一种能够避免转子斜槽的鼠笼式异步电动机转子冲片

摘要

本发明属于鼠笼式异步电动机设计制造技术领域，特别涉及一种能够避免转子斜槽的鼠笼式异步电动机转子冲片。转子冲片的材料与传统的0.55kW～315kW交流电动机的转子冲片所用材料相同，但本发明所述异步电动机转子冲片通过采用闭口槽、转子槽不均匀分布、选择近槽槽配合以及适当调整转子冲片直径等技术措施，使转子导条在避免斜槽的前提下，达到削弱由齿谐波磁场引起的噪声和振动的目的；同时，由于避免了转子斜槽，还可以大大降低转子导条间由于横向电流所引起的附加损耗，提高电机运行效率。

说明书

技术领域

本发明属于鼠笼式异步电动机设计制造技术领域，特别涉及一种能够避免转子斜槽的鼠笼式异步电动机转子冲片。

背景技术

传统中小型鼠笼式异步电机设计中，转子通常采用斜槽结构。转子斜槽能够有效削弱齿谐波磁场所产生的谐波电动势，从而削弱由这些谐波磁场引起的附加转矩，改善起动性能，并降低电磁噪声。然而，在转子斜槽时，转子导条沿轴向斜过一个角度，导致电机内部磁场与直槽时相比发生明显变化并影响损耗，这使得斜槽也成为影响电机损耗的一个重要因素。对于转子斜槽对电机损耗的影响，可主要分为以下几方面进行分析：

1)转子斜槽时，由于转子斜过一个角度，齿谐波在整个导条长度上所感应的合成电势大大降低，因此斜槽可以有效削弱齿谐波磁场，使得由该部分谐波磁场在定子绕组以及转子鼠笼导条产生的谐波电流大幅减小，达到降低谐波铜耗的目的；

2)转子斜槽时，由于转子电流产生磁场的去磁作用，会使得电机内部合成磁场沿轴向分布不均匀，进而导致电机沿轴向的铁心饱和程度加大、铁耗增加。斜槽对铁耗的影响程度主要取决于负载大小，轻载时，转子电流较小，转子磁场对定子磁场的去磁作用较小，由斜槽导致的铁心轴向饱和程度变化较小；重载时，定转子电流大幅增加，转子磁场对定子磁场的去磁作用较大，由斜槽导致的铁心轴向饱和程度增加较明显。简言之，随负载增加，铁心沿轴向饱和程度加剧，铁耗增加越明显；

3)在没有槽绝缘的传统铸铝转子中，转子斜槽时相邻两根转子导条间会存在感应电势以及横向电流，进而产生附加损耗。在中小型鼠笼异步电机中，对于一般转子导条不绝缘的铸铝转子，横向电流产生的损耗在总的附加损耗中往往占较大比例。为了降低该部分损耗，一个有效措施是对铸铝转子进行槽绝缘处理，使得转子导条与转子铁心间接触电阻增加，但目前这种处理方法的工艺还不够稳定，同时还增加了电机的生产成本。

综合上述分析可得，如何在不影响电机起动性能及损耗特性的前提条件下，开展能够有效削弱谐波的技术措施研究便成为超高效电机研制的一个重要方向。因此，研究不仅能避免斜槽同时还可以有效削弱齿谐波的新型转子冲片结构，可为超高效电机的研制工作提供必要的技术支持；同时，由于新型转子冲片结构在避免了斜槽的同时并未增加电机的制造工艺难度，这对于超高效电机的推广应用也起到一定推动作用。

发明内容

本发明针对如何避免传统交流电动机生产过程中采取转子斜槽的方式来降低由于齿谐波磁场引起的附加转矩及噪声的问题，提供了一种能够避免转子斜槽的鼠笼式异步电动机转子冲片。

