专利名称：用于异步电机的鼠笼式转子的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于异步电机的鼠笼式转子。
背景技术：
众所周知，鼠笼式转子用于三相异步电机中，所述三相异步电机是非常可靠且廉价的驱动器，且在一些特殊的应用中，所述三相异步电机还用作交流发电机。在用于大功率和中等电压应用的标准构造中，例如，在铁路牵引驱动器中，鼠笼式转子包括由磁性材料制成的叠片堆，叠片堆具有分别被由铝或铜制成的杆占用的一系列的槽。所述杆彼此平行，且杆在转子的两个轴向端部以基本对称的方式从叠片堆突出。杆的顶端焊接到限定转子的轴向端部的两个短路环。异步电机的转矩通过对称系统由流过定子绕组的电流在气隙中产生的感应磁场与由在转子的杆中流动的感应电流在气隙中产生的感应磁场之间的相互作用而产生。杆的转矩通过杆沿着切线方向施加在槽的表面上的压力或力传递到叠片堆。当通过逆变器给异步电机的定子供电时，流过转子和定子绕组的电流不是理想的正弦曲线，而是具有不可忽略的谐波。超过基频的定子电流谐波产生足以在转子的杆中感应出谐波电流的气隙磁场谐波。处于不同频率的定子感应磁场和转子感应磁场的谐波之间的相互作用导致转矩振荡。转矩振荡的频率通过定子磁场的频率与转子磁场的频率之间的差异或总和给出。因此，转矩振荡的频率取决于在定子绕组中由逆变器设定的交流电的基频及逆变器的开关频率。在电牵引驱动器中，供应到定子的交流电必须具有可变的主频率，以使电机可以以不同的速度运行。因此，在这样的应用中，所述转矩振荡的频率的范围或频谱极宽。叠片堆和短路环具有不同的转动惯量，这意味着转矩振荡导致在杆的布置于短路环和叠片堆之间的端部产生具有一定振幅的扭转变形。当转矩振荡的频率接近由电机驱动的系统和/或转子的一些部件的扭转本征频率时，发生共振。由于所述共振，导致杆的端部的变形程度相当大，由于在杆与短路环之间的接头区域的疲劳损坏(尤其在需要大动力和大功率性能指标的电铁路牵引应用中)，导致经常出故障。可减小杆的端部相对于叠片堆突出的长度，以减小由于转矩振荡导致的变形。然而，这种方案不令人满意，这是因为在任何情况下，这样的端部都必须具有最小长度，即，在叠片堆与短路环之间必须具有最小轴向距离，以保证用于冷却的通风是足够的。由西门子公司(Siemens)提出的用于减小由于转矩振荡导致的变形的另一方案包括根据不同的构造弯曲杆的端部，例如，使一个杆保持笔直并弯曲两个相邻的杆，以使所述两个相邻的杆的顶端运动靠近笔直杆的顶端。西门子公司近来还提出了一种没有短路环的转子，在该转子中，利用彼此连接的柔性导线来代替传统的杆。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于异步电机的鼠笼式转子，该鼠笼式转子以简单且廉价的方式克服了上面描述的问题，这是因为该鼠笼式转子减少了杆与短路环之间的接头区域的疲劳损坏及后续损坏。根据本发明，提供一种用于异步电机的鼠笼式转子 ，该鼠笼式转子如在权利要求I中所限定的。
现在，将参照附图描述本发明，附图示出了本发明的非限制性实施例，在附图中图I是根据本发明的用于异步电机的鼠笼式转子的优选实施例的示意性局部视图；图2是位于图I的转子笼的两个连续的杆之间的刚性块的放大示意图；图3和图4是示出图2的刚性块的可能的不同布置的可选实施例；图5示出了刚性块的可选实施例。
具体实施例方式在图I中，由数字I总体上指示的是鼠笼式转子(部分地且示意性地示出)。转子I包括由磁性材料制成的叠片堆2。叠片堆2在接近其外周的位置具有多个槽3，所述多个槽3与转子I的轴线4平行，且分别由底表面5和彼此面对的两个侧表面6限定。当然，槽3的截面可不同于在附图中示意性地示出的截面。转子I还包括笼7，笼7(例如)由铜制成，并且当给电机定子(未示出)的极供应交流电流时，在笼7的位置产生感应电流。笼7包括多个杆8，优选地，杆8的截面从所述杆8的一端到另一端恒定不变。所述多个杆8分别包括中间部分9并具有两个相对的侧表面10，每个中间部分9容纳在相应的槽3中，所述两个相对的侧表面10分别靠在表面6上并将转矩传递到堆2。所述多个杆8还分别包括相对的端部分12，所述端部分12相对于堆2轴向地突出。部分12限定部分9平行于轴线4的延伸。在转子I的每个轴向端部，部分12的顶端(例如)通过焊接的方式被固定到短路环13。转子I在每个轴向端部具有一系列的空间15，所述空间15通过短路环13和堆2的端面轴向地界定，并且通过彼此相邻的部分12切向地界定。空间15使短路环13与堆2保持一定的距离，从而留出用于冷却电机的空气通道。