一種軛部雙繞組混合勵(lì)磁永磁直線發(fā)電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種軛部雙繞組混合勵(lì)磁永磁直線發(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(chǎng)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(wú)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(guò)程中，尤其是一切特殊應(yīng)用場(chǎng)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(lái)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(shì)。
[0004]目前，直線發(fā)電機(jī)有以下種類(lèi)，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??；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(chǎng)合，永磁直線發(fā)電機(jī)并不適用；3)直線開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，電機(jī)本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shì)，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(guò)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(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)功率密度較低。
[0005]近年來(lái)，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(guó)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(guó)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(lèi)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)有永磁直線發(fā)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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
[0006]現(xiàn)有永磁直線電機(jī)由于永磁體磁動(dòng)勢(shì)固定，電機(jī)主磁通不可調(diào)，導(dǎo)致恒功率運(yùn)行范圍窄，發(fā)電運(yùn)行時(shí)電壓不可調(diào)，沒(méi)有故障滅磁功能，而且電機(jī)繞組一般為3相，定子槽數(shù)目多，繞組下線工藝復(fù)雜；現(xiàn)有大多數(shù)永磁電機(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)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，永磁體固定更加困難，由于永磁體位于動(dòng)子上，運(yùn)行時(shí)散熱困難，溫升和由于動(dòng)子運(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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。
[0007]針對(duì)現(xiàn)有永磁直線電機(jī)勵(lì)磁磁勢(shì)不可調(diào)的缺點(diǎn)，相關(guān)學(xué)者提出了一些混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)電機(jī)，這類(lèi)混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)電機(jī)從勵(lì)磁方式上可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是永磁體磁勢(shì)與勵(lì)磁繞組磁勢(shì)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，這類(lèi)結(jié)構(gòu)由于勵(lì)磁磁通需要穿過(guò)永磁體，勵(lì)磁電流大，勵(lì)磁損耗高，而且會(huì)對(duì)永磁體產(chǎn)生不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用不廣泛；另一類(lèi)是永磁體磁勢(shì)和勵(lì)磁繞組磁勢(shì)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，這類(lèi)結(jié)構(gòu)一般采用定子永磁式，永磁體位于定子上，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組電流調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，這類(lèi)電機(jī)調(diào)磁性能好，但增加勵(lì)磁繞組后，電機(jī)繞組套數(shù)更多，使得電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)槽內(nèi)有多套繞組的情況或者既有相繞組又有勵(lì)磁繞組的情況，槽內(nèi)需增加相間絕緣，繞組下線工藝復(fù)雜，槽利用率低，而且，需要加開(kāi)勵(lì)磁槽，電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)零散化嚴(yán)重，組裝固定困難，加工工藝復(fù)雜，電機(jī)成本高。更為重要的是，增加勵(lì)磁繞組后，需要至少再增加一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件控制勵(lì)磁繞組的電流，這更進(jìn)一步增加了功率電路的成本，而且，勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通和主磁通共用主磁路和主氣隙，勵(lì)磁效果受到電機(jī)其他設(shè)計(jì)參數(shù)的限制，一旦電機(jī)制成，只能通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流控制勵(lì)磁效果，無(wú)法通過(guò)單獨(dú)設(shè)計(jì)勵(lì)磁磁路來(lái)控制勵(lì)磁磁通。
[0008]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(jiǎn)單，永磁體位于定子上，安裝方便，成本低，功率電路開(kāi)關(guān)器件個(gè)數(shù)少，控制器和功率電路成本低的有調(diào)磁功能的混合勵(lì)磁永磁直線發(fā)電機(jī)至關(guān)重要。
[0009]除此之外，現(xiàn)有永磁電機(jī)多采用分布繞組或者橫跨多個(gè)極距的集中繞組，普遍存在繞組端部長(zhǎng)，用銅量大，制造成本高，電機(jī)運(yùn)行時(shí)銅耗大，效率低等缺點(diǎn)，尤其是對(duì)于鐵芯長(zhǎng)度較大的電機(jī)，這種缺點(diǎn)尤為突出，需要采用特殊的繞組線圈連接方式來(lái)減小繞組端部，減小用銅，提高電機(jī)運(yùn)行效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種軛部雙繞組混合勵(lì)磁永磁直線發(fā)電機(jī)，本永磁電動(dòng)機(jī)的定子上有一套定子電樞繞組和一套勵(lì)磁繞組，而且電機(jī)每個(gè)槽內(nèi)只安放有一套繞組，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(jiǎn)單，整個(gè)成本低于現(xiàn)有的各類(lèi)三相感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)；本發(fā)明電機(jī)勵(lì)磁槽內(nèi)安放有勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組從一個(gè)勵(lì)磁槽穿入，然后向外側(cè)方向沿定子背軛外側(cè)穿出，形成一個(gè)線圈，勵(lì)磁繞組圍繞定子槽軛，永磁體和定子背軛纏繞，每個(gè)勵(lì)磁槽內(nèi)的勵(lì)磁繞組為一套線圈；本發(fā)明電樞繞組通交流電流，另一組勵(lì)磁繞組通直流電流，因此電機(jī)的控制電路只需兩個(gè)電力電子功率開(kāi)關(guān)器件，改變了現(xiàn)有的各類(lèi)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)以及永磁電機(jī)定子上均有三相及以上的電樞繞組，需要至少6個(gè)電力電子功率開(kāi)關(guān)器件的現(xiàn)狀，有效地減少功率開(kāi)關(guān)器件個(gè)數(shù)，降低了電機(jī)控制電路中功率開(kāi)關(guān)器件發(fā)生故障的可能性，可靠性提高。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0012]一種軛部雙繞組混合勵(lì)磁永磁直線發(fā)電機(jī)，包括定子、動(dòng)子、附加氣隙和主氣隙，動(dòng)子設(shè)置于定子的內(nèi)部，其中:
[0013]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，位于定子槽靠近外側(cè)方向的定子槽軛和定子背軛之間設(shè)有永磁體，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)定子槽軛部的永磁體的充磁方向相反；
[0014]所述定子槽包括電樞槽和勵(lì)磁槽，所述電樞槽和勵(lì)磁槽交替間隔排列，所述電樞槽內(nèi)設(shè)置有一套電樞繞組，所述勵(lì)磁槽內(nèi)設(shè)有一套勵(lì)磁繞組；
[0015]所述定子齒和動(dòng)子齒之間設(shè)有主氣隙，所述勵(lì)磁槽的槽軛部斷開(kāi)，設(shè)有附加氣隙；所述電樞繞組通交流電