技术领域
[0001] 本
发明属于电机技术领域，具体涉及一种软磁复合材料不等齿混合结构永磁直线电机。
背景技术
[0002] 软磁复合材料(Soft Magnetic Composites，SMC)采用粉末
冶金技术将预先混合的高纯度带有绝缘层的
铁粉与有机材料模压成型与传统的金属
磁性材料相比，近年来已经在电磁装置中取得应用。软磁复合材料还具有
涡流损耗小的特点，在高频情况下可以大大降低电机的铁耗，广泛应用于高频
变压器、高频电机、
传感器和互感器等电
力电子领域。但是其导磁率较低，限制了其在低频情况的应用。有取向
硅钢片是常用于变压器等磁路方向性较强的电器的铁磁材料，其
轧制方向的导磁率要明显高于无
取向硅钢片，但是剪切方向的磁导率较低，使其在电机中鲜有应用。
[0003] 近年来，有些学者将软磁复合材料用于电磁弹射等领域的直线电机电枢中的案例，从而解决高频电机铁耗高、
散热困难等问题。但是，软磁复合材料磁化特性曲线的膝点磁密和饱和磁密均低于传统的电工钢片，其膝点磁密为1.35-1.4T，饱和磁密不到1.6T，而23RK090型有取向硅钢片，其轧制方向的膝点磁密为1.7T，饱和磁密约2T，具有良好的磁性能。
发明内容
[0004] 发明目的：
[0005] 一种软磁复合材料不等齿混合结构永磁直线电机，其目的是解决以往所存在的问题。
[0006] 技术方案：
[0007] 采用长
定子短动子结构，定子上铺有依次异向充磁的
永磁体，可以根据具体情况延长定子的长度。动子采用不等齿混合结构，不等齿分为大齿和小齿。大齿上绕有绕组，形成电枢齿；而小齿上无绕组缠绕，形成辅助齿。绕组之间形成单齿间隔绕组。辅助齿与动子轭部采用软磁复合材料模压成型，形成动子
支架，并且动子支架开有镶嵌电枢齿的槽；电枢齿采用有取向硅钢片叠压而成，并且大齿根部固定在动子支架的槽中。
[0008] 本
专利选用
电阻很高的软磁复合材料和导磁性能
各向异性的有取向硅钢片作为动子铁心材料，充分利用软磁复合材料有取向硅钢片混合动子永磁直线电机的磁路特点，将电机的磁路特性与材料的导磁特性充分结合。不仅能够输出较高的推力，而且能够降低直线电机的
齿槽转矩
波动直线电机特有的端部
定位力。
[0009] 一种软磁复合材料混合结构不等齿永磁直线电机，电机的槽数和极数接近，电机由动子支架、电枢齿、
电枢绕组、气隙、磁极和定子轭部组成，动子支架包括动子轭和辅助齿,电枢齿和辅助齿采用不等宽结构，电枢绕组缠绕在电枢齿上；电枢齿和辅助齿交替设置在动子轭的内壁上；
[0010] 磁极设置在定子轭部上，磁极与电枢齿及辅助齿对应设置，且磁极与电枢齿及辅助齿之间形成气隙。
[0011] 在动子轭的内壁还设置有U形槽；电枢绕组缠绕于电枢齿上，然后嵌于动子轭内壁的U形槽中，利用环
氧树脂封装形成整体。
[0012] 有取向硅钢片自铆叠压成电枢齿((C)为电枢齿叠压方向)，保证有取向硅钢片的轧制方向(A)与动子纵向方向(D)保持一致，有取向硅钢片的剪切方向(B)与动子运动方向(E)一致。
[0013] 动子支架由软磁复合材料模压成型
铸造而成。
[0014] 一种软磁复合材料混合结构不等齿永磁直线电机，其结构如图1所示，由长定子和短动子组成，动子为有铁心结构。电机的磁路从一个磁极出发，通过气隙进入大齿，然后通过动子轭部和小齿，进入与原磁极异性充磁的磁极，最后经过定子轭部形成闭合回路。此类电机的磁路具有轭部磁路短，齿部磁路长的特点，并且采用间隔绕组，使得电枢齿磁密高，辅助齿磁密低。因此，电枢齿采用大齿，辅助齿采用小齿，将较长且磁密高的电枢齿部磁路方向与有取向硅钢片的高导磁率方向(轧制方向)保持一致，磁密较低的辅助齿和磁路较短的动子轭部采用导磁率较低的软磁复合材料。动子轭部与辅助齿采用软磁复合材料模压成型，由于软磁复合材料较高的
