一種環(huán)形軛部電樞繞組高功率密度混合勵磁永磁電動機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種環(huán)形軛部電樞繞組高功率密度混合勵磁永磁電動機。
【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。
[0003]常規(guī)交流永磁電機通常分為以下幾類:異步起動永磁同步電動機、永磁無刷直流電動機、調(diào)速永磁同步電動機。
[0004]無刷直流電機和調(diào)速永磁同步電機結(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與調(diào)速永磁同步電動機結(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)運行。
[0006]除此之外，還有單相永磁電機，單相永磁電機需要配套電容起動和運行，體積笨重，成本高，而且整體運行的效率和功率因數(shù)都較低。
[0007]現(xiàn)有永磁電機由于永磁體磁動勢固定，電機主磁通不可調(diào)，導致恒功率運行范圍窄，調(diào)速范圍不夠?qū)挿?，而且電機繞組一般為3相，定子槽數(shù)目多，繞組下線工藝復雜；現(xiàn)有大多數(shù)永磁電機永磁體位于轉(zhuǎn)子上，運行時隨轉(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MOSFET等，以及與之相應(yīng)的驅(qū)動該功率開關(guān)器件的驅(qū)動電路和保護電路，使得電機功率逆變電路成本相當高，甚至達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。
[0008]針對現(xiàn)有永磁電機勵磁磁勢不可調(diào)的缺點，相關(guān)學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)零散化嚴重，組裝固定困難，加工工藝復雜，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，因此，尋求一種本體結(jié)構(gòu)簡單，成本低，調(diào)磁功能靈活但功率開關(guān)器件個數(shù)少，控制器和功率電路成本低的混合勵磁永磁電機至關(guān)重要，因此，尋求一種本體結(jié)構(gòu)簡單，成本低，有調(diào)磁功能但功率開關(guān)器件個數(shù)少，控制器和功率電路成本低的混合勵磁永磁電機至關(guān)重要。
[0009]除此之外，現(xiàn)有永磁電機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，電機運行時銅耗大，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，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，提高電機運行效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種環(huán)形軛部電樞繞組高功率密度混合勵磁永磁電動機，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，而且電機每個槽內(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；本發(fā)明電機電樞槽內(nèi)安放有電樞繞組，電樞繞組從一個電樞槽穿入，然后向外徑方向經(jīng)過定子背軛穿出，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；本發(fā)明電樞繞組通交流電流，另一組勵磁繞組通直流電流，因此電機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)電動機以及永磁電機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。
[0011]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0012]—種環(huán)形軛部電樞繞組高功率密度混合勵磁永磁電動機，包括定子、轉(zhuǎn)子、附加氣隙和主氣隙，定子呈環(huán)形，轉(zhuǎn)子設(shè)置于定子的內(nèi)部，其中:
[0013]所述定子上圓周均勻設(shè)置有偶數(shù)個定子齒，相鄰兩個定子齒中設(shè)有定子槽，定子槽軛和定子背軛之間設(shè)有永磁體，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，相鄰兩個定子槽軛上的永磁體的充磁方向相反；
[0014]所述定子槽包括電樞槽和勵磁槽，所述電樞槽和勵磁槽沿圓周交替間隔排列，所述電樞槽內(nèi)設(shè)置有一套電樞繞組，所述電樞繞組通交流電流，兩個相鄰的勵磁槽內(nèi)環(huán)繞有一套勵磁繞組，所述勵磁繞組通方向不變的直流電流；
[0015]所述定子齒和轉(zhuǎn)子齒之間設(shè)有主氣隙，所述勵磁繞組所在槽底部的軛部斷開，設(shè)有附加氣隙；通過電樞電流磁場、勵磁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。
[0016]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由于永磁體隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的機械應(yīng)力損壞和永磁體散熱不良等缺點。
[0017]進一步的，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。
[0018]所述定子齒的個數(shù)為大于等于4的偶數(shù)。
[0019]所述轉(zhuǎn)子齒的個數(shù)為定子齒個數(shù)的1/2。
[0020]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)。
[0021]所述勵磁繞組產(chǎn)生的磁通經(jīng)過附加氣隙、定子齒、主氣隙和轉(zhuǎn)子齒形成閉合回路，勵磁繞組產(chǎn)生的磁通不經(jīng)過永磁體，與永磁體產(chǎn)生的磁通形成并聯(lián)關(guān)系，減小了勵磁磁通對應(yīng)回路的磁阻，同樣勵磁電流可產(chǎn)生較大的勵磁磁通，不僅有效提高了弱磁效率，而且避免了永磁體由于勵磁磁通穿過永磁體引起永磁體反向磁化而產(chǎn)生的磁性能下降等不可逆退磁的風險，增強了電機的可靠性。
[0022]所述永磁體與定子背軛鐵芯和定子槽軛鐵芯均緊密接觸。
[0023]所述附加氣隙可以為各處寬度相同的均勻氣隙，也可以為各處寬度不同的非均勻氣隙，可以改變附加氣隙的寬度或者采用上下不等寬氣隙結(jié)構(gòu)得到不同的增磁和弱磁特性，以此滿足不同應(yīng)用場合的需要。
[0024]所述電樞繞組從一個電樞槽穿入，然后向外徑方向沿定子背軛外表面穿出，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，每個電樞槽