一種單繞組低成本高功率密度永磁直線發(fā)電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種單繞組低成本高功率密度永磁直線發(fā)電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置可以將所輸入的電能在所需要的場合直接轉(zhuǎn)化為直線動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，省去傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)-直線轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)方式中的機(jī)械傳動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，大大減小了傳動(dòng)裝置的體積，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和效率，并有效降低了設(shè)備的成本和維護(hù)費(fèi)用，不僅如此，還有傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)-直線轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的高速，高精度和魯棒性。另外，由于傳動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置會(huì)顯著增加傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲，降低系統(tǒng)的控制精度和性能。因此，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，尤其是一切特殊應(yīng)用場合，如精密儀器，航空航天儀器，醫(yī)療儀器等，直線電動(dòng)機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003]直線發(fā)電機(jī)可以直接將直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，采用直線發(fā)電機(jī)直驅(qū)發(fā)電，可以顯著增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)部件和發(fā)電裝置的機(jī)械相互匹配性，動(dòng)能捕獲率高，尤其在低速的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，采用直線發(fā)電機(jī)更加具有優(yōu)勢。
[0004]目前，直線發(fā)電機(jī)有以下種類，I)直線感應(yīng)發(fā)電機(jī)，它的特點(diǎn)是:端部效應(yīng)明顯，尤其是高速運(yùn)行時(shí)，端部效應(yīng)使得電機(jī)推進(jìn)力明顯減小；效率和功率因數(shù)都比較低，通常效率在50%?60%，功率因數(shù)只有0.5左右，控制系統(tǒng)和控制策略非常復(fù)雜；2)永磁直線發(fā)電機(jī)，具有高功率密度和高效率等優(yōu)點(diǎn)，目前已應(yīng)用于海洋波浪能直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)。但是，現(xiàn)有永磁直線電機(jī)的永磁體大多位于動(dòng)子上，隨著動(dòng)子做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，永磁材料的磁性能易受溫度，銹蝕和振動(dòng)等外部環(huán)境因素的影響，因此，對(duì)于運(yùn)行環(huán)境較為惡劣的場合，永磁直線發(fā)電機(jī)并不適用；3)直線開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，電機(jī)本體結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，運(yùn)行可靠性高，具有能夠在各種惡劣條件下運(yùn)行的優(yōu)勢，維護(hù)成本低。除此之外，其整個(gè)系統(tǒng)效率高于直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，而且具有寬廣的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍，可以通過各種靈活的控制策略實(shí)現(xiàn)一系列令人滿意的性能，但是直線開關(guān)磁阻電機(jī)功率密度較低。
[0005]近年來，隨著永磁材料耐高溫性能的提高和價(jià)格的降低，永磁電機(jī)在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面得到更為廣泛的應(yīng)用，正向大功率化、高性能化和微型化方向發(fā)展。