永磁直驅式防爆變頻調速電機組合式驅動系統的制作方法

本實用新型涉及一種驅動系統，具體涉及一種永磁直驅式防爆變頻調速電機組合式驅動系統，屬于電機與電器領域。

背景技術：

防爆環境中使用的變頻器電機驅動系統由于受空間限制，電磁環境限制，期望具備體積小，驅動系統簡單，電磁兼容性好，效率高的變頻器電機驅動系統。

防爆環境中所采用的變頻調速系統，多由防爆變頻器單體、異步電機單體、減速機單體、負載單體組成，或者由防爆異步電機一體機單體、減速機單體、負載單體組成。這兩種驅動系統都需要減速機傳遞能量和提升轉矩，大大增加了系統的復雜度，降低了系統的效率，增大了系統的成本。

這兩種應用系統中，前者系統較分散，導致各單體散熱系統復雜；且各單體由于需要獨立防爆性能設計導致體積龐大，成本較大；同時由于變頻器單體與電機單體之間需要連接動力電纜，導致對周圍系統的電磁騷擾較大。對于后者變頻調速一體機與減速機驅動系統，由于采用了變頻器和異步電機的組合，一定程度上減少了體積、成本以及電磁騷擾，但由于仍采用異步電機作為驅動單元，導致系統功率因數仍較低，且仍需要減速機和齒輪箱作為能量的傳遞及轉矩的提升，導致系統損耗增加，整機效率仍較低，系統維護量較大。

此外，由于常規的永磁同步電機需要依賴稀土永磁材料，其價格成本太高，而且原材料不具有可再生性。如果直接采用鐵氧體永磁材料的會大幅降低現有常規永磁同步電機的性能。而現有永磁磁阻電機雖然擺脫了對稀土材料的依賴，但是其在結構上容易出現失磁，尤其是在電機重載時，失磁情況更加嚴重，并且，現有的永磁磁阻電機效率較低。鑒于上述問題，本領域的技術人員一直嘗試新的方案，但是該問題一直沒有得到妥善解決。

技術實現要素：

本實用新型正是針對現有技術中存在的技術問題，提供一種永磁直驅式防爆變頻調速電機組合式驅動系統，該技術方案結構簡單、效率高，同時整合變頻器，形成一體式驅動系統，即系統由防爆永磁直驅一體機單體、負載單體組成。由于采用變頻器和永磁直驅電機一體式結構，整合了各分散系統，縮減了系統體積，降低了系統的電磁騷擾，簡化了系統的散熱。由于采用永磁直驅式驅動方式，省去了減速機單元，直接驅動負載，簡化了系統驅動組成部分，且永磁直驅電機提升了系統功率因數，減少了勵磁損耗，整機效率得到提升。同時由于系統組成部分較少，維護量降低，可靠性得到增加。

為了實現上述目的，本實用新型的技術方案如下，一種永磁直驅式防爆變頻調速電機組合式驅動系統，其特征在于，所述驅動系統包括永磁直驅電機、變頻器、防爆外殼以及水冷管路組成，所述變頻器、電機上下排布，水冷管路分散于防爆外殼內，水路整體串聯連接，變頻器部分包括功率部分和控制部分。

作為本實用新型的一種改進，所述永磁直驅電機由內向外依次包括轉軸、轉子鐵芯、鐵氧體永磁體、定子繞組、定子鐵芯以及外殼底座,所述轉子鐵芯以沖片疊壓的形式穿過轉軸，轉子鐵芯中均勻分布著永磁體安裝槽，所述鐵氧體永磁體粘在永磁體安裝槽中形成偶數個磁極，定子繞組為絕緣漆包線制成并均勻嵌入定子線槽中，所述定子鐵芯固定于電機外殼上，所述定子鐵芯和轉子鐵芯之間設置有氣隙，所述定子鐵芯上均勻分布多個定子線槽，每個定子槽中均設有定子繞組，定子繞組為漆包線繞制而成。該技術方案避免高溫高壓退磁、具有反凸極效應，永磁直驅式電機結合了永磁同步電機高效率和高功率密度特性，同時僅需鐵氧體永磁材料產生的相對微弱的永磁磁場。交軸上設計的風洞形成了特有的反凸極特性，大幅提高了電機的抗退磁特性，同時保證了電機具有較高的效率，并且不減弱其機械強度。

