一種環(huán)形單集中繞組低成本高功率密度永磁電動機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種環(huán)形單集中繞組低成本高功率密度永磁電動機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著永磁材料耐高溫性能的提高和價格的降低，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)、航空航天的各個方面得到了廣泛應(yīng)用。
[0003]常規(guī)交流永磁電機(jī)通常分為以下幾類:異步起動永磁同步電動機(jī)、永磁無刷直流電動機(jī)、調(diào)速永磁同步電動機(jī)。
[0004]無刷直流電機(jī)和調(diào)速永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)上基本相同，定子上為多相繞組，轉(zhuǎn)子上有永磁體，它們的主要區(qū)別在于無刷直流電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息實現(xiàn)自同步。它們的優(yōu)點在于:(1)取消了電刷換向器，可靠性提高；(2)損耗主要由定子產(chǎn)生，散熱條件好；(3)體積小、重量輕。
[0005]異步起動永磁同步電動機(jī)與調(diào)速永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)上的區(qū)別是:前者轉(zhuǎn)子上有起動繞組或具有起動作用的整體鐵心，能實現(xiàn)自起動，無需控制系統(tǒng)即可并網(wǎng)運(yùn)行。
[0006]除此之外，還有單相永磁電機(jī)，單相永磁電機(jī)需要配套電容起動和運(yùn)行，體積笨重，成本高，而且整體運(yùn)行的效率和功率因數(shù)都較低。
[0007]現(xiàn)有永磁電機(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)永磁電機(jī)永磁體位于轉(zhuǎn)子上，運(yùn)行時隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，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，永磁體固定更加困難，由于永磁體位于轉(zhuǎn)子上，運(yùn)行時散熱困難，溫升和由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動而引起的振動會導(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)動該功率開關(guān)器件的驅(qū)動電路和保護(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)行時系統(tǒng)的可靠性降低；現(xiàn)有永磁電機(jī)大多是永磁體直接面對氣隙，需要采用徑向充磁的永磁體，因為采用平行充磁時，電機(jī)每極磁通量會顯著減少，降低電機(jī)的出力和功率密度，但徑向充磁永磁體成本高，獲得均勻的徑向充磁的永磁體非常困難；現(xiàn)有永磁電機(jī)制造時鐵芯用量大，電機(jī)質(zhì)量大，電機(jī)運(yùn)行時材料利用率低，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)器件個數(shù)少，控制器和功率電路成本低的永磁電機(jī)至關(guān)重要。
[0008]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極距的集中繞組，普遍存在繞組端部長，用銅量大，制造成本高，電機(jī)運(yùn)行時銅耗大，效率低等缺點，尤其是對于外徑較大，軸向長度較小，也就是徑長比值較大的電機(jī)，這種缺點尤為突出，需要采用特殊的繞組線圈連接方式來減小繞組端部，減小用銅，提高電機(jī)運(yùn)行效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種環(huán)形單集中繞組低成本高功率密度永磁電動機(jī)，本永磁電動機(jī)的定子上只有一套定子電樞繞組，而且電機(jī)每個槽內(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，整個成本低于現(xiàn)有的各類三相感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)；同時，本發(fā)明運(yùn)行時只有一套電樞繞組通交流電流，因此電機(jī)的控制電路只需兩個電力電子功率開關(guān)器件，改變了現(xiàn)有的各類感應(yīng)電動機(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個電力電子功率開關(guān)器件的現(xiàn)狀，有效地減少功率開關(guān)器件個數(shù)，降低了電機(jī)控制電路中功率開關(guān)器件發(fā)生故障的可能性，可靠性提尚°
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0011]—種環(huán)形單集中繞組低成本高功率密度永磁電動機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子和主氣隙，定子呈環(huán)形，轉(zhuǎn)子設(shè)置于定子的內(nèi)部，其中:
[0012]所述定子上均勻設(shè)置有偶數(shù)個定子齒，相鄰兩個定子齒中設(shè)有定子槽，定子槽軛與定子背軛之間設(shè)有永磁體，所述定子齒與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子齒之間設(shè)有主氣隙，所述永磁體產(chǎn)生的磁通經(jīng)過主氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子形成主磁通；