根据本发明，一些空间15被呈(例如)平行六面体形状的刚性块17占用。刚性块17具有相对的侧表面18,所述侧表面18靠在相邻的杆8的部分12的表面10上,并被直接固定到所述杆8，如下面更加全面地描述的。刚性块17能够使扭转刚度增加，因此，可增加转子I的扭转本征频率的值，从而减小部分12与短路环13之间的疲劳损坏的风险。在设计阶段限定块的数量、位置及尺寸，以增加转子I的两个第一本征频率的值。这样，扭转刚度的增加防止了可由转矩振荡引发的共振的风险。如上所述，转矩振荡通过来自逆变器(未示出)并供应给电机定子的交流电的谐波频率产生。具体地说，目的是至少增加转子I的第一扭转本征频率，以使这一频率高于转矩振荡的第一谐波频率。
在转子I的两个轴向端部中的每个轴向端部，优选地，刚性块17具有相同的形状和相同的尺寸，刚性块17围绕轴线4彼此等距离地布置在空间15中，刚性块17在相应的空间15中所处的位置相同。必须存在足够数量的刚性块17，以便能够在不阻碍空气流动以使电机冷却的情况下达到扭转刚度的期望的增加量，并因此达到转子I的期望的扭转本征频率值。此外，优选地，刚性块17的数量与电机的极对数成比例，以避免对笼7的电磁行为的对称性造成任何改变。在图I中示出的具体示例中，在转子I的每个轴向端部存在三个刚性块17。在已经选择了将被插入在空间15中的刚性块17的数量和形式之后，确定块17的尺寸及块17在相应的空间15中的位置。合适的有限元计算模型或者合适的近似数学模型被用于估计转子I的两个第一扭转本征频率值的增加量及扭转刚度的实际增加量。 具体地说，参照图2，为了获得扭转刚度的期望的增加量并优化连接到刚性块17的部分12的张力水平，确定刚性块17沿着轴向的长度hb的最合适的值、刚性块17距短路环13的轴向距离\ !的最合适的值及刚性块17距堆2的轴向距离\ 2的最合适的值。优选地，刚性块17沿着径向的厚度基本上等于或略小于部分12的厚度，从而刚性块17不会相对于部分12径向地突出。当刚性块17布置在相应的空间15的中央时，S卩，当入f X2时，扭转刚度和抗弯刚度最大。因此，这是使转子I的整体刚度最大的最佳位置。可选地，刚性块17可布置在部分12的端部，即，X 1=0(图3)或入2=0(图4):可根据用于装配和/或制造转子I的方法来方便地实现这些布置。为了获得与图2的构造的刚度相同的刚度，使用长度hb更大的刚性块17可能将是必要的。例如，选择X 1=0(图3)，即，将刚性块布置为使得刚性块与短路环13轴向地接触，这有利于允许刚性块17直接附着到短路环13，甚至允许刚性块17和短路环13被制造为一体的铜结构。图5示出了具有不同形状的刚性块17 :刚性块17的轴向端部被挖空，以具有两个凹入的且基本上呈半圆柱形的面20，面20的曲率轴相对于轴线4径向地指向。面20的曲率半径能够使由于笼7的扭转而通过刚性块17沿着由表面18限定的分界面的上边缘和下边缘传递到杆的部分12的应力集中减小。面20的曲率半径还能够使表面18沿轴向被制造得更长，并因此被制造得更大，以减小由于笼7的扭转而在由两个表面18限定的分界面处在刚性块17与部分12之间传递的应力的强度。可想到示出的实施例的可选实施例，所有的实施例均是为了减小刚性块17中的应力的目的。关于用于制造刚性块17的材料，所述材料必须具有足以限制部分12变形的刚度，并且所述材料必须能够容易地连接到杆8。例如，刚性块17的材料是铜，S卩，与笼7的材料相同的材料。可选地，刚性块17的材料是电绝缘材料，以避免由于笼7的导电材料的可能的不对称布置而可引起的电磁干扰。关于用于将刚性块17结合到杆8的部分12的方法，该方法必须保证表面18与杆8的侧表面10恒定接触。从根本上说，用于将刚性块17结合并紧固到相邻的杆8的工艺取决于用于制造所述刚性块17的材料的类型。如果刚性块17由金属制成，例如，由与笼7的材料相同的材料制成，则有利的是，在将杆8的顶端焊接到短路环13的同一步骤中将刚性块17焊接到相邻的杆8的部分12，从而同时装配笼7的所有部件。具体地说，可使用感应