作為本實用新型的一種改進，其中永磁體安裝槽中的偶數個磁極，每極永磁體成下不封口的等腰梯形排列，且每極之間有等腰梯形的風洞即空氣磁障。

作為本實用新型的一種改進，所述等腰梯形的風洞對稱分布在轉子旋轉坐標系的交軸軸線上，等腰梯形靠近轉軸的一側是上底，靠近定子的一側是下底，且下底與氣隙不聯通。此種設計在保證了通風的基礎上也保證了轉子的結構剛度。

作為本實用新型的一種改進，所述空氣磁障的高度大于永磁體安裝槽的寬度，且空氣磁障的上底不超出永磁體安裝槽。

作為本實用新型的一種改進，所述定子鐵芯為沖片疊壓而成或澆注成形；轉子鐵芯為硅鋼沖片疊壓而成或者澆注成形。

作為本實用新型的一種改進，所述變頻器包括功率部分和控制部分，其中功率部分包括進線單元、不控整流單元、直流濾波電容單元、逆變單元以及功率無感母線單元；所述控制部分包括電機矢量控制單元和傳感器單元，其中三相進線交流電，經過不控直流電路后成為直流電，經過濾波電容、逆變電路后成為變壓變頻的交流電驅動電機，電機矢量控制單元通過采集電壓電流信號，經過分析運算，形成滿足給定要求的控制脈沖信號，驅動逆變單元的IGBT，最終輸出滿足期望的速度和轉矩。

作為本實用新型的一種改進，變頻器功率部分采用分層布局，底層為散熱層，第二層為功率器件層，第三層為輔助器件層。所述不控整流單元采用整流二極管串聯方式組成三相不控整流橋，以滿足高壓進線電源的耐壓需求。

作為本實用新型的一種改進，功率部分通過框架形成一個整體，方便安裝和維護，功率器件IGBT和整流二極管放置于銅基板上方，銅基板放置于水冷管路上方，銅基板上放置溫度傳感器。控制單元由信號處理單元、控制CPU單元、脈沖觸發單元、通信組網控制單元、人機對話單元組成。所述傳感器單元由電流采集傳感器、電壓采集傳感器、溫度采集傳感器組成；逆變單元和直流濾波電容單元上下分層放置，逆變單元采用IGBT作為功率器件，電容采用薄膜電容，逆變單元主回路采用NPC三電平結構，逆變單元IGBT和電容采用無感疊層母線進行連接。

作為本實用新型的一種改進，水冷管路包括電機主體管路41、變頻器水冷板管路42以及電機前后端蓋管路43，三種管路整體上采用串聯形式，局部采用并聯連接形式，電機主體管路采用螺旋式水道結構對定子繞組進行散熱，變頻器水冷板管路采用串并聯混合連接，采用折返式槽型水道對功率器件進行散熱，電機前后端蓋管路水道采用管型水道，對前后軸承進行散熱。

相對于現有技術，本實用新型具有如下優點，1）該技術方案整體設計巧妙、結構緊湊；2），該技術方案同時整合變頻器，形成一體式驅動系統，即系統由防爆永磁直驅一體機單體、負載單體組成，由于采用變頻器和永磁直驅電機一體式結構，整合了各分散系統，縮減了系統體積，降低了系統的電磁騷擾，簡化了系統的散熱，由于采用永磁直驅式驅動方式，省去了減速機單元，直接驅動負載，簡化了系統驅動組成部分，且永磁直驅電機提升了系統功率因數，減少了勵磁損耗，整機效率得到提升。同時由于系統組成部分較少，維護量降低，可靠性得到增加；3）該技術方案中的永磁直驅電機提高了電機帶載性能，同時減弱了定子勵磁電流的退磁效應，尤其在電機重載運行時效果更明顯，此外，深槽的存在配合電機端部的散熱風扇可以進一步降低轉子內部溫度，降低了高溫退磁的可能性，所提出的永磁體位置分布以及和風洞的結構配合可以提高電機全速域的效率；4）該技術方案成本較低，便于大規模的推廣應用。

