一種雙繞組高功率密度混合勵磁永磁直線發(fā)電機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種雙繞組高功率密度混合勵磁永磁直線發(fā)電機。
【背景技術(shù)】
[0002]直線電機驅(qū)動裝置可以將所輸入的電能在所需要的場合直接轉(zhuǎn)化為直線動能，實現(xiàn)直線運動，省去傳統(tǒng)運動-直線轉(zhuǎn)換驅(qū)動方式中的機械傳動轉(zhuǎn)換裝置，大大減小了傳動裝置的體積，提高了整個系統(tǒng)的可靠性和效率，并有效降低了設(shè)備的成本和維護(hù)費用，不僅如此，還有傳統(tǒng)運動-直線轉(zhuǎn)換驅(qū)動方式無法達(dá)到的高速，高精度和魯棒性。另外，由于傳動轉(zhuǎn)換裝置會顯著增加傳動系統(tǒng)的振動和噪聲，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，直線電動機得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003]直線發(fā)電機可以直接將直線運動產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為電能，采用直線發(fā)電機直驅(qū)發(fā)電，可以顯著增強運動部件和發(fā)電裝置的機械相互匹配性，動能捕獲率高，尤其在低速的直線運動系統(tǒng)，采用直線發(fā)電機更加具有優(yōu)勢。
[0004]目前，直線發(fā)電機有以下種類，I)直線感應(yīng)發(fā)電機，它的特點是:端部效應(yīng)明顯，尤其是高速運行時，端部效應(yīng)使得電機推進(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，具有高功率密度和高效率等優(yōu)點，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)有永磁直線電機的永磁體大多位于動子上，隨著動子做往復(fù)運動，永磁材料的磁性能易受溫度，銹蝕和振動等外部環(huán)境因素的影響，因此，對于運行環(huán)境較為惡劣的場合，永磁直線發(fā)電機并不適用；3)直線開關(guān)磁阻發(fā)電機，電機本體結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，運行可靠性高，具有能夠在各種惡劣條件下運行的優(yōu)勢，維護(hù)成本低。除此之外，其整個系統(tǒng)效率高于直線感應(yīng)電動機，而且具有寬廣的經(jīng)濟運行范圍，可以通過各種靈活的控制策略實現(xiàn)一系列令人滿意的性能，但是直線開關(guān)磁阻發(fā)電機功率密度較低。
[0005]近年來，隨著永磁材料耐高溫性能的提高和價格的降低，永磁電機在國防、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。目前永磁電機的功率從幾毫瓦到幾千千瓦，應(yīng)用范圍從玩具電機、工業(yè)應(yīng)用到艦船牽引用的大型永磁電機，在國民經(jīng)濟、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，與運動永磁電機類似，現(xiàn)有永磁直線電機繞組一般為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)永磁直線電機永磁體位于動子上，運行時隨動子一起運動，永磁體需采用特殊工序固定，制造成本高，尤其電機運行速度較高時，永磁體固定困難，由于永磁體位于動子上，運行時散熱困難，溫升和由于往復(fù)運動而引起的振動會導(dǎo)致永磁體機械結(jié)構(gòu)損壞和發(fā)生不可逆退磁；現(xiàn)有永磁直線發(fā)電機一般為三相，要求電機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，使得電機功率逆變電路成本相當(dāng)高，甚至達(dá)到電機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，運行時系統(tǒng)的可靠性降低?，F(xiàn)有永磁直線電機大多是永磁體直接面對氣隙，永磁體面臨不可退磁危險，而且，現(xiàn)有永磁直線電機繞組相數(shù)多，鐵芯內(nèi)槽數(shù)目多，制造時繞組下線工藝復(fù)雜，鐵芯用量大，電機質(zhì)量大，電機發(fā)電運行時材料利用率低
