转子铁芯、电机转子、电机和压缩机的制作方法

[0001]
本申请涉及电机技术领域，具体涉及一种转子铁芯、电机转子、电机和压缩机。


背景技术：

[0002]
近年来，永磁同步电动机因其优良的特性在工业控制领域得到广泛应用。但是，相比传统三相异步电机，该类型电机的应用还普遍存在启动能力差等问题，同步电机在启动时需要变频器进行辅助启动，启动性能受变频器技术水平限制，况且现阶段变频器价格昂贵，一整套永磁同步电机相比异步电机价格过高，且由于变频器的存在，电机体积也进一步增大。
[0003]
由于以上局限性，各电机厂均在开发一款能够在线启动的永磁同步电机，既保留异步电机优异的启动性能，同时保留同步电机在运行过程中效率、功率因数高这一特性。现阶段的自启动同步电机采用在冲片外圆部分开设鼠笼槽，铸铝或插入铜条，使之在启动时为异步电机，启动后发挥同步电机优势，但此电机在铸铝等工艺上有难度，且由于鼠笼槽在冲片上占据一部分面积，导致永磁体有效面积减少，不易发挥永磁同步电机优势。


技术实现要素：

[0004]
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种转子铁芯、电机转子、电机和压缩机，能够综合异步电机和永磁同步电机的优点，在拥有优异启动性能的同时，能够提高永磁同步电机的利用率，使得永磁同步电机优势最大化，提高电机的综合性能。
[0005]
为了解决上述问题，本申请提供一种转子铁芯，包括第一铁芯段和第二铁芯段，其中第一铁芯段为异步电机转子铁芯，第二铁芯段为同步电机转子铁芯，第一铁芯段设置在第二铁芯段的轴向方向的至少一端。
[0006]
优选地，第一铁芯段的两端分别设置有端环。
[0007]
优选地，端环朝向第二铁芯段的端面为平面。
[0008]
优选地，第二铁芯段的两端分别设置有第一铁芯段。
[0009]
优选地，第一铁芯段的轴向长度为第二铁芯段的轴向长度的1/3～1/10。
[0010]
优选地，第二铁芯段为同步永磁电机转子或同步磁阻电机转子。
[0011]
优选地，第一铁芯段为单鼠笼槽结构。
[0012]
优选地，第一铁芯段为双鼠笼槽结构。
[0013]
优选地，第一铁芯段的外径小于第二铁芯段的外径。
[0014]
优选地，第一铁芯段上设置有转子槽，转子槽包括上笼、下笼以及中间部，下笼、中间部和上笼沿着第一铁芯段的径向依次向外设置，上笼沿着远离中间部的方向周向宽度递增。
[0015]
优选地，转子槽为非对称结构，转子槽包括沿径向方向延伸的公共边，下笼、中间部和上笼的第一侧共用该公共边，下笼、中间部和上笼位于公共边的同一侧。
[0016]
优选地，上笼的径向外侧边的圆心角为α，0.7*(360
°
/n)≤α≤0.8*(360
°
/n)，其中
n为转子槽数量。
[0017]
优选地，公共边的总长度为h，上笼的公共边长度为h1，其中0.05≤h1/h≤0.2。
[0018]
优选地，中间部的公共边长度为h2，中间部的周向宽度为b2，其中h2/b2≥1。
[0019]
优选地，上笼的径向外侧还设置有隔磁槽，隔磁槽的周向宽度为b0，中间部的周向宽度为b2，其中b2≤b0＜2b2。
[0020]
根据本申请的另一方面，提供了一种电机转子，包括转子铁芯，该转子铁芯为上述的转子铁芯。
[0021]
优选地，电机还包括定子铁芯，第一铁芯段沿轴向超出定子铁芯外。
[0022]
优选地，第一铁芯段超出定子铁芯外的长度为第一铁芯段轴向长度的1/2。
[0023]