附圖說明

圖1是本實用新型的整體結構示意圖；

圖2是本實用新型的永磁直驅電機結構示意圖；

圖3是本實用新型的變頻器結構示意圖；

圖4-1、4-2、4-3是本實用新型的水冷管路結構示意圖；

圖中：1、永磁直驅電機，2、變頻器，3、防爆外殼，4、水冷管路組成，21、定子鐵芯，22、定子線槽，23、定子繞組，24、定轉子間空氣隙，25、轉子鐵芯，26、永磁體安裝槽，27、鐵氧體永磁體，28、空氣磁障，29、轉軸，31、進線單元，32、不控整流單元，33、直流濾波電容單元，34、逆變單元，35、功率無感母線單元，36、傳感器單元,37、銅基板。

具體實施方式：

為了加深對本實用新型的理解，下面結合附圖對本實施例做詳細的說明。

實施例1：參見圖1、圖2，一種永磁直驅式防爆變頻調速電機組合式驅動系統，所述驅動系統包括永磁直驅電機1、變頻器2、防爆外殼3以及水冷管路組成4，所述變頻器2、電機1上下排布，水冷管路分散于防爆外殼內，水路整體串聯連接，變頻器部分包括功率部分和控制部分；所述永磁直驅電機由內向外依次包括轉軸29、轉子鐵芯25、鐵氧體永磁體27、定子繞組23、定子鐵芯21以及外殼底座,所述轉子鐵芯25以沖片疊壓的形式穿過轉軸，轉子鐵芯中均勻分布著永磁體安裝槽，所述鐵氧體永磁體粘在永磁體安裝槽中形成偶數個磁極，定子繞組為絕緣漆包線制成并均勻嵌入定子線槽中，所述定子鐵芯21固定于電機外殼上，所述定子鐵芯和轉子鐵芯之間設置有氣隙，所述定子鐵芯上均勻分布多個定子線槽2，每個定子槽中均設有定子繞組3，定子繞組為漆包線繞制而成。該技術方案中的電機避免高溫高壓退磁、具有反凸極效應，永磁直驅式電機結合了永磁同步電機高效率和高功率密度特性，同時僅需鐵氧體永磁材料產生的相對微弱的永磁磁場。交軸上設計的風洞形成了特有的反凸極特性，大幅提高了電機的抗退磁特性，同時保證了電機具有較高的效率，并且不減弱其機械強度。由于采用永磁直驅式驅動方式，省去了減速機單元，直接驅動負載，簡化了系統驅動組成部分，且永磁直驅電機提升了系統功率因數，減少了勵磁損耗，整機效率得到提升。同時由于系統組成部分較少，維護量降低，可靠性得到增加。

實施例2：參見圖2，作為本實用新型的一種改進，其中永磁體安裝槽中的偶數個磁極，每極永磁體成下不封口的等腰梯形排列，且每極之間有等腰梯形的風洞即空氣磁障28；所述等腰梯形的風洞對稱分布在轉子旋轉坐標系的交軸軸線上，等腰梯形靠近轉軸的一側是上底，靠近定子的一側是下底，且下底與氣隙不聯通。此種設計在保證了通風的基礎上也保證了轉子的結構剛度。其余結構和優點與實施例1完全相同。

實施例3：參見圖2，作為本實用新型的一種改進，所述空氣磁障28的高度大于永磁體安裝槽26的寬度，且空氣磁障28的上底不超出永磁體安裝槽。其余結構和優點與實施例1完全相同。