电阻率，不使用冲片叠压技术也可以使电机的涡流损耗较小，并且近极槽电机较短的轭部磁路规避了软磁复合材料导磁率较低的问题；电枢齿采用有取向硅钢片叠压而成，叠压方向为垂直于纸面的方向，动子铁心采用半闭口槽结构，电枢齿的有取向硅钢片的剪切方向(垂直于轧制方向)与动子行走方向一致，也与齿顶漏磁方向一致，一定程度上解决了半闭口槽增加齿顶漏磁的问题，从而进一步提高直线电机推力
密度。辅助齿采用软磁复合材料，磁阻较大，可以有效减小齿顶漏磁，进一步降低推力波动，提高推力密度。
[0015] 直线电机端部开断引起的端部定位力，会引起电机的推力波动，是直线电机特有的问题；软磁复合材料有取向硅钢片混合动子永磁直线电机动子端部漏磁的方向与有取向硅钢片的剪切方向一致，端部漏磁降低，并且软磁复合材料较低的磁导率也降低了端部漏磁，一定程度上削弱了端部开断而造成的三相磁路不对称的问题，从而降低了端部定位力。
[0016] 电枢齿齿顶宽的参数设计方法：
[0017] 设动子
槽口宽度为W，动子的长度为L，动子铁心有Q个齿，则定子齿距为Z＝L/Q。
[0018] 设极距为τ，极弧系数为α，则电枢齿齿顶宽x2＝τ×α。电枢齿和辅助齿的齿顶宽之和为2Z-2W，因此辅助齿的齿顶宽设计为y2＝2Z-2W-τ×α。
[0019] 在设计电枢齿齿顶宽x2和辅助齿齿顶宽y2的
基础上，借助有限元仿真
软件ANSOFT来确定电枢齿齿宽(x1)和辅助齿齿宽(y1)。在空载条件下，在齿部画一个辅助直线，计算电枢齿和辅助齿的齿磁密，通过调整电枢齿的齿宽(x1)、齿顶宽(x2)和辅助齿的齿宽(y1)、齿顶宽(y2)，使电枢齿(2)的齿磁密接近有取向硅钢片的磁化曲线膝点，辅助齿(9)的齿磁密接近软磁复合材料磁化曲线的膝点。通常有取向硅钢片轧制方向磁化曲线的膝点为1.7T-1.8T，软磁复合材料磁化曲线的膝点为1.35T-1.4T。膝点的具体数值与选取的硅钢片和软磁复合材料的型号有关。(这个关系属于现有公知的特征，属于隐含的公开的特征，这里不再赘述！)
[0020] 本发明的有益效果：
[0021] 一种软磁复合材料混合结构不等齿永磁直线电机，采用有取向硅钢片和软磁复合材料混合动子结构，实现了有取向硅钢片各向异性的导磁性能和软磁复合材料低涡流损耗与本发明电机的磁路特性相结合。动子采用不等齿结构，电枢齿采用大齿，辅助齿采用小齿，充分考虑了电枢齿磁密高，辅助齿磁密低的特点。电枢齿
磁力线方向与有取向硅钢片的轧制方向(高导磁性能方向)相一致，动子辅助齿及轭部采用软磁复合材料；首先，利用有取向硅钢片轧制方向导磁性能好的特点，可将饱和工作点提高，使定子
电流产生的磁动势增大，从而提高定子齿部磁通密度和气隙磁通密度，达到提高直线电机单位体积下推力密度的目的；其次，利用软磁复合材料高电阻率的特点，降低电机在高频运行时的涡流损耗；同时，采用半闭口槽，使直线电机推力波动降低的同时，有取向硅钢片剪切方向(垂直于轧制方向)导磁率低，有效地抑制了半闭口槽的齿顶漏磁，因而可以减小了推力波动，并且进一步提高了直线电机的推力密度；另外，剪切方向导磁性能差，这可以在一定程度上抑制直线电机因为端部开断而造成的磁路不对称问题，进而降低端部定位力。
附图说明
[0022] 图1是本发明一种
实施例的软磁复合材料混合结构不等齿永磁直线电机结构示意图。
[0023] 图2是图1中动子支架示意图。
[0024] 图3是图1中电枢齿示意图。
[0025] 图4是电枢齿及辅助齿齿宽与齿顶宽示意图。
[0026] 图中1.动子支架，2.电枢齿，3.电枢绕组，4.气隙，5.磁极，6.定子轭部，7.动子轭，8.U形槽，9.辅助齿，10.有取向硅钢片，A.轧制方向，B.剪切方向，C.叠压方向，D、纵向方向，E、动子运行方向、x1.电枢齿齿宽，x2.电枢齿齿顶宽，y1.辅助齿齿宽，y2.辅助齿齿顶宽，W为槽口宽度。
具体实施方式