根据本申请的另一方面，提供了一种电机，包括转子铁芯，该转子铁芯为上述的转子铁芯。
[0024]
根据本申请的另一方面，提供了一种压缩机，包括转子铁芯，该转子铁芯为上述的转子铁芯。
[0025]
本申请提供的转子铁芯，包括第一铁芯段和第二铁芯段，其中第一铁芯段为异步电机转子铁芯，第二铁芯段为同步电机转子铁芯，第一铁芯段设置在第二铁芯段的轴向方向的至少一端。本申请中对转子铁芯进行了改造，采用了分段式的转子铁芯结构，每一段铁芯段只需要实现不同电机类型的某一特性即可，将具有不同特性的铁芯段沿轴向进行组合应用，在电机启动时，利用轴向的异步电机段进行启动，在运行时，依靠同步电机段进行运行，每个铁芯段各有其特有属性，使得第一铁芯段的转子铁芯只需要按照异步电机的转子结构进行设计，第二铁芯段的转子铁芯只需要按照同步电机的转子结构进行设计，因此电机的自启动和运行分别由不同的铁芯段来实现，使得实现异步电机的转子槽型和实现同步电机的转子槽型位于不同的转子冲片上，避免了异步电机转子的槽型占据同步电机转子的面积，加大了同步电机转子的永磁体有效面积，能够综合异步电机和永磁同步电机的优点，在拥有优异启动性能的同时，提高永磁同步电机的利用率，使得永磁同步电机优势最大化，提高电机的综合性能。
附图说明
[0026]
图1为本申请一个实施例的第一铁芯段的转子冲片的结构图；
[0027]
图2为图1的q处的转子槽的放大结构图；
[0028]
图3为本申请的第一铁芯段的槽漏磁与传统双鼠笼电机的槽漏磁的比较图；
[0029]
图4为本申请的第一铁芯段的在电机启动时的有效槽面积与传统双鼠笼电机的有效槽面积的比较图；
[0030]
图5为本申请的第一铁芯段的机械特性图；
[0031]
图6为本申请另一个实施例的第一铁芯段的转子槽结构图；
[0032]
图7为本申请另一个实施例的第一铁芯段的转子槽结构图；
[0033]
图8为本申请实施例的转子铁芯的剖视结构图；
[0034]
图9为本申请实施例的转子铁芯的第一铁芯段与端环配合的剖视结构图；
[0035]
图10为本申请一个实施例的转子铁芯的第一铁芯段的结构示意图；
[0036]
图11为本申请另一个实施例的转子铁芯的第一铁芯段的结构示意图；
[0037]
图12为本申请一个实施例的转子铁芯的第二铁芯段的结构示意图；
[0038]
图13为本申请另一个实施例的转子铁芯的第二铁芯段的结构示意图；
[0039]
图14为本申请实施例的电机的剖视结构示意图。
[0040]
附图标记表示为：
[0041]
1、第一铁芯段；2、上笼；3、下笼；4、中间部；5、公共边；6、隔磁槽；7、转子铁芯；8、端环；9、第二铁芯段；10、定子铁芯。
具体实施方式
[0042]
结合参见图1至图14所示，根据本申请的实施例，转子铁芯包括第一铁芯段1和第二铁芯段9，其中第一铁芯段1为异步电机转子铁芯，第二铁芯段9为同步电机转子铁芯，第一铁芯段1设置在第二铁芯段9的轴向方向的至少一端。
[0043]
本申请中对转子铁芯进行了改造，采用了分段式的转子铁芯结构，每一段铁芯段只需要实现不同电机类型的某一特性即可，将具有不同特性的铁芯段沿轴向进行组合应用，在电机启动时，利用轴向的异步电机段进行启动，在运行时，依靠同步电机段进行运行，每个铁芯段各有其特有属性，使得第一铁芯段1的转子铁芯只需要按照异步电机的转子结构进行设计，第二铁芯段9的转子铁芯只需要按照同步电机的转子结构进行设计，因此电机的自启动和运行分别由不同的铁芯段来实现，使得实现异步电机的转子槽型和实现同步电机的转子槽型位于不同的转子冲片上，第一铁芯段1上仅有异步槽型，第二铁芯段9上仅有同步槽型，避免了异步电机转子的槽型占据同步电机转子的面积，加大了同步电机转子的永磁体有效面积，能够综合异步电机和永磁同步电机的优点，在拥有优异启动性能的同时，提高永磁同步电机的利用率，使得永磁同步电机优势最大化，提高电机的综合性能。
