一種單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)明涉及一種永磁電動機(jī)，尤其涉及一種單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(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。主要應(yīng)用如下:
[0003](I)家用電器領(lǐng)域:包括電視音像設(shè)備、風(fēng)扇、空調(diào)器、食品加工機(jī)、美容工具、油煙機(jī)等。
[0004](2)計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備領(lǐng)域:包括計(jì)算機(jī)(驅(qū)動器、風(fēng)扇等)、打印機(jī)、繪圖儀、光驅(qū)、光盤刻錄機(jī)等。
[0005](3)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域:包括工業(yè)驅(qū)動裝置、材料加工系統(tǒng)、自動化設(shè)備、機(jī)器人等。
[0006](4)汽車領(lǐng)域:包括永磁起動機(jī)、雨刮器電機(jī)、門鎖電機(jī)、座椅升降電機(jī)、遮陽頂棚電機(jī)、清洗栗電機(jī)、錄音機(jī)用電機(jī)、玻璃升降電機(jī)、散熱器冷卻風(fēng)扇電機(jī)、空調(diào)電機(jī)、天線升降電機(jī)、油栗電機(jī)等。
[0007](5)公共生活領(lǐng)域:包括鐘表、美容機(jī)械、自動售貨機(jī)、自動取款機(jī)、點(diǎn)鈔機(jī)等。
[0008](6)交通運(yùn)輸:包括電車、飛機(jī)輔助設(shè)備、艦船等。
[0009](7)航天:包括火箭、衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機(jī)等。
[0010](8)國防:包括坦克、導(dǎo)彈、潛艇、飛機(jī)等。
[0011](9)醫(yī)療:包括牙鉆、人工心臟、醫(yī)療器械等。
[0012](10)發(fā)電:包括風(fēng)力發(fā)電、余熱發(fā)電、小型水力發(fā)電、小型內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組用發(fā)電機(jī)，以及大型發(fā)電機(jī)的副勵磁機(jī)等。
[0013]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)。
[0014]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(shí)現(xiàn)自同步。它們的優(yōu)點(diǎn)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。
[0015]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(shí)現(xiàn)自起動，無需控制系統(tǒng)即可并網(wǎng)運(yùn)行。
[0016]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。
[0017]現(xiàn)有永磁電機(jī)繞組存在的問題主要是:
[0018]1、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(shí)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(shí)，永磁體固定更加困難，由于永磁體位于轉(zhuǎn)子上，運(yùn)行時(shí)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。
[0019]2、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(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(shí)系統(tǒng)的可靠性降低。
[0020]3、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?yàn)椴捎闷叫谐浯艜r(shí)，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。
[0021]4、現(xiàn)有永磁電機(jī)制造時(shí)鐵芯用量大，電機(jī)質(zhì)量大，電機(jī)運(yùn)行時(shí)材料利用率低。
[0022]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電機(jī)至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種單繞組低成本高功率密度永磁電動機(jī)，本發(fā)明具有以下特點(diǎn):
[0024]1、本發(fā)明電機(jī)為永磁電機(jī)，定子上只有一套定子電樞繞組A，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，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)，由于槽內(nèi)不需相間絕緣，槽滿率高。
[0025]2、本發(fā)明電機(jī)永磁體固定于定子上，不隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，安裝方便，有利于散熱，消除了普通永磁電機(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，永磁體散熱不良等缺點(diǎn)。
[0026]3、本發(fā)明電機(jī)的功率密度高，材料利用率高，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。
[0027]4、本發(fā)明電機(jī)運(yùn)行時(shí)只有一套電樞繞組A通交流電流，因此電機(jī)的控制電路只需兩個(gè)電力電子功率開關(guān)器件，如IGBT或者M(jìn)OSFET，如圖1所示，而現(xiàn)有各類感應(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(gè)電力電子功率開關(guān)器件，如圖2所示，因此，本發(fā)明電機(jī)的控制系統(tǒng)所需開關(guān)器件少，成本低，結(jié)構(gòu)簡單。此外，由于功率開關(guān)器件個(gè)數(shù)少，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，可靠性提高。
[0028]5、本發(fā)明電機(jī)的永磁體選擇靈活，既可以選擇高磁能積的永磁體，也可以選擇鐵氧體等低磁能積的永磁體，因?yàn)榭梢酝ㄟ^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。
[0029]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下:
[0030]一種單繞組低成本高功率密度永磁電動機(jī)，包括定子及轉(zhuǎn)子，所述定子包括由定子背軛和多個(gè)定子槽軛組成的定子軛，定子背軛與每個(gè)定子槽軛之間設(shè)有永磁體，每個(gè)定子槽軛的兩端分別設(shè)置有定子齒，定子齒之間為電樞槽，所述電樞槽內(nèi)安放有一套電樞繞組；
[0031]所述轉(zhuǎn)子包括多個(gè)轉(zhuǎn)子齒，相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)子齒之間設(shè)有轉(zhuǎn)子槽，每個(gè)轉(zhuǎn)子齒與定子齒之間設(shè)有主氣隙；
[0032]電機(jī)運(yùn)行時(shí)，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，利用定子和轉(zhuǎn)子間磁阻變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
[0033]進(jìn)一步的，所述電樞繞組從一個(gè)電樞繞組所在電樞槽穿入，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。
[0034]進(jìn)一步的，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)相鄰另一個(gè)定子槽軛下的永磁體，再經(jīng)過定子背軛閉合，形成電機(jī)的主磁通。
[0035]所述電機(jī)定子齒的個(gè)數(shù)1^滿足:ns= 2*n，其中η是大于等于2的自然數(shù)。
[0036]所述電機(jī)轉(zhuǎn)子齒的個(gè)數(shù)1^和電機(jī)定子齒的個(gè)數(shù)n s滿足:nr = n s/2。
[0037]所述永磁體的塊數(shù)npm和電機(jī)定子齒的個(gè)數(shù)n s滿足:npm/m = 0.5*ns，m為大于等于I的自然數(shù)。
[0038]進(jìn)一步的，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，電機(jī)