專利名稱：設有起動導條的籠型轉子的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于一異步電機的籠型轉子，該籠型轉子包含有用于改善起動性能的起動導條。本發明還涉及一種制造該籠型轉子的方法。
背景技術：
JP 1(^8360A揭示一種銅質運行導條以緊貼疊片式轉子鐵心徑向內側槽底的方式插在疊片式轉子鐵心的槽中、從而在槽的徑向外側區域留下未充填運行導條的剩余截面的籠型轉子。在壓鑄處理過程中用鋁熔液澆灌該剩余截面。熔液固化后形成鋁質起動導條， 這些起動導條因材料緣故電阻大于銅質運行導條。由于集膚效應和鄰近效應，異步電機內的二次電流會在電機起動過程中向外側槽區位移。由于這些外側槽區設有鋁質起動導條，異步電機起動時電阻會增大，這會對電機的轉矩特性產生有利影響。電機一達到額定轉速，二次電流就主要在導電能力更好的銅質運行導條中流動。這又能對異步電機的效率產生有利影響。設有運行導條和起動導條的籠型轉子還普遍采用一種所謂的雙導條槽 (Doppelstabnut)由導電能力相對更好的材料構成的運行導條布置在徑向內側槽中，導電能力相對較差的起動導條布置在徑向外側槽內。兩個槽被一漏磁帶(Mreusteg)隔開。
發明內容
本發明的目的是提供一種起動性能良好、電效率較高的異步電機用籠型轉子。本發明用以達成該目的的解決方案為一種具有權利要求1所述特征的異步電機用籠型轉子。這種籠型轉子包括-一帶槽疊片式轉子鐵心，以及-布置在所述槽中的運行導條，所述運行導條在從所述籠型轉子的徑向看位于內側的槽底直接貼靠在所述疊片式轉子鐵心上，其中，所述運行導條具有一部分外包層，所述部分外包層將所述運行導條從所述籠型轉子的徑向看位于外側的一區域包圍，其中，所述運行導條的材料的電導率高于所述部分外包層的材料的電導率。本發明用以達成上述目的的另一解決方案為一種具有權利要求11所述特征的籠型轉子制造方法。用這種方法制造用于異步電機的籠型轉子時需要實施下列處理步驟-在一疊片式轉子鐵心的槽內插入運行導條，使得所述運行導條在從所述籠型轉子的徑向看位于內側的槽底直接貼靠在所述疊片式轉子鐵心上，并且在從所述籠型轉子的徑向看位于外側的槽區留下一未被所述運行導條占用的自由空間，-以壓鑄方式形成端面短路環以及在每個槽中形成所述運行導條的一部分外包層，其中，所述部分外包層完全填滿所述自由空間并且將所述運行導條從所述籠型轉子的徑向看位于外側的一區域包圍，其中，將一電導率低于所述運行導條的材料的材料用作金屬熔液。
本發明基于這樣一種認識如果增大運行導條的導條高，使得運行導條沿轉子直徑方向向外大幅度伸入槽內，就能在不明顯影響起動性能的情況下大幅改善采用雙導條轉子的異步電機的電效率。而實現這一點的方法是，由導電能力相對較差的材料構成的部分外包層將運行導條的徑向外側區域包圍。因為在流過轉子的電流頻率相對較高的起動過程中，二次電流只在槽的靠近籠型轉子外徑的較窄區域內流動。集膚效應和鄰近效應使電流集中于這個將運行導條的徑向外側區域包圍的外層區域。也就是說，本發明為運行導條提供盡可能大的槽面積，但不會在起動過程中使運行導條內部形成明顯的電流流動。亦即，與傳統的雙導條槽相比，本發明的運行導條延伸至采用傳統設計的起動導條區域內，但不會使起動性能受到不利影響。通過這種方式，異步電機在起動后的運行過程中將有材料導電能力相對較好、允許范圍內最大高度的運行導條可供使用，這能在標準工作狀態下達到極高的效率。現有技術中的已知起動導條則縮減至一部分外包層，其截面與起動模式下的電流密度分布相符。最好為這個部分外包層選擇這樣一個截面面積，在整個槽都被該部分外包層的材料填滿的情況下，這個截面面積能夠在異步電機的起動過程中大體承載電流。較高的槽滿率同樣有助于實現較高的電效率，因此根據本發明的有利設計方案， 所述帶部分外包層的運行導條將所述槽完全填滿。根據本發明的有利設計方案，所述運行導條和所述部分外包層的形狀能夠使運行導條理想地伸入徑向外側槽區，其特征在于，所述部分外包層靠近所述運行導條的一面呈內凹狀，遠離所述運行導條的一面呈外凸狀。根據本發明的實施方式，所述運行導條的材料是銅，所述部分外包層的材料是鋁， 這樣能實現高效率(特別是標準工作狀態下的高效率)和高短路轉矩。