焊接工艺。如果刚性块17由电绝缘材料制成，则利用环氧树脂的胶合工艺是优选的。具体地说，所述工艺包括加热固态的环氧树脂，直到固态的环氧树脂熔化并形成胶水为止，然后，将刚性块17布置于在设计阶段限定的位置，将胶水施加在刚性块17与部分12之间，最后通过在室温下将转子I搁置预定时间来使胶水硬化。可选地，刚性块17通过螺钉或者通过过盈配合的方式连接到部分12。从刚性块17的插入操作得到的优点通过上面的描述变得明显。具体地说，在不明显改变转子I的电磁行为，并因此不明显改变发动机的效率的情况下，通过增加转子I的扭转本征频率的值，可避免共振，并因此可限制扭转变形的程度，减少随后产生的疲劳。如上 所述，扭转刚度必须达到这样的程度，该程度至少使第一扭转频率升高到明显高于由给定子绕组供电的逆变器产生的转矩谐波频率的值。与在现有技术中提出的其他方案相比，在此提供的方案极其简单，且在插入相对少量的刚性块使得转子的扭转刚度大大增加方面是非常有效的。最后，从上面的描述清楚的是，在不脱离如在权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可对在此描述的转子I进行修改和变型。具体地说，如上所述，刚性块的数量、位置及尺寸可不同于通过示例的方式示出的数量、位置及尺寸。
权利要求
1.一种用于异步电机的鼠笼式转子(1)，所述鼠笼式转子包括 叠片堆(2)，由磁性材料制成，限定多个槽(3)； 笼87)，包括 a)多个杆(8)，具有与所述多个槽(3)接合的中间部分(9)及相对于所述叠片堆(3)突出的相对的端部(12)， b)两个短路环(13)，固定到所述端部(12)； 多个空间(15)，由所述叠片堆(2)和所述短路环(13)轴向地限定，并由所述端部(12)切向地限定， 其特征在于所述多个空间(15)中的一些空间被刚性块(17)占用，每个刚性块(17)与两个相邻的杆(8)的端部(12)均接触；所述刚性块(17)的数量、位置及尺寸被限定为至少使得转子(I)的第一扭转本征频率增加到高于转矩振荡的第一谐波频率的值。
2.根据权利要求I所述的转子，其特征在于，所述刚性块(17)直接固定到相邻的杆(8)的端部(12)。
3.根据权利要求2所述的转子，其特征在于，所述刚性块(17)焊接到所述端部(12)。
4.根据权利要求2所述的转子，其特征在于，所述刚性块(17)胶合到所述端部(12)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，在转子(I)的每个轴向端部，所述刚性块(17)围绕转子(I)的轴线(4)彼此等距离地布置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，在转子(I)的每个轴向端部，所述刚性块(17)具有相同的形状、相同的尺寸且在相应的空间(15)中所处的位置相同。
7.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，所述刚性块(17)轴向地布置在所述叠片堆(2)与短路环(13)之间的中央位置。
8.根据权利要求I至6中任一项所述的转子，其特征在于，所述刚性块(17)被布置为与短路环(13)接触。
9.根据权利要求8所述的转子，其特征在于，所述刚性块(17)与短路环(13)被制造为一体。
10.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，所述刚性块(17)的数量与电机的极对数成比例。
11.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，所述刚性块(17)由电绝缘材料制成。
12.根据权利要求I至10中任一项所述的转子，其特征在于，所述刚性块(17)由铜制成。
13.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，所述刚性块(17)呈平行六面体形状。
14.根据权利要求I至12中任一项所述的转子，其特征在于，所述刚性块(17)被凹入的表面轴向地界定。
全文摘要
一种用于异步电机的鼠笼式转子(1)，所述鼠笼式转子设置有叠片堆(2)，由磁性材料制成；多个杆(8)，杆(8)的中间部分(9)与叠片堆(2)的相应的槽(3)接合，杆(8)的端部(12)在转子(1)的两个轴向端部相对于叠片堆(3)突出并固定到两个短路环(13)；多个空间(15)，由叠片堆(2)和短路环(13)轴向地限定，并由杆(8)的端部(12)切向地限定，这样的空间(15)中的一部分空间被刚性块(17)占用，刚性块(17)被布置为与相邻的杆(8)的端部(12)接触。
文档编号H02K17/16GK102648569SQ201080050725
公开日2012年8月22日 申请日期2010年9月8日 优先权日2009年9月9日
发明者乔瓦尼·卡鲁索, 安东尼奥·特兰提诺, 弗朗科·玛塞里, 恩里科·帕格孥, 蒂耶哥·杨努兹, 鲁伊基·本尼杜斯, 鲁伊基·皮耶格里 申请人:安萨尔多布瑞德有限公司