CN205081586U - 一种单绕组低成本高功率密度永磁直线发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单绕组低成本高功率密度永磁直线发电机，其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，所述相邻两块永磁体产生的磁通经过主气隙进入动子形成主磁通；永磁体不随动子转动，相邻两个定子槽内安放有一套电枢绕组，电枢绕组从一个电枢绕组所在槽穿入，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。本实用新型只有一套绕组，运行时只需要控制一套电枢绕组的电流大小和方向，功率电路只需要两个功率开关器件。

Description

一种单绕组低成本高功率密度永磁直线发电机

技术领域

本实用新型涉及一种单绕组低成本高功率密度永磁直线发电机。

背景技术

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。

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。

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。

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。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种单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；永磁体固定于定子上，不随动子往复运动，安装方便，有利于散热，消除了普通永磁直线电机由于永磁体随动子往复运动而产生的机械应力损坏，永磁体散热不良等缺点。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种单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：

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，所述相邻两块永磁体产生的磁通经过主气隙进入动子形成主磁通；

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；

相邻两个定子槽内安放有一套电枢绕组，电枢绕组从一个电枢绕组所在槽穿入，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。

进一步的，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，利用定子和动子间磁阻变化产生转矩并发电。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。

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。

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。

所述定子齿的个数为大于等于2的偶数。

所述动子齿的个数大于等于定子齿个数的1/2。

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。

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。

所述永磁体与定子背轭铁芯和定子槽轭铁芯均紧密接触。

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。

所述电机的永磁体的宽度可以通过根据永磁体的磁能积或者剩磁密度灵活确定，可以根据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。

所述永磁体既可以是高磁能积的永磁材料如钕铁硼也可以是低磁能积的永磁材料如铁氧体或者铝镍钴制成。

本实用新型的工作原理为：

定子铁芯和动子铁心采用硅钢片叠压而成或者高导磁率的铁芯材料一次制成，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，定子齿和主气隙沿流入动子齿，再经过相邻的动子齿流出到主气隙到达另一个极下的永磁体，并通过定子背轭闭合，形成电机的主磁通。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，由于电枢绕组每隔一个槽设置，因此，电机内有一半的定子齿具有极性，一半的定子齿没有极性，根据磁阻最小原理，将使动子运动到使动子齿与具有极性的定子齿重合的位置，由于动子齿数为定子齿数的一半，此时正好每个动子齿均与定子齿正对，这个位置为动子齿和定子齿的对齐位置，这个位置对应的电感最大而磁阻最小。此时，动子继续运动，保持电枢绕组内电流的方向不变，动子将受到阻碍其运动的力，并发电运行，继续在电感下降区间通电，发电过程将一直持续，当定子和动子再度对齐后，改变电枢电流的方向，使得刚才不具有极性的定子齿显示极性，而原先有极性的定子齿不显示极性，动子继续受力并发电，这个过程将一直重复，发电过程一直持续。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型电机只有一套绕组，运行时只需要控制一套电枢绕组的电流大小和方向，功率电路只需要两个功率开关器件，而普通三相电机需要至少6个功率开关器件，电机控制器所需功率开关器件个数少，成本低；

(2)本实用新型电机运行时电枢绕组和永磁体产生的磁场在定子齿上相互增强或者抵消，电机运行时电枢绕组和励磁绕组全周期同时通电，因此，具有功率密度高，材料利用率高的优点，同样设计功率的电机，本发明电机节省材料用量，降低成本；

(3)本实用新型电机永磁体固定于定子上，不随动子转动，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，永磁体散热不良等缺点；

(4)本实用新型电机每个定子槽内只安放有一套绕组，该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，绕组结构简单并简化了下线工艺，可以有效减小端部绕组长度，减少用铜量，有效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，电机绕组下线工艺简单，槽内不需要放置相间绝缘，有利于提高槽满率和槽利用率；

(5)本实用新型电机中的永磁体可以为一块整体充磁的永磁体，也可以由多块永磁体拼接而成，因此制造工艺简单，成本低，改善了由于电机宽度较宽的永磁体的成本较高，机械受力时易发生破裂，安装时较为困难，机械强度不及多块宽度较小的永磁体拼接而成的问题；

(6)本实用新型电机的永磁体的宽度可以根据永磁体的设计磁能积或者设计剩磁密度灵活确定，所以本实用新型电机既可以采用高磁能积的永磁体也可以采用低磁能积的永磁体，还可以采用高磁能积永磁体和低磁能积永磁体混合搭配，解决了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高性能电机需要的问题。

附图说明

图1为本实用新型电机的功率变换器电路图；

图2为现有无刷直流永磁和永磁同步电机功率变换器电路图；

图3为本实用新型电机实施方式1结构示意图；

图4为本实用新型电机实施方式2结构示意图；

其中，1.定子齿，2.定子背轭，3.定子槽轭，4.电枢槽，5.电枢绕组，6.永磁体，7.动子齿，8.动子槽，9.主气隙。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