[0006]現(xiàn)有永磁直線電機由于永磁體磁動勢固定，電機主磁通不可調(diào)，導(dǎo)致恒功率運行范圍窄，發(fā)電運行時電壓不可調(diào)，沒有故障滅磁功能，而且電機繞組一般為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)永磁電機永磁體位于動子上，運行時隨動子一起運動，永磁體需采用特殊工序固定，制造成本高，尤其電機轉(zhuǎn)速較高時，永磁體固定更加困難，由于永磁體位于動子上，運行時散熱困難，溫升和由于動子運動而引起的振動會導(dǎo)致永磁體機械結(jié)構(gòu)損壞和發(fā)生不可逆退磁；現(xiàn)有永磁直線電機一般為三相，要求電機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，使得電機功率逆變電路成本相當(dāng)高，甚至達(dá)到電機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，運行時系統(tǒng)的可靠性降低。
[0007]針對現(xiàn)有永磁直線電機勵磁磁勢不可調(diào)的缺點，相關(guān)學(xué)者提出了一些混合勵磁結(jié)構(gòu)電機，這類混合勵磁結(jié)構(gòu)電機從勵磁方式上可以分為兩類，一類是永磁體磁勢與勵磁繞組磁勢串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)由于勵磁磁通需要穿過永磁體，勵磁電流大，勵磁損耗高，而且會對永磁體產(chǎn)生不可逆退磁的風(fēng)險，應(yīng)用不廣泛；另一類是永磁體磁勢和勵磁繞組磁勢并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)一般采用定子永磁式，永磁體位于定子上，通過調(diào)節(jié)勵磁繞組電流調(diào)節(jié)磁場，這類電機調(diào)磁性能好，但增加勵磁繞組后，電機繞組套數(shù)更多，使得電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有時會出現(xiàn)一個槽內(nèi)有多套繞組的情況或者既有相繞組又有勵磁繞組的情況，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，需要加開勵磁槽，電機機械結(jié)構(gòu)零散化嚴(yán)重，組裝固定困難，加工工藝復(fù)雜，電機成本高。更為重要的是，增加勵磁繞組后，需要至少再增加一個功率開關(guān)器件控制勵磁繞組的電流，這更進(jìn)一步增加了功率電路的成本，而且，勵磁繞組產(chǎn)生的磁通和主磁通共用主磁路和主氣隙，勵磁效果受到電機其他設(shè)計參數(shù)的限制，一旦電機制成，只能通過調(diào)節(jié)勵磁電流控制勵磁效果，無法通過單獨設(shè)計勵磁磁路來控制勵磁磁通。
[0008]因此，尋求一種繞組相數(shù)少，鐵芯用量少，電機本體制造工藝簡單，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有調(diào)磁功能的混合勵磁永磁直線發(fā)電機至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種雙繞組高功率密度混合勵磁永磁直線發(fā)電機，本永磁電動機的定子上有一套定子電樞繞組和一套勵磁繞組，電機每個槽內(nèi)只安放有一套繞組，運行時只有一套電樞繞組通交流電流，另一組勵磁繞組通直流電流，槽內(nèi)不需要相間絕緣，槽滿率高，且電機繞組下線工序簡單，整個成本低于現(xiàn)有的各類三相感應(yīng)電機和永磁電機；永磁體固定于定子上，不隨動子往復(fù)運動，安裝方便，有利于散熱，消除了普通永磁直線電機由于永磁體隨動子往復(fù)運動而產(chǎn)生的機械應(yīng)力損壞，永磁體散熱不良等缺點。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0011]一種雙繞組高功率密度混合勵磁永磁直線發(fā)電機，包括定子、動子、附加氣隙和主氣隙，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，所述定子齒與動子的動子齒之間設(shè)有主氣隙；
[0013]所述定子槽包括電樞槽和勵磁槽，電樞槽和勵磁槽交替間隔排列，兩個相鄰的電樞槽內(nèi)環(huán)繞有一套電樞繞組，兩個相鄰的勵磁槽內(nèi)環(huán)繞有一套勵磁繞組，且所述電樞繞組通交流電流，所述勵磁繞組通方向不變的直流電流；
[0014]所述勵磁繞組所在的定子槽的軛部中設(shè)有附加氣隙，相鄰兩塊永磁體產(chǎn)生