一种基于三维磁场调制的轴向错位圆筒直线电机及其加工方法

本发明属于直线作动器，具体涉及一种基于三维磁场调制的轴向错位圆筒直线电机及其加工方法。

背景技术：

1、直线电机是一种利用电磁原理将电能转换为直线运动的机械能的一种装置，直线电机具有简单的机械结构，具有高速度、高精度、高可靠性和低噪音等优点，在运行过程中没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，但其存在不能自锁的缺点；传统的圆筒直线电机存在初级(定子)铁芯堆叠困难、次级(动子)在频繁的往复运动过程中产生大量的热量，容易导致永磁体因温度过高而发生永磁体退磁现象。

2、文献中国电机工程学报doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.232160，黄磊，李渊，陈珉烁，杨建龙直驱式波浪发电用磁场调制横向磁通发电机的设计与分析，提出了一种磁场调制横向磁通直线发电机结构，其永磁体嵌入在定子中，在直驱式波浪发电等长行程工作应用中可减少永磁体用量，该电机调制模块由倾斜导磁钢板和倾斜非导磁铝板制成，避免了传统动子永磁型横向磁通电机因动子上装有大量永磁体而造成电机成本过高的问题，直线动子结构更简单，非常适用于波浪发电等长行程工作场合。

3、中国发明专利zl202011339930.1公开了一种基于磁场调制原理的横向错位无刷双转子电机，该型电机由环形绕组定子、永磁转子和横向错位调制转子三部分组成。通过横向错位调制转子的调制作用，选择合适的调制模块及调制单元，相比于传统对转推进电机可以提升转矩和可靠性，降低转矩脉动。因此基于三维调制原理，使用非螺旋永磁体和轴向错位调制动子，可实现周向磁场与轴向磁场的耦合，产生轴向的直线运动。

4、文献ieee transactions on industry applications，54(6)：5736-5747,2018(designing and experimentally testing a magnetically geared lead screw)，提出了一种磁场调制型磁力丝杠，并验证了磁场调制效应，但由于制造的复杂性和加工精度，导致实测推力不足理论分析的40％，因此基于三维调制效应，在保证推力的同时，降低加工难度具有重要意义和实用价值。

5、中国发明专利zl202210356293.1公开了一种无槽圆筒型直线电机，该型电机由定子(包括定子外壳、定子轴、轴承、线圈)和动子(包括动子壳、动子轴及磁铁)组成，解决了无槽圆筒型直线电机绕线困难、定位力大、散热困难等问题，但结构复杂，电机工作行程有限不适合长行程的工作场合应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决传统的圆筒直线电机永磁体用量过大、绕线困难、初级堆叠困难以及齿槽空间竞争困难的问题，提出了一种基于三维磁场调制的轴向错位圆筒直线电机及其加工方法。从三维磁场调制入手，采用常规硅钢片堆叠形成仅提供径向分布的磁场的电机定子，解决了传统圆筒直线电机绕线困难和齿槽空间竞争问题；由非导磁支撑部件和调制块构成的调制动子可根据电机工作行程选取合适的长度，并且为常规铁磁材料，在不增加永磁体用量的同时可大大增加电机工作行程，并且降低了材料成本。

2、具体来说，本发明所提出的一种基于三维磁场调制的轴向错位圆筒直线电机是采取以下技术方案实现的：一种基于三维磁场调制的轴向错位圆筒直线电机，其特征在于，包括外定子(1)、调制动子(2)和内定子(3)，外定子(1)、调制动子(2)、内定子(3)由外至内沿z轴同轴安装，以内定子(3)端面为xy平面，外定子(1)和内定子(3)端面所在平面重合，内圆圆心为坐标原点o建立三维直角坐标系；其中，所述的调制动子(2)与外定子(1)、内定子(3)之间存在气隙，位于调制动子(2)与外定子(1)之间的气隙称为外侧气隙，位于调制动子(2)与内定子(3)之间的气隙称为内侧气隙；

3、现有的圆筒直线电机，其定子由瓦片形硅钢片堆叠形成，制造工艺十分复杂，且绕线困难、铁耗较大、存在齿槽空间竞争等问题，且动子为永磁体，制造成本过高。本专利从三维磁场调制入手，采用常规硅钢片堆叠形成仅提供径向分布的磁场的电机定子，而后，采用轴向分布的圆环型磁钢，用以提供轴向分布的磁场。通过引入调制动子，将轴向磁场、径向磁场耦合在一起，在提升推力密度的同时，解决了传统圆筒直线电机齿槽空间竞争问题，降低了永磁体的用量，调制动子采用导磁块和非导磁支撑部件组成，可视具体工作行程改变调制动子的长度，降低材料成本；