鋁還具有以下優點 鋁的比質量密度較低，這能減小籠型轉子的質量慣性矩。所述籠型轉子還優選具有由所述部分外包層的材料構成的短路環，所述短路環在所述籠型轉子的兩端面上使所述運行導條與所述運行導條的部分外包層電接觸。如果部分外包層由鋁構成，則短路環相應也由鋁構成。短路環區域內的有效導體截面較大，因此在該區域內，鋁的電導率比銅低這一事實并不會對異步電機的效率產生決定性影響。這種選材方案反而能減小籠型轉子的質量，使得所述異步電機特別適用于動態應用領域。根據本發明的另一有利設計方案，通過下述方式能特別簡單地實現短路環和部分外包層由同一種材料構成的籠型轉子所述短路環和所述部分外包層由一金屬熔液鑄造而成。舉例而言，如果短路環和部分外包層都由鋁構成，就能通過鋁壓鑄處理以較低成本制造出特別適用于較小尺寸電機的籠型轉子。所述運行導條則適合以銅為材料。此外，在采用鋁熔液和銅質運行導條的情況下，最好在所述鑄造過程之前至少對所述運行導條設有所述短路環的導條端進行鍍錫處理。借此在運行導條和短路環之間建立也能耐受運行過程中所出現的熱循環的機械連接與電性連接。當銅質運行導條的鍍錫導條端與鋁熔液發生接觸時，這個涂層就會熔化。鋁熔液凝固后，在構成短路環的熔液和運行導條之間將形成混晶合金層，這個合金層會在運行導條與短路環之間產生非常高的結合力。作為替代方案，通過本發明的下述實施方式也能產生類似效果所述運行導條至少在其設有所述短路環的導條端具有一電鍍涂層，其中，所述涂層包括所述短路環的材料。 據此，如果采用的是鋁熔液，就在壓鑄處理之前電鍍一鋁層。熔液凝固后也會形成上述合金層。
根據本發明籠型轉子的另一有利實施方式，所述運行導條特定而言實施為標準扁平導條。通過采用特殊槽形，可以有利地確保該扁平導條在徑向向內的槽底直接貼靠在疊片式轉子鐵心上。此外，在以壓鑄法形成部分外包層和短路環的情況下，最好每個槽在其底部區域均具有適于在鑄造前固定所述扁平導條的區域。這些區域可以防止扁平導條在壓鑄前發生傾斜，從而產生不對稱的結構。如果采用標準扁平導條，就可以在該扁平導條與徑向內側槽區之間選擇緊配合，因為標準扁平導條在寬度公差方面為緊公差。先以上述方式為疊片式轉子鐵心的槽裝配扁平導條后，再用壓鑄材料充填剩余槽區，從而在槽的徑向向外區域形成有利于起動性能的部分外包層。在此采用壓鑄法的優點在于可以將扁平導條較深地壓入槽底，從而將扁平導條可靠地固定在疊片式轉子鐵心中以抵御未來的振動和作用力。
下文將借助附圖所示的實施例對本發明進行詳細說明，其中圖1為現有技術中的已知雙導條槽；圖2為本發明實施方式中帶外包層的運行導條；圖3為圖2所示運行導條在起動過程中的狀態；圖4為圖2所示運行導條在以額定轉速工作時的狀態；圖5為本發明另一實施方式所提供的帶外包層的運行導條在起動過程中的狀態；圖6為圖5所示運行導條在以額定轉速工作時的狀態；圖7為配有標準扁平導條的雙導條槽；圖8為圖7所示的雙導條槽經鋁壓鑄處理后的狀態；圖9為部分外包層施加在運行導條上的壓力作用；圖10為兩個采用圖7所示設計的相鄰雙導條槽；圖11為起動過程中雙導條槽內的電流分布；圖12為疊片式轉子鐵心經壓鑄處理后的剖面圖，該疊片式轉子鐵心配有帶外包層的運行導條；以及圖13為配有本發明實施方式所提供的籠型轉子的異步電機。
具體實施例方式圖1為現有技術中的已知雙導條槽。這個雙導條槽布置在異步電機的籠型轉子中。其中的箭頭表示從機軸指向籠型轉子外周的徑向12。因此，“徑向向內”在此以及在整個申請案中都是指沿徑向從保持架外包層指向保持架旋轉軸的方向。相應地，“徑向向外” 就是從籠型轉子的旋轉軸指向保持架外包層的方向。所述雙導條槽包括兩個槽區。第一槽區從徑向12看布置在內側，其中充填有運行導條5。這個運行導條5由銅構成，因而電導率較高。徑向外側區域設有由鋁構成的起動導條17。鋁的電導率比銅低。由于集膚效應和鄰近效應，異步電機起動過程中電流主要是在從徑向12看位于外側的槽區內流動。因此， 在流過籠型轉子的電流頻率相對較高的起動過程中，電流主要流經起動導條17。如此一來， 籠型轉子起動時有效歐姆電阻會增大，這會對異步電機的起動轉矩產生有利影響。隨著轉速的上升，集膚效應和鄰近效應所引起的電流位移逐漸減弱。電流更多地轉向運行導條。亦艮口，籠型轉子的歐姆電阻隨著電機轉速的升高而下降，從而使電機效率得到提高。