一種單繞組低成本高功率密度永磁電動機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種永磁電動機，尤其涉及一種單繞組低成本高功率密度永磁電動機。
【背景技術】
[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、工農業生產和日常生活等方面得到更為廣泛的應用，正向大功率化、高性能化和微型化方向發展。目前永磁電機的功率從幾毫瓦到幾千千瓦，應用范圍從玩具電機、工業應用到艦船牽引用的大型永磁電機，在國民經濟、日常生活、軍事工業、航空航天的各個方面得到了廣泛應用。主要應用如下:
[0003](I)家用電器領域:包括電視音像設備、風扇、空調器、食品加工機、美容工具、油煙機等。
[0004](2)計算機及其外圍設備領域:包括計算機(驅動器、風扇等)、打印機、繪圖儀、光驅、光盤刻錄機等。
[0005](3)工業生產領域:包括工業驅動裝置、材料加工系統、自動化設備、機器人等。
[0006](4)汽車領域:包括永磁起動機、雨刮器電機、門鎖電機、座椅升降電機、遮陽頂棚電機、清洗栗電機、錄音機用電機、玻璃升降電機、散熱器冷卻風扇電機、空調電機、天線升降電機、油栗電機等。
[0007](5)公共生活領域:包括鐘表、美容機械、自動售貨機、自動取款機、點鈔機等。
[0008](6)交通運輸:包括電車、飛機輔助設備、艦船等。
[0009](7)航天:包括火箭、衛星、宇宙飛船、航天飛機等。
[0010](8)國防:包括坦克、導彈、潛艇、飛機等。
[0011](9)醫療:包括牙鉆、人工心臟、醫療器械等。
[0012](10)發電:包括風力發電、余熱發電、小型水力發電、小型內燃發電機組用發電機，以及大型發電機的副勵磁機等。
[0013]常規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、調速永磁同步電動機。
[0014]無刷直流電機和調速永磁同步電機結構上基本相同，定子上為多相繞組，轉子上有永磁體，它們的主要區別在于無刷直流電機根據轉子位置信息實現自同步。它們的優點在于:(1)取消了電刷換向器，可靠性提高；(2)損耗主要由定子產生，散熱條件好；(3)體積小、重量輕。
[0015]異步起動永磁同步電動機與調速永磁同步電動機結構上的區別是:前者轉子上有起動繞組或具有起動作用的整體鐵心，能實現自起動，無需控制系統即可并網運行。
[0016]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都較低。
[0017]現有永磁電機繞組存在的問題主要是:
[0018]1、現有永磁電機繞組一般為3相，定子槽數目多，繞組下線工藝復雜，制造成本高；現有大多數永磁電機永磁體位于轉子上，運行時隨轉子一起轉動，永磁體需采用特殊工序固定，制造成本高，尤其電機轉速較高時，永磁體固定更加困難，由于永磁體位于轉子上，運行時散熱困難，溫升和由于轉子轉動而引起的振動會導致永磁體機械結構損壞和發生不可逆退磁。
[0019]2、現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個功率開關器件，如IGBT或者MOSFET等，以及與之相應的驅動該功率開關器件的驅動電路和保護電路，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，功率開關器件數量增多增加了控制電路復雜程度，器件發生故障的可能性增加，運行時系統的可靠性降低。
[0020]3、現有永磁電機大多是永磁體直接面對氣隙，需要采用徑向充磁的永磁體，因為采用平行充磁時，電機每極磁通量會顯著減少，降低電機的出力和功率密度，但徑向充磁永磁體成本高，獲得均勻的徑向充磁的永磁體非常困難。