[0027] 本发明提出将软磁复合材料和有取向硅钢片混合使用，配合不等齿结构磁路的特殊性，即发挥软磁复合材料在高频电机的优势，又利用有取向硅钢片轧制方向导磁率高的特性提高了电机的推力密度，并且避免了有取向硅钢片剪切方向磁导率低的问题。
[0028] 电机的槽数和极数接近，电机由动子支架1、电枢齿2、电枢绕组3、气隙4、磁极5和定子轭部6组成，动子支架1包括动子轭7和辅助齿9,电枢齿2和辅助齿9采用不等宽结构，电枢绕组3缠绕在电枢齿2上；电枢齿2和辅助齿9交替设置在动子轭7的内壁上；
[0029] 磁极5设置在定子轭部6上，磁极5与电枢齿2及辅助齿9对应设置且磁极5与电枢齿2及辅助齿9之间形成气隙4。
[0030] 在动子轭7的内壁还设置有U形槽8；电枢绕组3缠绕于电枢齿2上，然后嵌于动子轭7内壁的U形槽8中，利用
环氧树脂封装形成整体。有取向硅钢片10自铆叠压成电枢齿2(C为电枢齿叠压方向)，保证有取向硅钢片10的轧制方向A与动子纵向方向D保持一致，有取向硅钢片10的剪切方向B与动子运动方向E一致。
[0031] 动子支架1由软磁复合材料模压成型铸造而成。
[0032] 实施例：
[0033] 下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。
[0034] 一种不等齿近极槽永磁直线电机结构如图1所示，长定子上安装有依次异向充磁的永磁体5。动子铁心由动子支架1和电枢齿2构成。动子支架如图2所示，动子支架采用软磁复合材料一体成型，动子轭7开有镶嵌电枢齿2的U形槽8。电枢齿2如图3所示，每个电枢齿2由多片有取向硅钢片10叠压而成，每片有取向硅钢片10的轧制方向为纵向，叠压方向为垂直于纸面的方向。每个电枢齿2的根部嵌进动子支架的U形槽8中。三相绕组依次排列构成单齿间隔绕组，电枢齿2绕有绕组3，而辅助齿8无绕组缠绕。动子铁心动子支架1和电枢齿2通过动子支架的U形槽8连接之后，采用环氧树脂封装形成整体，以减小电机在运行时的振动。
[0035] 电枢齿齿顶宽的参数设计方法：
[0036] 设动子槽口宽度为W，动子的长度为L，动子铁心有Q个齿，则定子齿距为Z＝L/Q。
[0037] 设极距为τ，极弧系数为α，则电枢齿齿顶宽x2＝τ×α。电枢齿和辅助齿的齿顶宽之和为2Z-2W，因此辅助齿的齿顶宽设计为y2＝2Z-2W-τ×α。
[0038] 在设计电枢齿齿顶宽x2和辅助齿齿顶宽y2的基础上，借助有限元仿真软件ANSOFT来确定电枢齿齿宽(x1)和辅助齿齿宽(y1)。在空载条件下，在齿部画一个辅助直线，计算电枢齿2和辅助齿9的齿磁密，通过调整电枢齿2的齿宽(x1)、齿顶宽(x2)和辅助齿9的齿宽(y1)、齿顶宽(y2)，使电枢齿2的齿磁密接近有取向硅钢片的磁化曲线膝点，辅助齿9的齿磁密接近软磁复合材料磁化曲线的膝点。通常有取向硅钢片轧制方向磁化曲线的膝点为1.8T，软磁复合材料磁化曲线的膝点为1.35-1.4T。膝点的具体数值与选取的硅钢片和软磁复合材料的型号有关。(这个关系属于现有公知的特征，属于隐含的公开的特征，这里不再赘述！)
[0039] 本发明采用软磁复合材料有取向硅钢片混合动子永磁直线电机，主磁通从一个磁极出发，经过气隙，通过临近的电枢齿进入动子轭部，然后经过另一侧的辅助齿，再通过气隙回到与原磁极相邻的异向充磁的磁极。动子齿部磁路较长，轭部磁路较短，并且电枢齿磁密高，辅助齿磁密低，为有取向硅钢片和软磁复合材料的结合应用提供了条件，使动子齿部磁路与有取向硅钢片轧制方向保持一致，充分利用了有取向硅钢片轧制方向导磁性能好的特点；较短的轭部磁路和磁密较低的辅助齿避免了软磁复合材料导磁性能较差的缺点。动子采用半闭口槽结构的齿顶漏磁方向与有取向硅钢片的剪切方向(垂直于轧制方向)一致，一定程度上抑制了半闭口槽增加齿顶漏磁的问题，从而进一步提高直线电机推力密度。
