四磁极左侧方向的所述第六磁极的充磁方向为竖直向上充磁，位于所述第四磁极右侧方向的所述第五磁极的充磁方向为斜向左下充磁，位于所述第四磁极右侧方向的所述第六磁极的充磁方向为竖直向下充磁；当所述第四磁极的充磁方向为水平向右充磁时，位于所述第四磁极左侧方向的所述第五磁极的充磁方向为斜向右下充磁，位于所述第四磁极左侧方向的所述第六磁极的充磁方向为竖直向下充磁，位于所述第四磁极右侧方向的所述第五磁极的充磁方向为斜向右上充磁，位于所述第四磁极右侧方向的所述第六磁极的充磁方向为竖直向上充磁；其中，充磁方向为竖直向下的第六磁极的宽度大于充磁方向为竖直向上的第六磁极的宽度；
10.充磁方向为竖直向下的所述第三磁极的中心线与充磁方向为竖直向下的所述第六磁极的中心线在同一条直线上；
11.充磁方向为竖直向上的所述第三磁极的中心线与充磁方向为竖直向上的所述第六磁极的中心线在同一条直线上。
12.作为本发明的优选方案，相邻的两个所述上侧磁极构型单元中，位于前一个磁极构型单元右侧的第三磁极与位于后一个磁极构型单元左侧的第三磁极为同一个磁极；相邻的两个所述下侧磁极构型单元中，位于前一个磁极构型单元右侧的第六磁极与位于后一个磁极构型单元左侧的第六磁极为同一个磁极。
13.作为本发明的优选方案，所述第二磁极的充磁方向平行于所述第二磁极的斜边；所述第四磁极的充磁方向平行于所述第四磁极的斜边。
14.作为本发明的优选方案，所述第二磁极的充磁方向与所述第一磁极的充磁方向所形成的夹角为45度；所述第五磁极的充磁方向与所述第四磁极的充磁方向所形成的夹角为45度。
15.作为本发明的优选方案，所述定子包括呈上下间隔布置的上背铁和下背铁，所述上背铁的两端和所述下背铁的两端分别通过端板连接固定并形成具有开口的腔体，所述上侧磁极阵列固定在所述上背铁的下表面，所述下侧磁极阵列固定在所述下背铁的上表面。
16.作为本发明的优选方案，所述绕组连接板的部分从所述腔体的开口伸出并形成用于外接执行部件的连接部。
17.作为本发明的优选方案，所述端板的内侧面设有与所述动子移动方向相对的橡胶垫。
18.实施本发明实施例的双边无铁芯永磁同步直线电机，与现有技术相比较，具有如下有益效果：
19.本发明实施例的双边无铁芯永磁同步直线电机采用新型双边halbach磁极构型，磁极错位和磁极不等宽相结合，在极距不变的前提下，改变了竖直充磁的主磁极宽度，这种
结构有利于提高气隙磁场波形正弦性，对比传统halbach构型具有更高的可调性，有助于对电机整体达到更高的性能；并且，这种新型双边halbach磁极构型还能够有效的提升基波幅值进一步的提高输出力，同时减小推力波动，在相同磁极用量下实现输出性能最大化；此外，该新型双边halbach磁极构型还能够适用于双层的旋转电机。
附图说明
20.图1是本发明实施例的双边无铁芯永磁同步直线电机的结构示意图；
21.图2是本发明实施例的双边无铁芯永磁同步直线电机的主视图；
22.图3是新型双边halbach磁极构型的结构示意图；
23.图4是传统halbach磁极构型的结构示意图；
24.图5是传统halbach磁极构型和本实施例的新型双边halbach磁极构型分别运用于双边无铁芯永磁同步直线电机时的气隙磁密波形对比图；
25.图6是传统halbach磁极构型和本实施例的新型双边halbach磁极构型分别运用于双边无铁芯永磁同步直线电机的fft对比图；
26.图7是传统halbach磁极构型和本实施例的新型双边halbach磁极构型分别应用于双边无铁芯永磁同步直线电机的输出力的均值和波动对比图；
27.图8是异构型halbach磁极构型的结构示意图；
28.图9是传统halbach磁极构型和异构型halbach磁极构型分别运用于双边无铁芯永磁同步直线电机时的气隙磁密波形对比图；
29.图10是传统halbach磁极构型和异构型halbach磁极构型分别运用于双边无铁芯永磁同步直线电机时的fft对比图。
30.图中标记：动子1；定子2；上侧磁极阵列3；下侧磁极阵列4；上背铁5；下背铁6；端板7；线圈绕组8；绕组连接板9；橡胶垫10；第一磁极31；第二磁极32；第三磁极33；第四磁极41；第五磁极42；第六磁极43。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种双边无铁芯永磁同步直线电机，包括动子1以及定子2。