[0013]所述永磁體不隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，同一個定子槽軛上的永磁體的充磁方向相同，相鄰兩個定子槽軛部上的永磁體的充磁方向相反；
[0014]所述定子槽內(nèi)安放有一套電樞繞組，通過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改變，利用定子和轉(zhuǎn)子間磁阻變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。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。
[0015]永磁體不隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的設(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)由于永磁體隨轉(zhuǎn)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。
[0016]進(jìn)一步的，所述永磁體為平行充磁或者徑向充磁，每塊永磁體由一整塊永磁體充磁而成或者由多塊永磁體拼接而成，所述永磁體的極弧寬度可以相同，也可以不同。
[0017]所述定子齒的個數(shù)為大于等于4的偶數(shù)。
[0018]所述轉(zhuǎn)子齒的個數(shù)為定子齒個數(shù)的1/2。
[0019]所述永磁體的塊數(shù)個數(shù)為轉(zhuǎn)子齒的m倍，m為大于等于I的自然數(shù)。
[0020]所述定子齒、定子槽軛、定子背軛和轉(zhuǎn)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。
[0021]所述永磁體與定子背軛鐵芯和定子槽軛鐵芯均緊密接觸。
[0022]所述兩個相鄰的定子齒通過定子槽軛連接，每兩個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)與轉(zhuǎn)子齒個數(shù)相等。
[0023]所述電樞繞組為集中繞組，從一個電樞槽穿入，向外徑方向沿定子背軛外側(cè)穿出，形成一個線圈，電樞繞組圍繞定子槽軛、永磁體和定子背軛纏繞，當(dāng)電機(jī)的徑長比較大時，可以有效減小端部繞組長度，減少用銅量，降低電機(jī)成本并降低電機(jī)的銅耗，提高效率，每個電樞槽的電樞繞組形成I套線圈，所有電樞槽內(nèi)的線圈相互并聯(lián)或者串聯(lián)。電機(jī)運(yùn)行時，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，定子磁場在某個方向上連續(xù)開通或者關(guān)斷，利用定子和轉(zhuǎn)子間磁阻變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
[0024]所述電機(jī)的永磁體的極弧寬度通過根據(jù)永磁體的磁能積或者剩磁密度靈活確定，根據(jù)電機(jī)的設(shè)計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)計磁密的需要。
[0025]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。
[0026]所述轉(zhuǎn)子為對稱凸極轉(zhuǎn)子、階梯型轉(zhuǎn)子或者渦輪狀轉(zhuǎn)子。
[0027]本發(fā)明的工作原理為:
[0028]電機(jī)的定子鐵芯和轉(zhuǎn)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，所述永磁體產(chǎn)生的磁通經(jīng)過定子槽軛，定子齒和主氣隙沿電機(jī)徑向流入轉(zhuǎn)子齒，再經(jīng)過相鄰的轉(zhuǎn)子齒流出到主氣隙到達(dá)另一個極下的永磁體，再經(jīng)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，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，使得一個定子齒顯示極性，有主磁通磁通經(jīng)過，相鄰的另一個定子齒沒有極性，無磁通流過，由于電樞繞組每隔一個槽設(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，將使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到使轉(zhuǎn)子齒與具有極性的定子齒重合，由于轉(zhuǎn)子齒數(shù)為定子齒數(shù)的一半，此時正好每個轉(zhuǎn)子齒均與定子齒正對，這個位置為轉(zhuǎn)子齒和定子齒的對齊位置，這個位置對應(yīng)的磁阻最小。此時，要想轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，需改變電樞繞組內(nèi)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，這時，根據(jù)磁阻最小原理，轉(zhuǎn)子齒將有旋轉(zhuǎn)到與現(xiàn)在有極性定子齒對齊的趨勢，因而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子將受力旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒與定子再次重合后，繼續(xù)改變電樞繞組電流的方向，這個過程將一直重復(fù)，轉(zhuǎn)子將持續(xù)旋轉(zhuǎn)。
[0029]本發(fā)明的