運行導條槽和起動導條槽被極窄的帶區18隔開。又稱漏磁帶(scatterweb)的帶區(web) 18能減小用于起動轉矩電流流動的有效面積。這樣也能增大電阻，從而達到改善電機起動性能的目的。但是很明顯，這種方法雖有助于改善起動性能，卻會大幅降低電動機效率，因為運行導條5沒有達到異步電機標準工作狀態下人們所期望的最大面積。上述雙導條槽相應是一種兼顧高轉矩起動與電效率的折中方案。圖2為本發明實施方式中帶外包層的運行導條6。這里也用箭頭標示了從籠型轉子軸出發的徑向12。運行導條6在位于徑向內側的槽底直接貼靠在異步電機的疊片式轉子鐵心上。該運行導條是一電導率較高的銅導條。這個運行導條6的形狀比較特別。具體而言，運行導條6具有伸入徑向外側槽區的拱形部。這個拱形部的側面被部分外包層9包圍。 這個部分外包層9是先前用鋁壓鑄處理過程所施加的鋁熔液凝固后所形成的。為此需要先為疊片式轉子鐵心裝配運行導條6，并將疊片式轉子鐵心送入壓鑄模。隨后通過鋁壓鑄處理在疊片式轉子鐵心上澆鑄短路環，同時用鋁熔液澆灌槽內留下的自由空間。熔液凝固后就形成了圖中所示的部分外包層9，通過相應的材料選擇，這些部分外包層的比電阻比運行導條高。圖3為圖2所示運行導條6在異步電機起動過程中的狀態。從中可以清楚看到，集膚效應和鄰近效應使得電流幾乎全部在部分外包層9中流動。在此情況下，電流會“遇到” 更高的籠型轉子有效電阻，從而使電機的起動轉矩得到提高。這種電流位移效應所產生的電流分布與部分外包層9的形狀大體相對應。部分外包層9靠近運行導條6的一面呈內凹狀。由此所形成的罩形結構將運行導條6伸入外側槽區的錐體包圍。就算整個外側槽區都被起動導條的材料(通常為鋁)填滿，現有技術就是如此，起動時這個錐形區域內也不會有電流流動。這樣就通過附圖所示的運行導條6結合罩形部分外包層9，以巧妙的方式提供了標準工作狀態所需要的最大銅面積，從而保持最高電效率，但又不必放棄通過起動導條來改善起動性能的可能性。圖4為圖2所示運行導條在以額定轉速工作時的狀態。由于運行導條6的電導率相對較高，電流主要在該運行導條6中流動，因為此時幾乎不產生電流位移現象。槽的整個截面面積主要被銅填滿，這能產生極高的電導率，進而獲得較高的電效率。圖5為本發明另一實施方式所提供的帶外包層的運行導條7在起動過程中的狀態。運行導條7在此大體呈尖頂狀地伸入外側槽區。起動導條在此也實施為將這些尖頂拱形部包圍的部分外包層10。這個部分外包層10也是用鋁熔液以壓鑄法制成的。圖5所示的這種填槽方式也能在達到槽的最大填銅度的情況下有效改善起動性能。如圖6所示，這種實施方式也能在正常運行時為電流流動提供較大的銅面積，因此，這種籠型轉子也能在標準工作狀態下達到較高效率。圖7為配有標準扁平導條的雙導條槽。這個槽3所采用的設計使得起運行導條8 作用的標準扁平導條能夠幾乎無隙地插入槽3。其中，該標準扁平導條以直接貼靠在位于徑向內側的槽底19的方式布置在槽中。為槽3配備標準扁平導條后，槽3內留下自由空間 14。這個自由空間14圍繞標準扁平導條從徑向看位于外側的部分布置。該標準扁平導條也由銅構成。圖8為圖7所示的雙導條槽經鋁壓鑄處理后的狀態。此時，自由空間14被鋁熔液填滿，這部分鋁熔液在徑向外側區域內形成標準扁平導條(standardfIat bar)的部分外包層11。圖9為部分外包層11施加在運行導條8上的壓力作用，這個壓力作用產生于壓鑄過程。鋁熔液將標準扁平導條壓向位于徑向內側的槽底19。借此確保標準扁平導條緊貼內側槽底19。圖10為兩個采用圖7所示設計的相鄰雙導條槽。這兩個槽所采用的相對布置方式使得其中一個槽的側壁平行于相鄰槽的側壁。通過這種方式，疊片式轉子鐵心中將形成側壁大體平行的磁導齒。這一點是通過在徑向向外區域內抬高槽3的肩部而實現的。這種結構會對疊片式轉子鐵心內部的磁通分布產生有利影響。圖11為起動過程中雙導條槽內的電流分布。與圖2和圖3所示的槽形不同，這里所選用的槽形11具有很明顯的用于起動導條的槽區。此外，這個明顯的槽區形成在部分外包層11的肩形元件上并且通過較窄的帶區與這些元件連接。如果起動電流只需要較小的面積，就可以棄用這個明顯的起動槽區。可將由此獲得的面積用于運行導條8，從而達到進一步提高電機效率的目的。