目前永磁電機(jī)的功率從幾毫瓦到幾千千瓦，應(yīng)用范圍從玩具電機(jī)、工業(yè)應(yīng)用到艦船牽引用的大型永磁電機(jī)，在國民經(jīng)濟(jì)、日常生活、軍事工業(yè)、航空航天的各個(gè)方面得到了廣泛應(yīng)用，與旋轉(zhuǎn)永磁電機(jī)類似，現(xiàn)有永磁直線電機(jī)繞組一般為3相，定子槽數(shù)目多，繞組下線工藝復(fù)雜，制造成本高；現(xiàn)有大多數(shù)永磁直線電機(jī)永磁體位于動(dòng)子上，運(yùn)行時(shí)隨動(dòng)子一起運(yùn)動(dòng)，永磁體需采用特殊工序固定，制造成本高，尤其電機(jī)運(yùn)行速度較高時(shí)，永磁體固定困難，由于永磁體位于動(dòng)子上，運(yùn)行時(shí)散熱困難，溫升和由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)而引起的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致永磁體機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞和發(fā)生不可逆退磁；現(xiàn)有永磁直線電機(jī)一般為三相，要求電機(jī)的功率逆變電路至少需要6個(gè)功率開關(guān)器件，如IGBT或者M(jìn)OSFET等，以及與之相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)該功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路，使得電機(jī)功率逆變電路成本相當(dāng)高，甚至達(dá)到電機(jī)本體成本的兩到三倍，功率開關(guān)器件數(shù)量增多增加了控制電路復(fù)雜程度，器件發(fā)生故障的可能性增加，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的可靠性降低?，F(xiàn)有永磁直線電機(jī)大多是永磁體直接面對(duì)氣隙，永磁體面臨不可退磁危險(xiǎn)，而且，現(xiàn)有永磁直線電機(jī)繞組相數(shù)多，鐵芯內(nèi)槽數(shù)目多，制造時(shí)繞組下線工藝復(fù)雜，鐵芯用量大，電機(jī)質(zhì)量大，電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)材料利用率低，因此，尋求一種繞組相數(shù)少，鐵芯用量少，電機(jī)本體制造工藝簡單，永磁體位于定子上，安裝方便，成本低，功率電路開關(guān)器件個(gè)數(shù)少，控制器和功率電路成本低的永磁直線發(fā)電機(jī)至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種單繞組低成本高功率密度永磁直線發(fā)電機(jī)，本永磁電動(dòng)機(jī)的定子上只有一套定子電樞繞組，而且電機(jī)每個(gè)槽內(nèi)只安放有一套電樞繞組，槽內(nèi)不需要相間絕緣，槽滿率高，且電機(jī)繞組下線工序簡單，整個(gè)成本低于現(xiàn)有的各類三相感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)；永磁體固定于定子上，不隨動(dòng)子往復(fù)運(yùn)動(dòng)，安裝方便，有利于散熱，消除了普通永磁直線電機(jī)由于永磁體隨動(dòng)子往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力損壞，永磁體散熱不良等缺點(diǎn)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種單繞組低成本高功率密度永磁直線發(fā)電機(jī)，包括定子、動(dòng)子和主氣隙，其中:
[0009]所述定子上均勻設(shè)置有偶數(shù)個(gè)定子齒，相鄰兩個(gè)定子齒中設(shè)有定子槽，定子槽軛與定子背軛之間設(shè)有永磁體，所述定子齒與動(dòng)子的動(dòng)子齒之間設(shè)有主氣隙，所述相鄰兩塊永磁體產(chǎn)生的磁通經(jīng)過主氣隙進(jìn)入動(dòng)子形成主磁通；
[0010]所述永磁體不隨動(dòng)子轉(zhuǎn)動(dòng)，同一個(gè)定子槽軛上的永磁體的充磁方向相同，相鄰兩個(gè)定子槽軛部上的永磁體的充磁方向相反；
[0011]相鄰兩個(gè)定子槽內(nèi)安放有一套電樞繞組，電樞繞組從一個(gè)電樞繞組所在槽穿入，從相鄰的電樞槽穿出，相鄰兩個(gè)電樞槽內(nèi)的繞組組成一個(gè)電樞線圈，每個(gè)電樞線圈橫跨兩個(gè)定子齒距，相鄰兩個(gè)電樞槽內(nèi)繞組的電流大小相同，方向相反。
[0012]進(jìn)一步的，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，只需要控制一套電樞繞組的電流大小和方向，電樞電流磁場和永磁體產(chǎn)生的磁場相互作用使得定子齒上的磁通相互增強(qiáng)或者抵消，定子磁場在某個(gè)方向上連續(xù)開通或者關(guān)斷，利用定子和動(dòng)子間磁阻變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩并發(fā)電。定子槽內(nèi)只安放有一套電樞繞組，定子槽內(nèi)不需要相間絕緣，槽利用率高，繞組下線工藝簡單，制造成本低。
[0013]永磁體不隨動(dòng)子轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)置，使得安裝方便，有利于散熱，消除了普通單相永磁電機(jī)由于永磁體隨動(dòng)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力損壞和永磁體散熱不良等缺點(diǎn)。
[0014]進(jìn)一步的，每塊永磁體由一整塊永磁體充磁而成或者由多塊寬度較窄的永磁體拼接而成，所述永磁體的寬度可以相同，也可以不同。
[0015]所述定子齒的個(gè)數(shù)為大于等于2的偶數(shù)。
[0016]所述動(dòng)子齒的個(gè)數(shù)大于等于定子齒個(gè)數(shù)的1/2。
[0017]所述永磁體的塊數(shù)個(gè)數(shù)為動(dòng)子齒的m倍，m為大于等于I的自然數(shù)。