33.所述定子2包括呈上下间隔布置的上侧磁极阵列3和下侧磁极阵列4；为了减少磁极阵列漏磁侧的漏磁所述定子2包括呈上下间隔布置的上背铁5和下背铁6，所述上背铁5的两端和所述下背铁6的两端分别通过端板7连接固定并形成具有开口的腔体，所述上侧磁极阵列3固定在所述上背铁5的下表面，所述下侧磁极阵列4固定在所述下背铁6的上表面。
34.所述动子1包括线圈绕组8和绕组连接板9，所述线圈绕组8为三相绕组，分别沿磁极阵列的长度方向依次绕制在所述绕组连接板9上；所述动子1滑设于所述上侧磁极阵列3和所述下侧磁极阵列4之间，在线圈绕组8通电后产生的磁场与磁极阵列的磁场相互作用下
能沿磁极阵列的长度移动；所述绕组连接板9的部分从所述腔体的开口伸出并形成用于外接执行部件的连接部。进一步地，所述端板7的内侧面设有与所述动子1移动方向相对的橡胶垫10，以缓冲动子1移动至极限位置时对端板7的碰撞力。
35.如图3所示，本实施例中，所述上侧磁极阵列3由多个磁路闭合的上侧磁极构型单元依次拼接构成，相邻的两个所述上侧磁极构型单元的磁路走势方向相反；所述上侧磁极构型单元包括一个横截面为等腰三角形的第一磁极31、两个横截面为直角三角形的第二磁极32和两个横截面为矩形的第三磁极33，所述第一磁极31的腰边侧面与所述第二磁极32的斜边侧面拼合，所述第三磁极33的直角侧面与所述第二磁极32的直角侧面拼合；同一个所述上侧磁极构型单元中，当所述第一磁极31的充磁方向为水平向左充磁时，位于所述第一磁极31左侧方向的所述第二磁极32的充磁方向为斜向右下充磁，位于所述第一磁极31左侧方向的所述第三磁极33的充磁方向为竖直向下充磁，位于所述第一磁极31右侧方向的所述第二磁极32的充磁方向为斜向左上充磁，位于所述第一磁极31右侧方向的所述第三磁极33的充磁方向为竖直向上充磁；当所述第一磁极31的充磁方向为水平向右充磁时，位于所述第一磁极31左侧方向的所述第二磁极32的充磁方向为斜向右上充磁，位于所述第一磁极31左侧方向的所述第三磁极33的充磁方向为竖直向上充磁，位于所述第一磁极31右侧方向的所述第二磁极32的充磁方向为斜向右下充磁，位于所述第一磁极31右侧方向的所述第三磁极33的充磁方向为竖直向下充磁；其中，充磁方向为竖直向上的第三磁极33的宽度大于充磁方向为竖直向下的第三磁极33的宽度。所述下侧磁极阵列4由多个磁路闭合的下侧磁极构型单元依次拼接构成，相邻的两个所述下侧磁极构型单元的磁路走势方向相反；所述下侧磁极构型单元包括一个横截面为等腰三角形的第四磁极41、两个横截面为直角三角形的第五磁极42和两个横截面为矩形的第六磁极43，所述第四磁极41的腰边侧面与所述第五磁极42的斜边侧面拼合，所述第六磁极43的直角侧面与所述第五磁极42的直角侧面拼合；同一个所述下侧磁极构型单元中，当所述第四磁极41的充磁方向为水平向左充磁时，位于所述第四磁极41左侧方向的所述第五磁极42的充磁方向为斜向左上充磁，位于所述第四磁极41左侧方向的所述第六磁极43的充磁方向为竖直向上充磁，位于所述第四磁极41右侧方向的所述第五磁极42的充磁方向为斜向左下充磁，位于所述第四磁极41右侧方向的所述第六磁极43的充磁方向为竖直向下充磁；当所述第四磁极41的充磁方向为水平向右充磁时，位于所述第四磁极41左侧方向的所述第五磁极42的充磁方向为斜向右下充磁，位于所述第四磁极41左侧方向的所述第六磁极43的充磁方向为竖直向下充磁，位于所述第四磁极41右侧方向的所述第五磁极42的充磁方向为斜向右上充磁，位于所述第四磁极41右侧方向的所述第六磁极43的充磁方向为竖直向上充磁；其中，充磁方向为竖直向下的第六磁极43的宽度大于充磁方向为竖直向上的第六磁极43的宽度。充磁方向为竖直向下的所述第三磁极33的中心线与充磁方向为竖直向下的所述第六磁极43的中心线在同一条直线上；充磁方向为竖直向上的所述第三磁极33的中心线与充磁方向为竖直向上的所述第六磁极43的中心线在同一条直线上。需要说明的是，相邻的两个所述上侧磁极构型单元中，位于前一个磁极构型单元右侧的第三磁极33与位于后一个磁极构型单元左侧的第三磁极33为同一个磁极；相邻的两个所述下侧磁极构型单元中，位于前一个磁极构型单元右侧的第六磁极43与位于后一个磁极构型单元左侧的第六磁极43为同一个磁极。
36.示例性的，为使得斜向充磁的磁极充磁角度更加匹配磁极阵列，所述第二磁极32