本发明采用的技术方案为：转子冲片的转子槽采取闭口槽设计，且转子槽槽顶距离转子外圆的距离随电机容量而定；

转子槽采用不均匀分布设置，且不均匀分布程度采用正弦波调制，每个转子槽所在位置的空间位置角的确定方法通过下述公式计算：

θ_n＝θ_n0+Kζ，

式中，θ_n为第n个转子槽的空间位置角；

θ_n0为转子导条均匀分布时第n个转子槽的空间位置角，可用公式θ_n0＝2πn/Z₂求解，其中Z₂为转子槽数；

K为转子槽空间位置角的调制系数，取值范围为0～0.03；

ζ为利用正弦波调制所得的角度，可用公式ζ＝sin(2πnε/Z₂)求解，其中ε为正弦波系数，取值为0～4；

转子槽应与定子槽近槽配合，转子槽数Z₂与定子槽数Z₁之间满足：Z₂＞0.9Z₁。

当电机容量为0.55kW～315kW时，所述转子槽槽顶距离转子外圆距离的取值范围为1mm～3mm。

当电机容量为0.55kW～315kW时，所述转子冲片的直径增加0.04mm～1mm，即使电机气隙相应的减小，以确保电机原有的起动及运行性能维持不变。

本发明的有益效果为：

(1)采用本发明所提供的转子冲片，由于避免了转子斜槽结构，鼠笼式异步电动机转子导条间的横向电流可大幅减低，进而使得由该部分电流产生的附加损耗明显降低，提高了电机的运行效率，获得较明显节能效果。

(2)采用本发明所提供的转子冲片，并未增加电机制造加工工艺难度，不会额外增加生产成本，对超高效电机推广应用具有一定推动作用。

(3)与普通直槽电机相比，本发明在避免斜槽的情况下仍可有效削弱齿谐波磁场，并未对电机运行时对周边环境的产生的额外的噪声污染。

(4)本发明提出的闭口槽设计及空间位置角的计算内容，不仅适用于0.55kW～315kW的中小型异步电动机，对于大型异步电机以及自起动稀土永磁电动机等交流电动机也可以采用本发明所述方法对电机的转子冲片结构进行改进，从而达到削弱齿谐波的目的。

附图说明

图1为本发明中所提出的转子冲片示意图，在此以5.5kW电机转子冲片为例；

图2为实施例中5.5kW鼠笼式异步电动机转子冲片的转子槽形结构示意图；

图3为实施例中5.5kW鼠笼式异步电机原有的转子冲片示意图；

图4为实施例中5.5kW鼠笼式异步电机转子冲片的转子槽形结构示意图；

图5(a)为实施例中5.5kW鼠笼式异步电机转子直槽时，电机A相绕组空载相电流波形；

图5(b)为实施例中5.5kW鼠笼式异步电机转子直槽时，采用转子槽不均匀、闭口槽两种措施时(定转子槽数仍为36/32)，电机A相绕组空载相电流波形；

图5(c)为实施例中5.5kW鼠笼式异步电机转子直槽时，采用转子槽不均匀、闭口槽、合适的气隙长度(0.35mm)以及近槽槽配合(定转子槽数仍为36/33)四种技术措施时，电机A相绕组空载相电流波形与电机转子斜槽时的A相绕组空载相电流波形的对比曲线；

图6为实施例中5.5kW鼠笼式异步电机采用本发明中的转子冲片后，与电机采用斜槽转子时的A相绕组满载相电流波形的对比曲线；

图7为实施例中5.5kW鼠笼式异步电机采用本发明中的转子冲片后，与电机采用斜槽转子时的起动过程中的转矩-转速曲线的对比情况；

具体实施方式

本发明提供了一种能够避免转子斜槽的异步电动机转子冲片结构，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

该转子冲片所采用的铁心材料与传统的0.55kW～315kW鼠笼式异步电动机的转子冲片采用的铁心材料相同。转子冲片的转子槽采取闭口槽设计，且转子槽槽顶距离转子外圆的距离随电机容量而定；当电机容量为0.55kW～315kW时，所述转子槽槽顶距离转子外圆距离的取值范围为1mm～3mm。

转子槽采用不均匀分布设置，且不均匀分布程度采用正弦波调制，每个转子槽所在空间位置角的确定方法通过下述公式计算：

θ_n＝θ_n0+Kζ，

式中，θ_n为第n个转子槽的空间位置角；

θ_n0为转子导条均匀分布时第n个转子槽的空间位置角，可用公式θ_n0＝2πn/Z₂求解，其中Z₂为转子槽数；

K为转子槽空间位置角的调制系数，取值范围为0～0.03；

ζ为利用正弦波调制所得的角度，可用公式ζ＝sin(2πnε/Z₂)求解，其中ε为正弦波系数，取值为0～4。

转子槽应与定子槽近槽配合，转子槽数Z₂与定子槽数Z₁之间满足：Z₂＞0.9Z₁。

当电机容量为0.55kW～315kW时，所述转子冲片的直径增加0.04mm～1mm，即使电机气隙相应的减小，以确保电机原有的起动及运行性能维持不变。

以上技术措施，使得电机可以在避免斜槽的情况下，达到与原来斜槽转子结构电机相同的运行性能，同时避免了由于斜槽转子导条间横向电流产生的附加损耗，使电机损耗有所降低，提高了电机运行效率。下面通过具体的实施实例对本发明做进一步说明

