專利名稱：異步電機中的轉子結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種異步電機中的轉子結構，該轉子結構包括一個導電體結構，它大致與異步電機的定子相鄰并與轉子軸相聯。
在電機中通常使用的或者是所謂的實心轉子或者是把所謂的轉子鐵心疊片組耦合到鼠籠式繞組上的解決辦法。從結構的觀點看，實心轉子可以由開在轉子軸上的一組槽和與之相關放置的導電表面層材料組成。這種結構的意圖主要是為了改善電機的電特性，尤其是電機效率方面。轉子鐵心疊片組/鼠籠式繞組與具有整體式轉子結構的情況相比是一個更好的電工學解決辦法。但是當轉速增加時，用轉子鐵心疊片組/鼠籠式繞組的辦法由于鐵心片的屈服點低而會出現問題。鐵心疊片組中的大量鐵心片還會使轉子的彎曲臨界轉速下降。當考慮到制造技術以及使用，尤其是需要考慮平衡時，采用轉子鐵心疊片組/鼠籠式繞組的辦法是一個有問題的解決辦法。
特別是在轉子鐵心疊片組/鼠籠式繞組的辦法中，轉子結構在高轉速和高圓周速度的情況下，缺點會更加突出，這就必須使用薄而強度高的鐵心片。轉子結構的最高許用圓周速度與鐵心片材料屈服點的平方根成正比。因此當提高圓周速度時屈服點應該盡量高。鐵損與轉速的一次方和二次方以及鐵心片厚度的二次方成正比。在高轉速時，使鐵心片變薄可以補償增加的損耗。還應該考慮到疊片由于制造技術上的公差而并不總是等厚度的。進一步地，為了減少渦流損失，必須在疊片的表面上提供絕緣層。對于由薄片組成的轉子鐵心疊片組和鼠籠式繞組，為了得到結構的統一性，幾乎總是要進行軸向壓縮，這種方法容易產生應力，或使轉子結構發生彎曲。這些都會使轉子結構在使用過程中出現不平衡的情況。還應該考慮到轉子鐵心疊片組的疊片的屈服點通常比轉子軸所用的材料的屈服點低而且帶中心孔的柱形疊片組的機械應力相對較高。由于這些原因，轉子結構的長徑比變得不利，它傾向于使轉子的彎曲臨界轉速和所得得到的最高圓周速度下降。具有轉子鐵心疊片組/鼠籠式繞組的異步電機的功率因數較高。
另一方面，具有實心轉子的電機與上述的轉子鐵心疊片組/鼠籠式繞組結構相比可以達到較高的圓周速度。這還能得到較高的功率/重量比。在具有實心轉子的電機設計型式中，負載條件下的功率因數通常比較低。在這種情況下轉子結構中的磁通量在轉子結構的外表面上的流量開始增加，由此產生的渦流使磁通量在轉子結構的外表面上聚集。結果使轉子表面層強烈飽和，磁通的磁動勢強烈增加。如上所述其結果是功率因數顯著下降。作為一般性的結論，具有實心轉子的電機的功率因數較低，它在某種程度上會增加損耗，尤其是定子繞組中的損耗，并顯著地增加供電裝置的視在功率。
本發明的一個目的是提供一種用于異步電機的轉子結構，它非常有效地消除已有技術中的上述缺點。因此第一個基本目標是得到一種比轉子鐵心疊片組/鼠籠式繞組結構強度高的轉子結構。另一方面，第二個基本目的是減少異步電機的損失，與相應的具有覆蓋層的實心轉子的電機相比改善功率因數。為了達到此目標，根據本發明的轉子結構具有以下特征轉子軸的表面有一層由鐵磁性粒狀材料制成的覆蓋層，鐵磁性粒狀材料的電導率顯著低于異體結構的電導率，上述導體結構基本上與上述覆蓋層相聯。這樣，根據本發明的轉子結構由把電導率低的鐵磁性覆蓋層放在轉子軸和導電體結構之間而得到。因此，覆蓋層在防止渦流形成的同時又防止了功率因數的下降。轉子結構包括三個主要部分中央轉子軸、包圍著轉子軸的導磁的低損耗覆蓋層以及導電體結構，該導電體結構可以是一覆蓋層和(或)鼠籠式繞組結構，其中流有產生異步電機扭矩的電流。
下面的描述將詳細說明根據本發明轉子的一些優選實施例。請參照附圖，其中
圖1表示的是具有上述轉子結構實施例的一種異步電機，取的是垂直于轉子結構縱軸的橫截面的視圖;
圖2表示的是根據圖1所示的異步電機，沿轉子結構的縱軸方面所取的縱截面;
圖3～8表示的是本發明轉子結構的一些實施例的橫截面。
流經附圖所示的電機定子結構1中的定子繞組1a的交流電流產生一個磁場，該磁場相對于定子結構旋轉并且橫向貫通轉子結構2。貫通轉子結構的磁場在其旋轉過程中在轉子的導體結構6中產生感應電壓，此時在轉子的導體結構中產生電流，在旋轉磁場和該電流的聯合作用下就在轉子結構2中產生扭矩，此時轉子結構開始轉動。