[0021]4、現有永磁電機制造時鐵芯用量大，電機質量大，電機運行時材料利用率低。
[0022]因此，尋求一種繞組相數少，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，功率電路開關器件個數少，控制器和功率電路成本低的永磁電機至關重要。

【發明內容】

[0023]為解決現有技術存在的不足，本發明公開了一種單繞組低成本高功率密度永磁電動機，本發明具有以下特點:
[0024]1、本發明電機為永磁電機，定子上只有一套定子電樞繞組A，而且電機每個槽內只安放有一套電樞繞組，槽內不需要相間絕緣，電機繞組下線工序簡單，整個成本低于現有的各類三相感應電機和永磁電機，由于槽內不需相間絕緣，槽滿率高。
[0025]2、本發明電機永磁體固定于定子上，不隨轉子轉動，安裝方便，有利于散熱，消除了普通永磁電機由于永磁體隨轉子旋轉而產生的機械應力損壞，永磁體散熱不良等缺點。
[0026]3、本發明電機的功率密度高，材料利用率高，同樣設計功率的電機，本發明電機節省材料用量，降低成本。
[0027]4、本發明電機運行時只有一套電樞繞組A通交流電流，因此電機的控制電路只需兩個電力電子功率開關器件，如IGBT或者MOSFET，如圖1所示，而現有各類感應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器件，如圖2所示，因此，本發明電機的控制系統所需開關器件少，成本低，結構簡單。此外，由于功率開關器件個數少，降低了電機控制電路中功率開關器件發生故障的可能性，可靠性提高。
[0028]5、本發明電機的永磁體選擇靈活，既可以選擇高磁能積的永磁體，也可以選擇鐵氧體等低磁能積的永磁體，因為可以通過電機的設計氣隙磁密確定永磁體的剩磁密度，再通過改變永磁體的極弧系數來確定永磁體的磁能積，而現有永磁電機由于極弧系數受到極數的限制，通常只有采用高性能永磁體才能滿足設計磁密的需要。
[0029]為實現上述目的，本發明的具體方案如下:
[0030]一種單繞組低成本高功率密度永磁電動機，包括定子及轉子，所述定子包括由定子背軛和多個定子槽軛組成的定子軛，定子背軛與每個定子槽軛之間設有永磁體，每個定子槽軛的兩端分別設置有定子齒，定子齒之間為電樞槽，所述電樞槽內安放有一套電樞繞組；
[0031]所述轉子包括多個轉子齒，相鄰兩個轉子齒之間設有轉子槽，每個轉子齒與定子齒之間設有主氣隙；
[0032]電機運行時，控制一套電樞繞組的電流大小和方向，電樞電流磁場和永磁體產生的磁場相互作用使得定子齒上的磁通相互增強或者抵消，定子磁場在某個方向上連續開通或者關斷，利用定子和轉子間磁阻變化產生轉矩。
[0033]進一步的，所述電樞繞組從一個電樞繞組所在電樞槽穿入，從相鄰的電樞槽穿出，相鄰兩個電樞槽內的繞組組成一個電樞線圈，每個電樞線圈橫跨兩個定子齒距，相鄰兩個電樞槽內繞組的電流大小相同，方向相反。
[0034]進一步的，當電樞繞組不通電時，所述永磁體產生的磁通經過定子槽軛、定子齒和主氣隙沿電機徑向流入轉子齒，再經過相鄰的轉子齒流出到主氣隙到達相鄰另一個定子槽軛下的永磁體，再經過定子背軛閉合，形成電機的主磁通。
[0035]所述電機定子齒的個數1^滿足:ns= 2*n，其中η是大于等于2的自然數。
[0036]所述電機轉子齒的個數1^和電機定子齒的個數n s滿足:nr = n s/2。
[0037]所述永磁體的塊數npm和電機定子齒的個數n s滿足:npm/m = 0.5*ns，m為大于等于I的自然數。
[0038]進一步的，當電樞繞組通電時，電樞繞組電流產生的磁場使得電樞繞組所在電樞槽兩側的定子齒分別呈現不同的極性，與永磁體產生的磁場作用疊加，使得一個定子齒顯示極性，有主磁通磁通經過，相鄰的另一個定子齒沒有極性，無磁通流過，電機