一种单集中绕组低成本高功率密度永磁直线发电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种单集中绕组低成本高功率密度永磁直线发电机。
【背景技术】
[0002]直线电机驱动装置可以将所输入的电能在所需要的场合直接转化为直线动能，实现直线运动，省去传统旋转-直线转换驱动方式中的机械传动转换装置，大大减小了传动装置的体积，提高了整个系统的可靠性和效率，并有效降低了设备的成本和维护费用，不仅如此，还有传统旋转-直线转换驱动方式无法达到的高速，高精度和鲁棒性。另外，由于传动转换装置会显著增加传动系统的振动和噪声，降低系统的控制精度和性能。因此，在现代工业生产过程中，尤其是一切特殊应用场合，如精密仪器，航空航天仪器，医疗仪器等，直线电动机得到了越来越广泛的应用。
[0003]直线发电机可以直接将直线运动产生的动能转化为电能，采用直线发电机直驱发电，可以显著增强运动部件和发电装置的机械相互匹配性，动能捕获率高，尤其在低速的直线运动系统，采用直线发电机更加具有优势。
[0004]目前，直线发电机有以下种类，1)直线感应发电机，它的特点是:端部效应明显，尤其是高速运行时，端部效应使得电机推进力明显减小；效率和功率因数都比较低，通常效率在50%?60%，功率因数只有0.5左右，控制系统和控制策略非常复杂；2)永磁直线发电机，具有高功率密度和高效率等优点，目前已应用于海洋波浪能直驱发电系统。但是，现有永磁直线电机的永磁体大多位于动子上，随着动子做往复运动，永磁材料的磁性能易受温度，锈蚀和振动等外部环境因素的影响，因此，对于运行环境较为恶劣的场合，永磁直线发电机并不适用；3)直线开关磁阻发电机，电机本体结构简单，制造成本低，运行可靠性高，具有能够在各种恶劣条件下运行的优势，维护成本低。除此之外，其整个系统效率高于直线感应电动机，而且具有宽广的经济运行范围，可以通过各种灵活的控制策略实现一系列令人满意的性能，但是直线开关磁阻电机功率密度较低。
[0005]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，与旋转永磁电机类似，现有永磁直线电机绕组一般为3相，定子槽数目多，绕组下线工艺复杂，制造成本高；现有大多数永磁直线电机永磁体位于动子上，运行时随动子一起运动，永磁体需采用特殊工序固定，制造成本高，尤其电机运行速度较高时，永磁体固定困难，由于永磁体位于动子上，运行时散热困难，温升和由于往复运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；现有永磁直线电机一般为三相，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。现有永磁直线电机大多是永磁体直接面对气隙，永磁体面临不可退磁危险，而且，现有永磁直线电机绕组相数多，铁芯内槽数目多，制造时绕组下线工艺复杂，铁芯用量大，电机质量大，电机发电运行时材料利用率低，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直线发电机至关重要。
[0006]除此之外，现有永磁直线电机多采用分布绕组或者横跨多个极距的集中绕组，普遍存在绕组端部长，用铜量大，制造成本高，电机运行时铜耗大，效率低等缺点，尤其是对于定子长度较大，宽度较小的电机，这种缺点尤为突出，需要采用特殊的绕组线圈连接方式来减小绕组端部，减小用铜，提高电机运行效率。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型为了解决上述问题，提出了一种单集中绕组低成本高功率密度永磁直线发电机，本永磁电动机的定子上只有一套定子电枢绕组，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，槽满率高，且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；同时，本实用新型运行时只有一套电枢绕组通交流电流，因此电机的控制电路只需2个电力电子功率开关器件，改变了现有的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的现状，有效地减少功率开关器件个数，降低了电机控制电路中功率开关器件发生故障的可能性，可靠性提尚。
[0008]为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0009]—种单集中绕组低成本高功率密度永磁直线发电机，包括定子、动子和主气隙，其中:
[0010]所述定子上均匀设置有偶数个定子齿，相邻两个定子齿中设有定子槽，定子槽轭与定子背轭之间设有永磁体，所述定子齿与动子的动子齿之间设有主气隙，所述永磁体产生的磁通经过主气隙进入动子形成主磁通；
[0011]所述永磁体不随动子转动，同一个定子槽轭上的永磁体的充磁方向相同，相邻两个定子槽轭部上的永磁体的充磁方向相反；
[0012]所述定子槽内安放有一套电枢绕组，通过控制一套电枢绕组的电流大小和方向，使电枢电流磁场和永磁体产生的磁场相互作用改变，利用定子和动子间磁阻变化产生转矩。定子槽内只安放有一套电枢绕组，定子槽内不需要相间绝缘，槽利用率高，绕组下线工艺简单，制造成本低。
[0013]永磁体不随动子转动的设置，使得安装方便，有利于散热，消除了普通单相永磁电机由于永磁体随动子旋转而产生的机械应力损坏和永磁体散热不良等缺点。
[0014]进一步的，每块永磁体由一整块永磁体充磁而成或者由多块宽度较窄的永磁体拼接而成，所述永磁体的宽度可以相同，也可以不同。
[0015]所述定子齿的个数为大于等于2的偶数。
[0016]所述动子齿的个数大于等于定子齿个数的1/2。
[0017]所述永磁体的块数个数为动子齿的m倍，m为大于等于1的自然数。
[0018]所述定子齿、定子槽轭、定子背轭和动子齿均由硅钢片叠压而成或者由高磁导率铁芯材料制成。
[0019]所述永磁体与定子背轭铁芯和定子槽轭铁芯均紧密接触。
[0020]所述两个相邻的定子齿通过定子槽轭连接，每两个定子齿和之间的定子槽轭形成一块整体铁芯，电机内该整体铁芯块数为定子齿个数的1/2。
[0021]所述电枢绕组为简单的集中绕组，从一个电枢槽穿入，向外侧方向沿定子背轭外侧穿出，形成一个线圈，电枢绕组围绕定子槽轭，永磁体和定子背轭缠绕，当电机的定子铁心长度比较大时，可以有效减小端部绕组长度，减少用铜量，降低电机成本并降低电机的铜耗，提高效率，每个电枢槽的电枢绕组形成1套线圈，所有线圈可以相互并联或者串联。
[0022]电机运行时，只需要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