一种单绕组低成本高功率密度永磁电动机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种永磁电动机，尤其涉及一种单绕组低成本高功率密度永磁电动机。
【背景技术】
[0002]近年来，随着永磁材料耐高温性能的提高和价格的降低，永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面得到更为广泛的应用，正向大功率化、高性能化和微型化方向发展。目前永磁电机的功率从几毫瓦到几千千瓦，应用范围从玩具电机、工业应用到舰船牵引用的大型永磁电机，在国民经济、日常生活、军事工业、航空航天的各个方面得到了广泛应用。主要应用如下:
[0003](I)家用电器领域:包括电视音像设备、风扇、空调器、食品加工机、美容工具、油烟机等。
[0004](2)计算机及其外围设备领域:包括计算机(驱动器、风扇等)、打印机、绘图仪、光驱、光盘刻录机等。
[0005](3)工业生产领域:包括工业驱动装置、材料加工系统、自动化设备、机器人等。
[0006](4)汽车领域:包括永磁起动机、雨刮器电机、门锁电机、座椅升降电机、遮阳顶棚电机、清洗栗电机、录音机用电机、玻璃升降电机、散热器冷却风扇电机、空调电机、天线升降电机、油栗电机等。
[0007](5)公共生活领域:包括钟表、美容机械、自动售货机、自动取款机、点钞机等。
[0008](6)交通运输:包括电车、飞机辅助设备、舰船等。
[0009](7)航天:包括火箭、卫星、宇宙飞船、航天飞机等。
[0010](8)国防:包括坦克、导弹、潜艇、飞机等。
[0011](9)医疗:包括牙钻、人工心脏、医疗器械等。
[0012](10)发电:包括风力发电、余热发电、小型水力发电、小型内燃发电机组用发电机，以及大型发电机的副励磁机等。
[0013]常规交流永磁电机通常分为以下几类:异步起动永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机、调速永磁同步电动机。
[0014]无刷直流电机和调速永磁同步电机结构上基本相同，定子上为多相绕组，转子上有永磁体，它们的主要区别在于无刷直流电机根据转子位置信息实现自同步。它们的优点在于:(1)取消了电刷换向器，可靠性提高；(2)损耗主要由定子产生，散热条件好；(3)体积小、重量轻。
[0015]异步起动永磁同步电动机与调速永磁同步电动机结构上的区别是:前者转子上有起动绕组或具有起动作用的整体铁心，能实现自起动，无需控制系统即可并网运行。
[0016]除此之外，还有单相永磁电机，单相永磁电机需要配套电容起动和运行，体积笨重，成本高，而且整体运行的效率和功率因数都较低。
[0017]现有永磁电机绕组存在的问题主要是:
[0018]1、现有永磁电机绕组一般为3相，定子槽数目多，绕组下线工艺复杂，制造成本高；现有大多数永磁电机永磁体位于转子上，运行时随转子一起转动，永磁体需采用特殊工序固定，制造成本高，尤其电机转速较高时，永磁体固定更加困难，由于永磁体位于转子上，运行时散热困难，温升和由于转子转动而引起的振动会导致永磁体机械结构损坏和发生不可逆退磁。
[0019]2、现有永磁电机一般为三相，要求电机的功率逆变电路至少需要6个功率开关器件，如IGBT或者MOSFET等，以及与之相应的驱动该功率开关器件的驱动电路和保护电路，使得电机功率逆变电路成本相当高，甚至达到电机本体成本的两到三倍，功率开关器件数量增多增加了控制电路复杂程度，器件发生故障的可能性增加，运行时系统的可靠性降低。
[0020]3、现有永磁电机大多是永磁体直接面对气隙，需要采用径向充磁的永磁体，因为采用平行充磁时，电机每极磁通量会显著减少，降低电机的出力和功率密度，但径向充磁永磁体成本高，获得均匀的径向充磁的永磁体非常困难。