特別是在圖1和2所示的實施例中，轉子結構的轉子軸4上有一個雙層凹槽5。該凹槽的第一部分5a在其兩側延伸到了定子結構1以外，在定子結構1兩端形成了一個容納導體結構6的短路環6a的空間。雙層凹槽的第二部分5b大體上位于定子結構的中央，在徑向上比雙層凹槽的第一部分5a深。該轉子結構包括有一層覆蓋層7。特別由圖1所示，覆蓋層7的外表面上開有大體上沿軸向延伸的一組槽8。這樣位于定子結構1中的導體結構6的中部6b構成了一個由所謂的鼠籠式繞組結構3a、包圍著該鼠籠式繞組結構的表面層3b以及覆蓋層7所形成的組合體。導體結構6在其中部6b構成了一個套筒狀的結構，它的外表面光滑、內表面為齒狀，齒脊的縱向大致位于轉子結構2的軸向。
作為圖2所示的實施例的選擇方案，將雙層凹槽5做在轉子軸4上，導體結構6和覆蓋層7可以直接做在轉子軸4的光滑表面上，這樣部件6和7所形成的結構從轉子軸4的外表面向外突出。這種主要與電機其他部件的結構選擇相關的可選擇的實施例沒有詳細表示出來，因為對熟悉此領域的專業人員來說這是很顯然的。
圖3主要表示的是導體結構6的短路結構6a處的截面，即圖2中的A-A截面。
進一步地，圖4和5表示的是圖2的B-B截面(圖1表示的也是B-B截面)處的導體結構中部6b的兩種選擇方案。圖4中的導體結構是一種嵌在覆蓋層7中的鼠籠式繞組，而圖5表示的導體結構的中部6b是位于具有光滑柱狀表面的覆蓋層7外側之表面光滑的均勻柱狀表面層。換句話說，圖4和5表示的是組合在圖1的轉子結構中的導體結構的兩種選擇方案。
在圖6所示的結構選擇方案中，根據圖1的實施例被進一步擴展，方法是再用第二個外覆蓋層部分7b包圍住轉子結構的外表面，它位于導體結構表面外側，而內覆蓋層部分7a基本上與圖1的結構一致。圖7表示的是這樣一種選擇方案，其中圖4所示的實施例被進一步擴展成將作為鼠籠式繞組結構的導體層的中部6b完全地嵌入覆蓋層7中。進一步地，圖8表示的是這樣一個實施例，覆蓋層7在鼠籠式繞組結構(注在這種情況下的導體結構可與圖6中的導體結構相似)處有一組部分地沿轉子的軸向和(或)徑向延伸且包含多個槽的槽組8。覆蓋層7在除槽組8以外的任何地方覆蓋著起導體結構6作用的鼠籠式繞組結構。槽組8的結構可以不向下延伸到導體結構6，即槽組8位于覆蓋層7上。
根據本發明的異步電機的轉子結構主要用在所謂的高速應用場合，在此場合中借助于本發明的轉子結構的應用領域并不限于高圓周速度和高轉速的范圍。就高速場合而論，在這方面，典型的圓周速度為100m/s以上，200-500m/s最好。在這種情況下轉子結構的轉速在2×104-3×105轉/分的范圍內。
覆蓋層7是用在由鐵磁性粒狀物質制成的覆蓋層坯料上施加壓力作用或類似的作用，在顆粒和(或)顆粒組之間形成粘結力和(或)接合力而得到的。
作為產生壓力作用的合適處理方法可以是沖擊波(壓實)成型法和燒結成型法。沖擊波成型技術在D.Reinhard和J.Person著的該領域的基礎著作Explosive Working of Metals(1963，P341)中有所敘述。覆蓋層7在至少部分顆粒和(或)顆粒組的表面上有一層絕緣層，該絕緣層最好用氧化法形成。絕緣層可以大致布置在所有顆粒表面，或對涂層操作中用的預先選定的顆粒組進行預處理而得到。形成涂敷層的方法總體上取決于制造技術以及覆蓋層的功能要求，并且當然還取決于顆粒的大小。在把粒狀材料放于導向結構坯料和(或)相關的沖擊波成型之前先形成涂敷層。
在覆蓋層7和轉子軸4之間布置一個中間層9會更有利，該中間層的屈服點最好比表面層7和(或)轉子軸4的屈服點低。參照圖2，可以將中間層9(至少部分由銅制成最好)放到組成雙層凹槽5的表面上，以使得中間層布置在5b這部分上，且遍及軸向和徑向的聯接表面10a和10b。
鐵磁性粒狀物質的顆粒大小和(或)顆粒組的顆粒大小在5-400μm比較合適，一般為25-200μm，50-150μm最好。覆蓋層7的徑向厚度大約為轉子結構2的外半徑的三分之一。