實施例4：參見圖2，作為本實用新型的一種改進，所述定子鐵芯為沖片疊壓而成或澆注成形；轉子鐵芯為硅鋼沖片疊壓而成或者澆注成形。其余結構和優點與實施例1完全相同。

實施例5：參見圖1、圖3，作為本實用新型的一種改進，所述變頻器包括功率部分和控制部分，其中功率部分包括進線單元31、不控整流單元32、直流濾波電容單元33、逆變單元34以及功率無感母線單元35；所述控制部分包括電機矢量控制單元和傳感器單元36，其中三相進線交流電，經過不控直流電路32后成為直流電，經過濾波電容、逆變電路后成為變壓變頻的交流電驅動電機，電機矢量控制單元通過采集電壓電流信號，經過分析運算，形成滿足給定要求的控制脈沖信號，驅動逆變單元的IGBT，最終輸出滿足期望的速度和轉矩。其余結構和優點與實施例1完全相同。

實施例6：參見3，作為本實用新型的一種改進，變頻器功率部分采用分層布局，底層為散熱層，第二層為功率器件層，第三層為輔助器件層。所述不控整流單元32采用整流二極管串聯方式組成三相不控整流橋，以滿足高壓進線電源的耐壓需求。其余結構和優點與實施例1完全相同。

實施例7：參見圖3，作為本實用新型的一種改進，功率部分通過框架形成一個整體，方便安裝和維護，功率器件IGBT和整流二極管放置于銅基板37上方，銅基板37放置于水冷管路上方，銅基板上放置溫度傳感器。控制單元由信號處理單元、控制CPU單元、脈沖觸發單元、通信組網控制單元、人機對話單元組成。所述傳感器單元由電流采集傳感器、電壓采集傳感器、溫度采集傳感器組成；逆變單元和直流濾波電容單元上下分層放置，逆變單元采用IGBT作為功率器件，電容采用薄膜電容，逆變單元主回路采用NPC三電平結構，逆變單元IGBT和電容采用無感疊層母線進行連接。該技術方案中，在銅基板37上均勻分布十二個IGBT、六個二極管功率模塊，在二極管和IGBT上安裝交流疊層母線，在功率器件上面固定有直流濾波電容電容單元33，所述一套直流濾波電容電容單元33內部安裝28個電解電容，在電解電容上安裝直流疊層母線，由于電容固定在功率器件上面，提高了空間利用率，結構更加緊湊，有效減少隔爆型永磁變頻一體機變頻器部分的體積，基本上解決了現有變頻器體積大占空間的問題；由于選用的是普通的電解電容，比市場上選用插片式電容的成本更低，產品性能更加穩定，由于插片式電容長期使用插拔，加上電機的震動很容易造成插片磨損，接觸不良影響產品性能，而本技術方案選用一般電解電容，電氣連接是機械間隙配合連接，穩定性更強，結構上更加緊湊，節省了空間，減小了整個變頻器的體積；性能更加穩定，抗震性較好，成本更低；而從上往下的結構設計更加方便快速維護安裝。其余結構和優點與實施例1完全相同。

實施例8：參見圖4-1、4-2、4-3，作為本實用新型的一種改進，水冷管路包括電機主體管路41、變頻器水冷板管路42以及電機前后端蓋管路43，三種管路整體上采用串聯形式，局部采用并聯連接形式，電機主體管路采用螺旋式水道結構對定子繞組進行散熱，變頻器水冷板管路采用串并聯混合連接，采用折返式槽型水道對功率器件進行散熱，電機前后端蓋管路水道采用管型水道，對前后軸承進行散熱。其余結構和優點與實施例1完全相同。

本實用新型還可以將實施例2、3、4、5、6、7、8所述技術特征中的至少一個與實施例1組合形成新的實施方式。

需要說明的是上述實施例，并非用來限定本實用新型的保護范圍，在上述技術方案的基礎上所作出的等同變換或替代均落入本實用新型權利要求所保護的范圍。