[0044]
此外，由于第一铁芯段1为异步转子铁芯，第二铁芯段9为同步转子铁芯，因此可以在第一铁芯段1上进行铸铝工艺，在第二铁芯段9上进行磁钢安装，两部分工序互不重叠，第一铁芯段1上的铸铝工艺也不会对第二铁芯段9上的磁钢安装造成阻碍，因此工艺更加简单，易于实现。
[0045]
由于本申请的转子铁芯所形成的电机，能够利用第一铁芯段1所形成的异步电机实现自启动，因此无需设置变频器，不仅能够降低电机成本，而且可以减小电机体积。
[0046]
由于本申请中对电机的转子铁芯进行了分段，每个分段都可以采用原有的转子结构，因此可以利用现有的电机产线完成，且能够实现不同铁芯段的同步生产，加快了电机生产效率，实现成本更低。
[0047]
第一铁芯段1的两端分别设置有端环8。优选地，端环8朝向第二铁芯段9的端面为平面。
[0048]
在本实施例中，第二铁芯段9的两端分别设置有第一铁芯段1，每个第一铁芯段1的两端均设置有端面为平面的端环8，第二铁芯段9位于两个端环8之间。
[0049]
相比在同步电机转子冲片上开设铸铝槽的方案，本申请的方案在工艺上可行性高，异步电机及同步电机均按照现有技术即可实现，使得异步电机转子端面与同步电机转子端面紧密配合，有效保证电机转子的装配精度和装配效率，无需增加额外成本，在装配时，将异步电机-同步电机-异步电机依此套入电机轴中，可选择过盈或间隙配合，轴向固定即可完成。本申请实施例的分段式自启动同步电机，由于不需要在同步电机转子冲片上开
设铸铝槽，其冲片设计性高，功率密度高，电机性能更优。
[0050]
为保证电机装配质量，第一铁芯段1的外径小于第二铁芯段9的外径。在一个实施例中，异步电机转子外径较同步电机小0.5mm左右。
[0051]
第一铁芯段1的轴向长度为第二铁芯段9的轴向长度的1/3～1/10。对于本申请而言，电机运行过程中主要依靠同步电机转子工作，而异步电机转子仅在电机启动过程中起主要作用，因此异步电机转子的轴向高度无需太高，只需要满足电机的启动能力即可。通过限定第一铁芯段1和第二铁芯段9的上述长度比例关系，既能够利用异步电机的优势保证电机顺利自启动，又能够使得电机在运行过程中具有较好的效率和功率因数，凸出同步电机转子的优势。
[0052]
第二铁芯段9例如为同步永磁电机转子或同步磁阻电机转子。对于同步永磁电机转子而言，磁钢槽中填充有稀土永磁体或者铁氧体永磁体。
[0053]
第一铁芯段1例如为单鼠笼槽结构。
[0054]
第一铁芯段1也可以为双鼠笼槽结构。
[0055]
在采用单鼠笼槽结构的电机转子进行装配时，可以采用单鼠笼槽的电机转子搭配同步永磁电机转子的组合，也可以采用单鼠笼槽的电机转子搭配同步磁阻电机转子的组合。
[0056]
在采用双鼠笼槽结构的电机转子进行装配时，可以采用双鼠笼槽的电机转子搭配同步永磁电机转子的组合，也可以采用双鼠笼槽的电机转子搭配同步磁阻电机转子的组合。
[0057]
在其他的实施例中，也可以采用单鼠笼槽搭配其他同步电机转子的组合，或者是双鼠笼槽搭配其他同步电机转子的组合。
[0058]
在本实施例中，提供了一种新型的双鼠笼槽转子铁芯，可以作为第一铁芯段1来使用。当然，也可以采用传统的双鼠笼槽转子铁芯来作为第一铁芯段1使用。