的充磁方向平行于所述第二磁极32的斜边；所述第四磁极41的充磁方向平行于所述第四磁极41的斜边。当然，在其它具体实施例中，所述第二磁极32的充磁方向与所述第一磁极31的充磁方向所形成的夹角为45度；所述第五磁极42的充磁方向与所述第四磁极41的充磁方向所形成的夹角为45度。
37.由此，根据本发明实施例的双边无铁芯永磁同步直线电机，其技术关键及优点：本发明实施例采用新型双边halbach磁极构型，磁极错位和磁极不等宽相结合，在极距不变的前提下，改变了竖直充磁的主磁极宽度，这种结构有利于提高气隙磁场波形正弦性，对比传统halbach构型具有更高的可调性，有助于对电机整体达到更高的性能；并且，这种新型双边halbach磁极构型还能够有效的提升基波幅值进一步的提高输出力，同时减小推力波动，在相同磁极用量下实现输出性能最大化。此外，该新型双边halbach磁极构型还能够适用于双层的旋转电机。
38.下面，为验证本发明实施例的双边无铁芯永磁同步直线电机的优势，将新型双边halbach磁极构型与传统halbach磁极构型(如图4所示)的差异进行以下对比仿真实验：
39.使用电磁学有限元仿真软件ansys electronics desktop，在相同电机尺寸条件下，对传统halbach磁极构型和本实施例的新型双边halbach磁极构型做了对比，得到气隙磁场一个周期内的轴向距离分布波形，并对波形做傅里叶分解。图5示出传统halbach磁极构型和本实施例的新型双边halbach磁极构型分别运用于双边无铁芯永磁同步直线电机的气隙磁场波形；
40.图6示出传统halbach磁极构型和本实施例的新型双边halbach磁极构型分别运用于双边无铁芯永磁同步直线电机的fft对比；图7示出传统halbach磁极构型和本实施例的新型双边halbach磁极构型分别应用于双边无铁芯永磁同步直线电机时的输出力的均值和波动对比。
41.由图5和图6可以看出，传统halbach磁极构型的双边直线电机气隙磁密的基波分量占总谐波分量的97.21％，新型双边halbach磁极构型的双边直线电机气隙磁密的基波分量占总谐波分量的97.66％，说明新型双边halbach磁极构型有利于提高气隙磁场波形正弦性，采用新型双边halbach磁极构型的气隙磁场的傅里叶分解与传统halbach相比具有更好的基波赋值，并且基波占总的谐波分量的百分比更大，对比传统halbach磁极构型具有更高的可调性，有助于对电机整体达到更高的性能，新型双边halbach磁极构型更具有优势。
42.从图6可以看出，在保证除磁极构型其他条件全部相同的前提下，本实施例的新型双边halbach磁极构型的推力均值为49.7775n，推力波动为3.49％。传统halbach磁极构型的推力均值为47.8328n，推力波动为16.98％。由此可见，本实施例的新型双边halbach磁极构型的推力均值在相同电机尺寸下的传统halbach磁极构型的输出波动减小了79％，更具有优势。
43.还需要进一步说明的是，为了进一步验证型双边halbach磁极构型的优势，我们使用电磁学有限元仿真软件ansys electronics desktop，在相同电机尺寸条件下，对传统halbach磁极构型和磁极单元错位的传统halbach磁极构型(如图8所示，以下简称为异构型halbach)，得到气隙磁场一个周期内的轴向距离分布波形，并对波形做傅里叶分解。图9示出传统halbach磁极构型和异构型halbach磁极构型分别运用于双边无铁芯永磁同步直线电机的气隙磁场波形；图10示出传统halbach磁极构型和异构型halbach磁极构型分别运用
于双边无铁芯永磁同步直线电机的fft对比。
44.由图9和图10可以看出，对传统的halbach磁极构型的直线电机的气隙磁密进行谐波分析，基波分量占总谐波分量的97.21％。异构型的halbach磁极阵列的直线电机气隙磁密的基波分量占总谐波分量的99.5％。说明虽然异构型的halbach磁极构型有利于提高气隙磁场波形正弦性，但是这种构型会降低部分基波幅值进而影响了输出力。由此，本实施例的双边无铁芯永磁同步直线电机中采用的新型双边halbach磁极构型更具有优势。
45.应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。
46.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也视为本发明的保护范围。