[0018]所述定子齒、定子槽軛、定子背軛和動(dòng)子齒均由硅鋼片疊壓而成或者由高磁導(dǎo)率鐵芯材料制成。
[0019]所述永磁體與定子背軛鐵芯和定子槽軛鐵芯均緊密接觸。
[0020]所述兩個(gè)相鄰的定子齒通過定子槽軛連接，每兩個(gè)定子齒和之間的定子槽軛形成一塊整體鐵芯，電機(jī)內(nèi)該整體鐵芯塊數(shù)為定子齒個(gè)數(shù)的1/2。
[0021]所述電機(jī)的永磁體的寬度可以通過根據(jù)永磁體的磁能積或者剩磁密度靈活確定，可以根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)氣隙磁密確定永磁體的剩磁密度，再通過改變永磁體的極弧系數(shù)來確定永磁體的磁能積，而現(xiàn)有永磁電機(jī)由于極弧系數(shù)受到極數(shù)的限制，通常只有采用高性能永磁體才能滿足設(shè)計(jì)磁密的需要。
[0022]所述永磁體既可以是高磁能積的永磁材料如釹鐵硼也可以是低磁能積的永磁材料如鐵氧體或者鋁鎳鈷制成。
[0023]本發(fā)明的工作原理為:
[0024]定子鐵芯和動(dòng)子鐵心米用娃鋼片置壓而成或者尚導(dǎo)磁率的鐵芯材料一次制成，當(dāng)電樞繞組不通電時(shí)，所述永磁體產(chǎn)生的磁通經(jīng)過定子槽軛，定子齒和主氣隙沿流入動(dòng)子齒，再經(jīng)過相鄰的動(dòng)子齒流出到主氣隙到達(dá)另一個(gè)極下的永磁體，并通過定子背軛閉合，形成電機(jī)的主磁通。當(dāng)電樞繞組通電時(shí)，電樞繞組電流產(chǎn)生的磁場使得電樞繞組所在電樞槽兩側(cè)的定子齒分別呈現(xiàn)不同的極性，與永磁體產(chǎn)生的磁場作用疊加，使得一個(gè)定子齒顯示極性，有主磁通磁通經(jīng)過，相鄰的另一個(gè)定子齒沒有極性，無磁通流過，由于電樞繞組每隔一個(gè)槽設(shè)置，因此，電機(jī)內(nèi)有一半的定子齒具有極性，一半的定子齒沒有極性，根據(jù)磁阻最小原理，將使動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到使動(dòng)子齒與具有極性的定子齒重合的位置，由于動(dòng)子齒數(shù)為定子齒數(shù)的一半，此時(shí)正好每個(gè)動(dòng)子齒均與定子齒正對(duì)，這個(gè)位置為動(dòng)子齒和定子齒的對(duì)齊位置，這個(gè)位置對(duì)應(yīng)的電感最大而磁阻最小。此時(shí)，動(dòng)子繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，保持電樞繞組內(nèi)電流的方向不變，動(dòng)子將受到阻礙其運(yùn)動(dòng)的力，并發(fā)電運(yùn)行，繼續(xù)在電感下降區(qū)間通電，發(fā)電過程將一直持續(xù)，當(dāng)定子和動(dòng)子再度對(duì)齊后，改變電樞電流的方向，使得剛才不具有極性的定子齒顯示極性，而原先有極性的定子齒不顯示極性，動(dòng)子繼續(xù)受力并發(fā)電，這個(gè)過程將一直重復(fù)，發(fā)電過程一直持續(xù)。
[0025]本發(fā)明的有益效果為:
[0026](I)本發(fā)明電機(jī)只有一套繞組，運(yùn)行時(shí)只需要控制一套電樞繞組的電流大小和方向，功率電路只需要兩個(gè)功率開關(guān)器件，而普通三相電機(jī)需要至少6個(gè)功率開關(guān)器件，電機(jī)控制器所需功率開關(guān)器件個(gè)數(shù)少，成本低；
[0027](2)本發(fā)明電機(jī)運(yùn)行時(shí)電樞繞組和永磁體產(chǎn)生的磁場在定子齒上相互增強(qiáng)或者抵消，電機(jī)運(yùn)行時(shí)電樞繞組和勵(lì)磁繞組全周期同時(shí)通電，因此，具有功率密度高，材料利用率高的優(yōu)點(diǎn)，同樣設(shè)計(jì)功率的電機(jī)，本發(fā)明電機(jī)節(jié)省材料用量，降低成本；
[0028](3)本發(fā)明電機(jī)永磁體固定于定子上，不隨動(dòng)子轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝方便，有利于散熱，消除了普通單相永磁電機(jī)由于永磁體隨動(dòng)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力損壞，永磁體散熱不良等缺占.V，
[0029](4)本發(fā)明電機(jī)每個(gè)定子槽內(nèi)只安放有一套繞組，該繞組為簡單的集中繞組，從一個(gè)電樞槽穿入，向外側(cè)方向沿定子背軛外側(cè)穿出，形成一個(gè)線圈，電樞繞組圍繞定子槽軛，永磁體和定子背軛纏繞，繞組結(jié)構(gòu)簡單并簡化了下線工藝，可以有效減小端部繞組長度，減少用銅量，有效降低電機(jī)成本并降低電機(jī)的銅耗，提高效率，每個(gè)電樞槽的電樞繞組形成I套線圈，所有線圈可以相互并聯(lián)或者串聯(lián)，電機(jī)繞組下線工藝簡單，槽內(nèi)不需要放置相間絕緣，有利于提高槽滿率和槽利用率；
[0030](5)本發(fā)明電機(jī)中的永磁體可以為一塊整體充磁的永磁體，也可以由多塊永磁體拼接而成，因此制造工藝簡單，成本低，改善了由于電機(jī)寬度較寬的永磁體的成本較高，機(jī)械受力時(shí)易發(fā)生破裂，安裝時(shí)較為困難，機(jī)械強(qiáng)度不及多塊寬度較小的永磁體拼接而成的問題；
[0031](6)本發(fā)明電機(jī)的永磁體的寬度可以根據(jù)永磁體的設(shè)計(jì)磁能積或者設(shè)計(jì)剩磁密度靈