[发明专利]一种单绕组低成本高功率密度永磁直线发电机

说明书

本发明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。本发明只有一套绕组，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。

技术领域

本发明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。

发明内容