实施例一：

以Y132S-4、5.5kW电机为例，现有的电机转子采用斜槽结构且导条均匀分布，定转子槽数分别为36和32，气隙长度为0.4mm。

采用本专利所述的转子冲片后，转子槽不均匀分布，闭口转子槽的槽顶与转子外圆之间的距离为0.5mm，定转子槽数分别为36和33，由于采用闭口槽及转子导条不均匀分布措施有效降低了气隙磁密中的谐波含量，故转子冲片直径可适当增加，使得气隙长度减小，经大量对比分析，此处将其调整为0.35mm，即转子冲片的直径增加0.1mm。以下通过附图说明对本专利做进一步说明。

图1和图2所示分别为本发明中转子冲片示意图及其转子槽形结构示意图；图3和图4所示分别为5.5kW鼠笼式异步电机转子采用的传统转子冲片示意图及其转子槽形结构示意图。对比图1和图3可以看出，本专利中所采用转子冲片的转子槽在圆周方向分布明显不均匀；同时，由图2和图4可以明显看出，本专利中采用的转子闭口槽的基本结构以及传统转子槽形基本结构。

图5(a)为实施例中5.5kW鼠笼式异步电机转子直槽时(定转子槽数仍为36/32)，A相绕组空载相电流波形，可以看出电流波形中含有明显的齿谐波分量。

图5(b)为实施例中5.5kW鼠笼式异步电机转子直槽时，采用转子槽不均匀、闭口槽两种技术措施时(定转子槽数仍为36/32)，电机A相绕组空载相电流波形，可以看出，与图5(a)相比，电流波形中尽管仍含有齿谐波，但其含量明显减小，空载相电流波形在一定程度上得到改善。

图5(c)为实施例中5.5kW鼠笼式异步电机转子直槽时，采用转子槽不均匀、闭口槽、合适的气隙长度(0.35mm)以及近槽槽配合(定转子槽数仍为36/33)四种技术措施时，电机A相绕组空载相电流波形与电机转子斜槽时的A相绕组空载相电流波形的对比曲线。可以看出采用本发明中所提供的技术措施后，电机在避免了斜槽的前提下，A相绕组空载相电流与电机斜槽时基本重合，从电流波形中也可明显看出不再含有齿谐波分量。

图6为5.5kW鼠笼式异步电机采用本发明中的转子冲片后，与电机采用斜槽转子时的A相绕组空载与满载相电流波形的对比曲线，可以看出采用本发明中所提供的技术措施后，电机在避免了斜槽的前提下，A相绕组满载相电流波形与电机斜槽时的满载相电流波形基本重合。

图7为5.5kW鼠笼式异步电机采用本发明中的转子冲片后，与电机采用斜槽转子时的起动过程中的转矩-转速曲线的对比情况，可以看出，采用本专利中的转子冲片后，电机的起动过程中转矩与转速的动态曲线较平滑，最大转矩并没有太大差别且转矩脉动现象明显减弱。

表1为5.5kW鼠笼式异步电机采用斜槽转子时空载运行时的损耗数据；表2为5.5kW鼠笼式异步电机采用本发明中的转子冲片后空载运行时的损耗数据；表3为5.5kW鼠笼式异步电机采用斜槽转子时满载运行时的损耗数据；表4为5.5kW鼠笼式异步电机采用本发明中的转子冲片后满载运行时的损耗数据，对比表中数据可以看出，采用本专利转子冲片后电机满载总损耗降低约25W。需要说明的是，表1和表3中并未给出由于转子导条间横向电流产生的附加损耗，但是在采用本专利后，由于转子为直槽结构，这将大大降低转子导条间由于横向电流所引起的附加损耗，故本专利还可以进一步降低电机的附加损耗，提高电机运行效率。对于这台5.5kW电机而言，按总损耗降低30W计算，对于常年运行的电机(以运行8000小时计)，可节省240度电，每年节省电费120元。按20年使用寿命计算，该电机在其运行周期内节电4800度，节省电费约2400元，节电效果显著。