一种单绕组低成本高功率密度永磁直线电动机，它包括定子、动子和主气隙，所述定子包括永磁体、定子轭、定子齿、定子槽和定子绕组；所述动子包括动子齿和动子槽；定子轭包括定子槽轭和定子背轭，定子槽轭位于定子槽底部靠近外侧方向，定子槽轭和定子背轭之间设有永磁体，永磁体不随动子运动，安装方便，有利于散热，消除了普通永磁直线发电机由于永磁体随动子运动而产生的机械应力损坏和永磁体散热不良等缺点，每块永磁体既可以由一整块永磁体充磁而成，也可以由多块宽度较窄的永磁体拼接而成，永磁体的宽度可以相同，也可以不同，所述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；相邻两块永磁体产生的磁通经过主气隙进入动子形成主磁通；所述定子槽为电枢绕组所在槽(电枢槽)，电枢槽内安放有一套电枢绕组，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，利用定子和动子间磁阻变化产生转矩并发电；所述定子齿和动子齿之间设有主气隙。

电机定子齿的个数n_s满足：n_s＝2*n，其中n是大于等于1的自然数。

电机动子齿的个数n_r和电机定子齿的个数n_s满足：nr≥n_s/2。

永磁体的块数n_pm和电机定子齿的个数n_s满足：n_pm/m＝0.5*n_s，m为大于等于1的自然数。

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。

电机定子齿、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。

永磁体与定子背轭铁芯和定子槽轭铁芯均紧密接触。

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n_c满足n_c＝n_s/2。

电枢绕组从一个电枢绕组所在槽穿入，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。

电机的永磁体的宽度可以通过根据永磁体的磁能积或者剩磁密度灵活确定，可以根据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。

永磁体既可以是高磁能积的永磁材料如钕铁硼也可以是低磁能积的永磁材料如铁氧体或者铝镍钴制成。

如图1所示，所述电枢绕组从一个电枢绕组所在槽穿入，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。本实用新型电机发电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2所示，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。因此，本实用新型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。

实施例一：

电机定子齿数为8，动子齿数为4，永磁体块数为4，本实施方式包括定子，动子和主气隙，定子包括定子铁芯，永磁体和定子槽，定子铁芯包括定子齿1，定子背轭2和定子槽轭3，定子铁芯由高导磁率铁磁材料制成，定子铁芯上设有定子槽，定子槽为电枢槽4，电枢槽内安放有电枢绕组5，电枢绕组5从一个电枢槽穿入，从相邻的另一个电枢槽穿出，形成一个线圈，使得每相邻两个电枢槽内的电流大小相同，方向相反；定子槽轭3和定子背轭2之间安放有永磁体6，永磁体6采用低磁能积的铁氧体永磁体材料，永磁体6采取平行充磁，相邻两块永磁体的充磁方向相反；动子包括动子齿7和动子槽8，动子齿7沿轴线对称分布，动子齿7和定子齿1之间设有主气隙9。

实施例二：

如图4所示，电机定子齿数为8，动子齿数为4，永磁体块数为12，本实施方式包括定子，动子，主气隙，定子包括定子铁芯，永磁体和定子槽，定子铁芯包括定子齿1，定子背轭2和定子槽轭3，定子铁芯由高导磁率铁磁材料制成，定子铁芯上设有定子槽，定子槽为电枢槽4，电枢槽4内安放有电枢绕组5，电枢绕组5从一个电枢槽穿入，从相邻的另一个电枢槽穿出，形成一个线圈，使得每相邻两个电枢槽内的电流大小相同，方向相反；定子槽轭3和定子背轭2之间安放有永磁体6，每个定子槽轭3上有3块永磁体，永磁体6采用高磁能积的钕铁硼永磁体材料，同一定子槽轭上的3块永磁体的充磁方向相同，相邻的不同定子槽轭上的永磁体的充磁方向相反；动子包括动子齿7和动子槽8，动子齿7和定子齿1之间设有主气隙9。

同时，本实用新型提供的电机，根据其应用领域的不同，本领域技术人员针对具体应用环境和对象的不同，对本实用新型的电机结构进行不具有创造性的改动，是容易想到的，也应隶属于本发明的保护范围。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种单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：

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，所述相邻两块永磁体产生的磁通经过主气隙进入动子形成主磁通；

其特征是：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；

相邻两个定子槽内安放有一套电枢绕组，电枢绕组从一个电枢绕组所在槽穿入，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。

2.如权利要求1所述的一种单绕组低成本高功率密度永磁直线发电机，其特征是：电机运行时，只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，利用定子和动子间磁阻变化产生转矩并发电。

3.如权利要求1所述的一种单绕组低成本高功率密度永磁直线发电机，其特征是：所述定子齿的个数为大于等于2的偶数。

4.如权利要求1所述的一种单绕组低成本高功率密度永磁直线发电机，其特征是：所述动子齿的个数大于等于定子齿个数的1/2。

5.如权利要求1所述的一种单绕组低成本高功率密度永磁直线发电机，其特征是：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。

6.如权利要求1所述的一种单绕组低成本高功率密度永磁直线发电机，其特征是：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。

7.如权利要求1所述的一种单绕组低成本高功率密度永磁直线发电机，其特征是：所述永磁体与定子背轭铁芯和定子槽轭铁芯均紧密接触。

8.如权利要求1所述的一种单绕组低成本高功率密度永磁直线发电机，其特征是：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。

9.如权利要求1所述的一种单绕组低成本高功率密度永磁直线发电机，其特征是：所述电机的永磁体的宽度根据永磁体的磁能积或者剩磁密度灵活确定，根据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。