圖12為用壓鑄鋁熔液對疊片式轉子鐵心2進行過壓鑄處理后該疊片式轉子鐵心的剖面圖，該疊片式轉子鐵心配有帶外包層的運行導條15。通過壓鑄處理在疊片式轉子鐵心2的端面澆鑄短路環13。在實施這個鋁壓鑄處理過程的同時用鋁熔液澆灌槽中未被運行導條15占用的自由空間。為了改善運行導條15與短路環13之間的連接，伸入短路環13的導條端在壓鑄處理之前經鍍錫處理。這個鍍錫層的作用是在施加高溫鋁熔液的過程中形成通向導條端的混晶連接(mischkristalline Verbindung)。鍍錫層將在短時間內熔化并在熔液凝固時形成所期望的合金層。此外還在導條端區域內設有通孔形式的形狀配合件16。壓鑄處理過程中鋁熔液從這些通孔中穿過。熔液凝固后，運行導條15與短路環13之間即實現形狀配合。 借此確保即使在異步電機的轉子所經歷的熱循環過程中，運行導條15與短路環13之間也能保持良好而穩定的機械連接和電性連接。通過這種方式，導條端與短路環13之間的接觸電阻即使在有一定負荷的情況下也能保持較低水平。圖13為配有本發明實施方式所提供的籠型轉子的異步電機1。由于制造時采用鋁壓鑄處理，因此這種異步電機1成本極低，也容易制造。銅質運行導條的使用將大幅提高電效率，從而順利達到IE1、IE2甚至IE3等效率標準的要求。通過上述設計還能實現本發明提出申請之時EN 60034標準尚未加以考慮的更高等級效率。其原因主要在于本發明為運行導條提供了盡可能大的槽面積。但是通過在外側槽區布置部分外包層，還是能以最有效的方式對電機的起動性能施加有利影響。
權利要求
1.一種用于一異步電機(1)的籠型轉子，其中，所述籠型轉子包括 一帶槽(3)的疊片式轉子鐵心( ，以及布置在所述槽(3)中的運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ；15)，所述運行導條在從所述籠型轉子的徑向看位于內側的槽底(9)直接貼靠在所述疊片式轉子鐵心( 上，其中，所述運行導條(5;6;7;8;15)具有一部分外包層(9;10;11)，所述部分外包層將所述運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ；15)從所述籠型轉子的徑向(1 看位于外側的一區域包圍，其中，所述運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ；15)的材料的電導率高于所述部分外包層的材料(9 ；10 ；11) 的電導率。
2.根據權利要求1所述的籠型轉子，其中，所述帶部分外包層的運行導條(5；6 ；7 ；8 ； 15)將所述槽( 完全填滿。
3.根據權利要求1或2中任一項權利要求所述的籠型轉子，其中，所述部分外包層(9； 10 ；11)靠近所述運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ；15)的一面呈內凹狀，遠離所述運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ； 15)的一面呈外凸狀。
4.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的籠型轉子，其中，所述運行導條(5；6 ； 7 ；8 ；15)的材料是銅，所述部分外包層(9 ；10 ；11)的材料是鋁。
5.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的籠型轉子，其中，所述籠型轉子具有由所述部分外包層(9;10;11)的材料構成的短路環(13)，所述短路環在所述籠型轉子的兩端面上使所述運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ；15)與所述運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ；15)的部分外包層(9 ； 10 ；11)電接觸。
6.根據權利要求5所述的籠型轉子，其中，所述部分外包層(9；10 ；11)和所述短路環(13)由一金屬熔液鑄造而成。
7.根據權利要求6所述的籠型轉子，其中，至少所述運行導條(5；6 ；7 ；8 ；15)設有所述短路環(1 的導條端經鍍錫處理。