综合上述空载相电流波形、满载相电流波形、起动转矩-转速曲线以及损耗几方面的对比情况可得，采用本专利中的转子冲片后，完全能达到电机采用斜槽转子时的运行性能。

表1. 5.5kW电机采用斜槽转子时的空载损耗数据

表2. 5.5kW电机采用本专利所述转子时的空载损耗数据(气隙0.35mm)

表3. 5.5kW电机采用斜槽转子时的满载损耗数据

表4. 5.5kW电机采用本专利所述转子时的满载损耗数据(气隙0.35mm)

实施例二：

仍以Y132S-4、5.5kW电机为例，本例中采用专利中所述转子冲片时，转子槽不均匀分布，闭口转子槽的槽顶与转子外圆之间的距离为1mm，定转子槽数分别为36和33，但转子冲片直径不变。经对比发现其起动性能与实施例一并无明显差别，故此处只列出空载和满载损耗数据，如表5和表6所示。本实施例中的损耗数据与实施例一中的损耗数据对比可得，由于气隙变大，电机的谐波损耗尽管有所降低，但是由于基波损耗增加程度较大，使得本实施例中电机总损耗略微高于实施例一中的电机总损耗，但本实施例中电机满载总损耗与传统斜槽电机相比仍降低约20W，这说明采用转子冲片采用不均匀分布、闭口槽以及近槽槽配合三种技术措施仍可以实现较理想的节能效果。

表5. 5.5kW电机采用本专利所述转子时的空载损耗数据(气隙0.4mm)

表6. 5.5kW电机采用本专利所述转子时的满载损耗数据(气隙0.4mm)

实施例三：

以Y801-4、0.55kW电机为例，该电机定转子槽数已满足Z₂＞0.9Z₁(定子槽数和转子槽数分别为24和22)，故采用转子槽不均匀分布、闭口转子槽的槽顶与转子外圆之间的距离为1mm以及适当调整转子冲片直径(经对比分析，此处将转子冲片的直径增加0.04mm，即电机的气隙长度调整为0.23mm)三项技术措施。采用本专利中转子冲片后，改进前后电机的起动性能与运行性能并无明显差别，空载损耗由95W降低至82W，总损耗降低约13.7％；满载总损耗由193W降低至187W，总损耗降低约3.1％，电机运行效率提高约1％。

实施例四：

以YX3-90S-6、0.75kW电机为例，由于该电机定转子槽数已满足Z₂＞0.9Z₁(定子槽数和转子槽数分别为36和33)；故采用转子槽不均匀分布、闭口转子槽的槽顶与转子外圆之间的距离为1mm以及合适气隙(经对比分析，此处将转子冲片的直径增加0.04mm，即电机的气隙长度调整为0.23mm)三项技术措施。采用本专利中转子冲片后，改进前后电机的起动性能与运行性能并无明显差别，空载损耗由79W降低至70W，总损耗降低约11.3％；满载总损耗由187W降低至181W，总损耗降低约3.2％，电机运行效率提高约0.8％。

实施例五：

以Y280M-4、90kW电机为例，采用了转子槽不均匀分布、闭口转子槽的槽顶与转子外圆之间的距离为1.5mm、近槽配合(定子槽数和转子槽数分别为60和54)以及合适气隙(经对比分析，此处将转子冲片的直径增加0.2mm，即电机的气隙长度调整为0.8mm)四项技术措施。这种情况下空载损耗由2775W降低至2437W，总损耗降低约12.1％；满载总损耗由5750W降低至5393W，总损耗降低约6.2％，电机运行效率提高约0.4％。

实施例六：

以Y2-355L-2、315kW电机为例，采用了转子槽不均匀分布、闭口转子槽的槽顶与转子外圆之间的距离为3mm、近槽配合(定子槽数和转子槽数分别为72和66)以及合适气隙(经对比分析，此处将转子冲片的直径增加1mm，即电机的气隙长度调整为1.1mm)四项技术措施。这种情况下满载总损耗由15746W降低至14800W，总损耗降低约6％，电机运行效率提高约0.3％。