尤其是中間層9在改善覆蓋層7與轉子軸4之間的粘結力的同時還能平衡結構中產生的應力。
鐵磁性粒狀物質可以至少部分由象馬氏體鋼碎塊(馬氏體時效硬化鋼)，或非晶體鋼帶等，或毫微晶狀鋼帶等加工成料，或至少部分用這些材料的組合加工成料。這些材料的屈服點都在400MPa以上。
權利要求
1.異步電機中的轉子結構，該轉子結構(2)包括一個導電體結構(6)，它與轉子軸(4)相聯并大體上與異步電機的定子(1)相鄰，其特征在于；在轉子軸(4)的表面上設有一層由電導率顯著低于導體結構的電導率的鐵磁性粒狀物質組成的覆蓋層(7)，并且導體結構(6)基本上與覆蓋層(7)相聯。
2.如權利要求1所述的轉子轉構，其特征在于導體結構(6)位于覆蓋層(7)上，大體上均勻地包圍著基本上與定子(1)相鄰的轉子結構。
3.權利要求1或2所述的轉子結構，其特征在于覆蓋層(7)上開有大體上沿軸向延伸的一組槽，所說導體結構(6)至少部分地放在這組槽中。
4.如權利要求1-3任一項所述的轉子結構，其特征在于覆蓋層(7)作為一個整體至少在導體結構(6)的中部(6b)包圍著上述導體結構。
5.如權利要求1-4任一項所述的轉子結構，其特征在于導體結構(6)至少部分由基本上被覆蓋層(7)所包圍著的所謂鼠籠式繞組組成。
6.如權利要求1-5任一項所述的轉子結構，其特征在于轉子結構(2)主要用在所謂的高速應用場合，覆蓋層(7)的圓周速度典型值大于100m/s，最好是200-500m/s，轉子結構的轉速的典型值為2×104～3×105轉/分。
7.如權利要求1所述的轉子結構，其特征在于覆蓋層(7)在至少部分顆粒和(或)顆粒組的表面上有電絕緣層。
8.如權利要求7所述的轉子結構，其特征在于上述絕緣層用氧化法形成。
9.如權利要求1所述的轉子結構，其特征在于覆蓋層(7)通過以下方式在轉子軸(4)上形成，即在基本上由鐵磁性粒狀物質制成的覆蓋層坯料上施加壓力或類似的作用力，使之在顆粒和(或)顆粒組之間形成粘結力和(或)接合力。
10.如權利要求1或9所述的轉子結構，其特征在于覆蓋層(7)由沖擊波成型法使鐵磁性粒狀物質包在轉子軸(4)上而形成。
11.如權利要求1或9所述的轉子結構，其特征在于覆蓋層(7)用燒結的方法使鐵磁性粒狀物質包在轉子軸(4)上。
12.如權利要求1所述的轉子結構，其特征在于在覆蓋層(7)和轉子軸(2)之間插入一層屈服點最好比該覆蓋層(7)和(或)轉子軸(4)的屈服點低的中間層。
13.如權利要求8所述的轉子結構，其特征在于中間層(9)由金屬，最好至少部分由銅制成。
14.如權利要求1，12或13所述的轉子結構，其特征在于覆蓋層(7)設在位于轉子軸(4)上的凹槽(5)中，而中間層(9)放在覆蓋層(7)和轉子軸(4)之間，遍及軸向和徑向延伸的聯接面(10a，10b)，上述凹槽(5)最好由兩部分組成，覆蓋層(7)和導體結構的中部(6b)放在凹槽(5)的中部(5b)內，導體結構(6)端部的短路環(6a)與凹槽(5)的端部(5a)相聯。
15.如權利要求1所述的轉子結構，其特征在于鐵磁性粒狀物質的顆粒大5-400μm比較合適，一般在25-200μm，最好為50-150μm，該鐵磁性粒狀物質最好由馬氏體鋼，非晶體鋼或毫微晶狀鋼制成。
16.如權利要求1所述的轉子結構，其特征在于覆蓋層(7)的徑向厚度大約為轉子結構外半徑的三分之一。
17.如權利要求4或5所述的轉子結構，其特征在于覆蓋層(7)在轉子結構的表面上有一組沿軸向和(或)徑向延伸的槽組(8)，沿徑向延伸的該槽組(8)最好至少部分地向下延伸到導體結構(6)。
全文摘要
本發明涉及一種異步電機中的轉子結構。該轉子結構(2)包括一個大致與異步電機的定子(1)相鄰且與轉子軸(4)相聯的導電體結構(6)，在轉子軸(4)上，有一層由電導率顯著低于導體結構的鐵磁性粒狀物質組成的覆蓋層(7)。導體結構(6)基本上與覆蓋層(7)相聯。
文檔編號H02K3/42GK1099914SQ9410665
公開日1995年3月8日 申請日期1994年6月15日 優先權日1993年6月15日
發明者O·林德格倫, A·阿基奧 申請人:高速科技有限公司