[0021]4、现有永磁电机制造时铁芯用量大，电机质量大，电机运行时材料利用率低。
[0022]因此，寻求一种绕组相数少，铁芯用量少，电机本体制造工艺简单，永磁体位于定子上，安装方便，成本低，功率电路开关器件个数少，控制器和功率电路成本低的永磁电机至关重要。
【发明内容】
[0023]为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种单绕组低成本高功率密度永磁电动机，本发明具有以下特点:
[0024]1、本发明电机为永磁电机，定子上只有一套定子电枢绕组A，而且电机每个槽内只安放有一套电枢绕组，槽内不需要相间绝缘，电机绕组下线工序简单，整个成本低于现有的各类三相感应电机和永磁电机，由于槽内不需相间绝缘，槽满率高。
[0025]2、本发明电机永磁体固定于定子上，不随转子转动，安装方便，有利于散热，消除了普通永磁电机由于永磁体随转子旋转而产生的机械应力损坏，永磁体散热不良等缺点。
[0026]3、本发明电机的功率密度高，材料利用率高，同样设计功率的电机，本发明电机节省材料用量，降低成本。
[0027]4、本发明电机运行时只有一套电枢绕组A通交流电流，因此电机的控制电路只需两个电力电子功率开关器件，如IGBT或者MOSFET，如图1所示，而现有各类感应电动机以及永磁电机定子上均有三相及以上的电枢绕组，需要至少6个电力电子功率开关器件，如图2所示，因此，本发明电机的控制系统所需开关器件少，成本低，结构简单。此外，由于功率开关器件个数少，降低了电机控制电路中功率开关器件发生故障的可能性，可靠性提高。
[0028]5、本发明电机的永磁体选择灵活，既可以选择高磁能积的永磁体，也可以选择铁氧体等低磁能积的永磁体，因为可以通过电机的设计气隙磁密确定永磁体的剩磁密度，再通过改变永磁体的极弧系数来确定永磁体的磁能积，而现有永磁电机由于极弧系数受到极数的限制，通常只有采用高性能永磁体才能满足设计磁密的需要。
[0029]为实现上述目的，本发明的具体方案如下:
[0030]一种单绕组低成本高功率密度永磁电动机，包括定子及转子，所述定子包括由定子背轭和多个定子槽轭组成的定子轭，定子背轭与每个定子槽轭之间设有永磁体，每个定子槽轭的两端分别设置有定子齿，定子齿之间为电枢槽，所述电枢槽内安放有一套电枢绕组；
[0031]所述转子包括多个转子齿，相邻两个转子齿之间设有转子槽，每个转子齿与定子齿之间设有主气隙；
[0032]电机运行时，控制一套电枢绕组的电流大小和方向，电枢电流磁场和永磁体产生的磁场相互作用使得定子齿上的磁通相互增强或者抵消，定子磁场在某个方向上连续开通或者关断，利用定子和转子间磁阻变化产生转矩。
[0033]进一步的，所述电枢绕组从一个电枢绕组所在电枢槽穿入，从相邻的电枢槽穿出，相邻两个电枢槽内的绕组组成一个电枢线圈，每个电枢线圈横跨两个定子齿距，相邻两个电枢槽内绕组的电流大小相同，方向相反。
[0034]进一步的，当电枢绕组不通电时，所述永磁体产生的磁通经过定子槽轭、定子齿和主气隙沿电机径向流入转子齿，再经过相邻的转子齿流出到主气隙到达相邻另一个定子槽轭下的永磁体，再经过定子背轭闭合，形成电机的主磁通。
[0035]所述电机定子齿的个数1^满足:ns= 2*n，其中η是大于等于2的自然数。
[0036]所述电机转子齿的个数1^和电机定子齿的个数n s满足:nr = n s/2。
[0037]所述永磁体的块数npm和电机定子齿的个数n s满足:npm/m = 0.5*ns，m为大于等于I的自然数。
[0038]进一步的，当电枢绕组通电时，电枢绕组电流产生的磁场使得电枢绕组所在电枢槽两侧的定子齿分别呈现不同的极性，与永磁体产生的磁场作用叠加，使得一个定子齿显示极性，有主磁通磁通经过，相邻的另一个定子齿没有极性，无磁通流过，电机