4、所述外定子(1)由外定子电工铁(1-4)和电枢绕组(1-1)(1-2)(1-3)组成，电枢绕组(1-1)(1-2)(1-3)是一个m相定子绕组，当电枢绕组(1-1)(1-2)(1-3)通入m相交流电流时，会产生ps极对数的周向电枢磁场，m、ps为正整数；

5、所述内定子(3)由充磁方向径向向外的圆环永磁体(3-1)和充磁方向径向向内的圆环永磁体(3-2)以及内定子电工铁(3-3)组成，充磁方向径向向外的圆环永磁体(3-1)和充磁方向径向向内的圆环永磁体(3-2)沿z轴轴向交替分布于内定子电工铁(3-3)的外表面，产生ppm极对数的轴向永磁磁场，ppm为正整数；

6、所述调制动子(2)由ppm·(ps·nb)个调制块(2-1)和非导磁支撑部件(2-2)构成，nb为正整数，调制动子(2)由调制块(2-1)轴向错位构成螺旋形调磁模块并且依次嵌入非导磁支撑部件(2-2)中，其轴向极对数pz应等于内定子(3)的轴向极对数ppm，周向极对数pc应等于外定子(1)的周向极对数ps，即：pz＝ppm，pc＝ps，基于三维磁场调制原理，外定子(1)产生的极对数为ps的周向磁场经调制动子(2)的调制，在内气隙中与内定子(3)产生的极对数为ppm的轴向永磁磁场相耦合，实现调制动子(2)的z轴方向运动。

7、进一步，所述的一种直线电机，其特征在于，所述外定子(1)、调制动子(2)和内定子(3)z轴方向上的有效长度均为l。

8、进一步，所述的一种直线电机，其特征在于，所述外定子(1)由常规硅钢片堆叠形成外定子电工铁(1-4)，其槽采取平行齿圆底开口槽的方式沿xy平面等角度排列，其内径d1，外径d2，槽数为q，定子齿相隔角度c1为2π/q，定子齿宽为c2，槽开口为bs0，槽深为hs2，槽肩高为hs1，槽口高为hs0，绕组匝数为n，定子电枢绕组(1-1)(1-2)(1-3)采用分数槽分布绕组，绕组内通入m相交流电流后在周向产生极对数为ps的周向电枢磁场。

9、进一步，所述的一种直线电机，其特征在于，所述调制动子(2)作为调制装置，由ppm·(ps·nb)个调制块(2-1)和非导磁支撑部件(2-2)构成，调制块(2-1)依次嵌入非导磁支撑部件(2-2)的孔洞中形成螺旋形调磁装置，降低了加工难度。调制块(2-1)为环块状，周向所占角度θ＝α1·2π/(nb·ps)，轴向长度为z＝α2·l/ppm，其中α1、α2为系数。

10、进一步，所述的一种直线电机，其特征在于，所述内定子(3)中充磁方向径向向外的圆环永磁体(3-1)和充磁方向径向向内的圆环永磁体(3-2)的轴向长度均为l/(2ppm)，且沿z轴方向交替分布于内定子电工铁(3-3)的外表面。

11、优选地，所述的一种直线电机，其特征在于，所述调制动子(2)的ppm·(ps·nb)个调制块(2-1)在圆周方向上分为ps个调制单元(2-3)，每个调制单元(2-3)在圆周方向所占空间角度为2π/ps，一个调制单元(2-3)中调制块(2-1)的周向个数为nb,总数量为(nb·ppm)。

12、优选地，所述的一种直线电机，其特征在于，在有效长度l内，所述调制动子(2)由ps个调制单元(2-3)组成，一个调制单元(2-3)中圆周方向的两个相邻调制块的周向间距为2π/(nb·ps)，一个调制单元(2-3)中轴向的两个相邻调制块的距离为l/ppm。调制块(2-1)为环块状，周向所占角度θ＝α1·2π/(nb·ps)，轴向长度为z＝α2·l/ppm，其中α1、α2为系数。