8.根據權利要求6所述的籠型轉子，其中，所述運行導條(5；6 ；7 ；8 ；15)至少在其設有所述短路環(1 的導條端具有一電鍍涂層，其中，所述涂層包圍所述短路環(1 的材料。
9.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的籠型轉子，其中，所述運行導條(5；6 ； 7 ；8 ；15)特定而言實施為標準扁平導條。
10.一種異步電機(1)，包括一具有一定子繞組的定子和一如上述權利要求中任一項權利要求所述的籠型轉子。
11.一種制造一用于一異步電機(1)的籠型轉子的方法，包括下列處理步驟 在一疊片式轉子鐵心O)的槽(3)內插入運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ；15)，使得所述運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ；15)在從所述籠型轉子的徑向(12)看位于內側的槽底(9)直接貼靠在所述疊片式轉子鐵心( 上，并且在從所述籠型轉子的徑向(1 看位于外側的槽區留下一未被所述運行導條(5；6；7；8；15)占用的自由空間(14)，以壓鑄方式形成端面短路環(1 以及在每個槽(3)中形成所述運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ； 15)的一部分外包層(9 ；10 ；11)，其中，所述部分外包層(9 ；10 ；11)完全填滿所述自由空間(14)并且將所述運行導條(5；6 ；7 ；8 ；15)從所述籠型轉子的徑向(12)看位于外側的一區域包圍，其中，將一電導率低于所述運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ；15)的材料的材料用作金屬熔液。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，所述部分外包層(9；10 ；11)靠近所述運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ；15)的一面呈內凹狀，遠離所述運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ；15)的一面呈外凸狀。
13.根據權利要求11或12所述的方法，其中，使用由銅構成的運行導條(5；6 ；7 ；8 ； 15)以及由鋁構成的一金屬熔液。
14.根據權利要求11至13中任一項權利要求所述的方法，其中，在實施所述壓鑄處理之前，至少對所述運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ；15)設有所述短路環(1 的導條端進行鍍錫處理。
15.根據權利要求11至13中任一項權利要求所述的方法，其中，在實施所述壓鑄處理之前，至少對所述運行導條(5 ；6 ；7 ；8 ；15)設有所述短路環(1 的導條端進行電鍍處理， 以便形成由所述短路環(1 的材料構成的一涂層。
全文摘要
本發明涉及一種用于一異步電機(1)的籠型轉子，其包括用于改善起動性能的起動導條。本發明還涉及一種制造該籠型轉子的方法。為了達到盡可能高的效率，所述籠型轉子包括一帶槽(3)疊片式轉子鐵心(2)和布置在所述槽(3)中的運行導條(5；6；7；8；15)，所述運行導條在從所述籠型轉子的徑向看位于內側的槽底(9)直接貼靠在所述疊片式轉子鐵心(2)上，其中，所述運行導條(5；6；7；8；15)具有一部分外包層(9；10；11)，所述部分外包層將所述運行導條(5；6；7；8；15)從所述籠型轉子的徑向(12)看位于外側的一區域包圍，其中，所述運行導條(5；6；7；8；15)的材料的電導率高于所述部分外包層的材料(9；10；11)的電導率。
文檔編號H02K17/20GK102484414SQ201080036847
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月13日 優先權日2009年8月19日
發明者克勞斯·基希納, 克勞斯·比特納, 米夏埃爾·米勒 申請人:西門子公司