13、进一步，所述的一种直线电机，其特征在于，调制动子(2)沿xz平面的展开图(2-3)中调制块(2-1)呈现为矩形而不是平行四边形。

14、一种基于三维磁场调制的轴向错位圆筒直线电机的加工方法，包括以下步骤：

15、步骤1，确定外定子(1)、调制动子(2)和内定子(3)沿z轴方向的有效长度均为l，因外定子电工铁(1-4)由常规硅钢片堆叠形成，故需确定外定子电工铁(1-4)的内径d1，外径d2，定子槽数为q，其槽采取平行齿圆底开口槽的方式沿xy平面等角度排列，确定定子齿宽为c2，槽开口为bs0，槽深为hs2，槽肩高为hs1，槽口高为hs0。电枢绕组(1-1)(1-2)(1-3)为分数槽分布绕组，确定绕组连接方式(1-5)，确定绕组匝数为n；

16、步骤2，将内定子电工铁(3-3)的z轴方向长度加工为l，内径为d5，外径为d6，内定子电工铁(3-3)的外径与充磁方向径向向外的圆环永磁体(3-1)和充磁方向径向向内的圆环永磁体(3-2)相同，确定圆环永磁体(3-1)(3-2)的外径为d7；

17、步骤3，将充磁方向径向向外的圆环永磁体(3-1)和充磁方向径向向内的圆环永磁体(3-2)的z轴方向长度加工为l/2ppm，沿z轴方向交替表贴于内定子电工铁(3-3)的外表面；

18、步骤4，确定非导磁支撑部件(2-2)的内径为d3,外径为d4,在有效长度l上加工出ppm·(ps·nb)个尺寸相同的孔洞，其大小与调制块(2-1)尺寸相同。相邻两个轴向孔洞加工间距为l/ppm，相邻两个圆周方向上孔洞之间的轴向方向上错位加工距离为l/(nb·ppm)，相邻两个圆周方向上孔洞之间的圆周方向上错位加工距离为2π/(nb·ps)；

19、步骤5，确定调制块(2-1)的具体尺寸，调制块(2-1)为环块状，内径与非导磁支撑部件(2-2)一致，外径为d4’，将调制块(2-1)的轴向长度加工为z＝α2·l/ppm，圆周方向加工为对应圆心角θ＝α1·2π/(nb·ps)，其中α1、α2为系数，将调制块(2-1)依次嵌入非导磁支撑部件(2-2)的孔洞中。

20、进一步，非导磁支撑部件(2-2)的外径略小于调制块(2-1)的外径，调制块(2-1)凸起在非导磁支撑部件(2-2)外表面。

21、进一步，对充磁方向为径向向外的圆环永磁体(3-1)和充磁方向为径向向内的圆环永磁体(3-2)进行分段加工来降低加工难度。

22、本发明采用上述方案后，具有如下有益效果：

23、1、本发明中外定子(1)采取常规硅钢片堆叠形成，制造工艺成熟且相较于传统圆筒直线电机简单，配合电枢绕组(1-1)(1-2)(1-3)在电枢绕组(1-1)(1-2)(1-3)通入m相交流电流后产生径向分布的磁场，解决了传统圆筒直线电机绕线困难和齿槽空间竞争问题；

24、2、本发明中调制动子(2)由离散的调制块(2-1)和非导磁支撑部件(2-2)构成离散的螺旋形调磁装置，与传统螺旋形调磁模块相比，可极大降低调制动子(2)的加工难度；

25、3、本发明中调制动子(2)由非导磁支撑部件(2-2)和调制块(2-1)构成，可视电机的具体工作行程决定其轴向长度，且为常规铁磁材料，在不增加永磁体用量的同时可大大增加电机工作行程，并且降低了材料成本；

26、4、本发明通过适当的选取调制动子(2)中调制块(2-1)的尺寸、数量，可以提高该型直线电机的推力。

27、综上所述，本发明的一种基于三维磁场调制的轴向错位圆筒直线电机，从三维磁场调制入手，采用常规硅钢片堆叠形成仅提供径向分布的磁场的电机定子，解决了传统圆筒直线电机绕线困难和齿槽空间竞争问题；调制动子的调制块采用离散化结构，降低了加工难度，同时选择合适的调制块的尺寸和数量可以提高电机的推力，由非导磁支撑部件和调制块构成的调制动子可根据电机工作行程选取合适的长度，并且为常规铁磁材料，在不增加永磁体用量的同时可大大增加电机工作行程，并且降低了材料成本。