[0059]
在本实施例中，第一铁芯段1的转子冲片上设置有转子槽，转子槽包括上笼2、下笼3以及中间部4，下笼3、中间部4和上笼2沿着第一铁芯段1的径向依次向外设置，上笼2沿着远离中间部4的方向周向宽度递增。
[0060]
上述的转子冲片制成的电机转子，采用了双鼠笼转子槽型，启动过程中由于集肤效应，使电流多被挤到转子槽上笼2，上笼2电阻大，可以减小启动电流而增大启动转矩；但在启动结束后，转子电流频率很低，下笼3的漏电抗减小，其本身电阻又小，转子电流主要从下笼3的导条中通过，下笼3在正常运行时起主要作用，双笼型异步电动机的机械特性是上下笼3机械特性的合成，通过上下笼3结构及配比，得到较好的启动和运行特性，由于本申请中的上笼2沿着远离中间部的方向周向宽度递增，使得上笼2径向外侧的宽度较宽，径向内侧的宽度较窄，因此能够加大上笼2径向外侧与径向内侧的磁链差，使得启动过程中的集肤效应得到更加有效的利用，电流被更多地挤到上笼2处，增大上笼2的有效利用面积，增大上笼2处的阻抗和启动转矩，从而更加有效地降低电机的启动电流，提高电机的启动转矩，提高电机的运行效率和功率因数。
[0061]
采用上述的转子冲片支撑的转子铁芯作为第一铁芯段1，由于其槽形的独特性，启动效果更好，使用于自启动电机，更能发挥该转子铁芯的优势。
[0062]
上述的第一铁芯段1沿着径向向外的方向，下笼3的宽度递增。
[0063]
中间部4的宽度小于下笼3的径向外侧边的宽度。由于下笼3与中间部4连接，因此下笼3的径向外侧与中间部4的径向内侧相连，由于中间部4的宽度小于下笼3的径向外侧边的宽度，而磁通总是以磁阻小的路径闭合，因此可以利用中间部4迫使上笼漏磁通路径也交链于下笼，这样交链于下笼3的漏磁通比上笼多，下笼悠久较大的漏抗，使得趋表效应更为明显。
[0064]
沿着转子冲片的径向方向，本申请中的上笼2小而宽，下笼3长且窄，能够改变转子的漏磁通分布，从而改变其参数，使得交链槽底部的漏磁通越多，这些漏磁通所经过的截面积就越大，磁阻越小，漏抗就越大，另外，下笼3槽窄，漏磁通经过槽内部分的长度越短，磁阻越小，故漏抗也越大，将上笼2设置为沿着远离中间部4的方向周向宽度递增，也即使得上笼2沿着径向向外的方向宽度递增，能够进一步加大上笼2的磁阻，减小下笼3的磁阻，从而进一步加大上笼2与下笼3之间的磁链差，使得趋表效应更加明显，可以获得更佳的启动能力，更高的运行效率及功率因数。
[0065]
转子槽为非对称结构，转子槽包括沿径向方向延伸的公共边5，下笼3、中间部4和上笼2的第一侧共用该公共边5，下笼3、中间部4和上笼2位于公共边5的同一侧。本实施例中的转子槽采用非对称结构，且使用单侧共边的半刀型结构，能够使得公共边5成为一条线的规则结构，而非是不规则结构，因此能够简化公共边5所在侧的结构，降低转子槽的加工难度，提高转子槽的加工工艺性。相对于传统的双鼠笼槽，采用本申请的上述非对称结构形成的转子槽型为半槽结构，在保证双鼠笼工作性能的情况下，能够进一步简化槽形结构，改善双鼠笼槽的加工性能。公共边5优选地为单一线型，例如为直线段或者弧形段，也可以为单一线型的组合，例如沿径向延伸的直线段和弧线段的组合，只要能够形成结构简单的单边结构，降低公共边5的加工难度即可。
[0066]
结合参见图3所示，对于双鼠笼电机而言，电机启动过程中，由于槽口与槽底磁链相差较大，ψ1》ψ2，其中ψ1为槽口磁链，ψ2为槽底磁链，致使电感l1》l2，其中l1为上笼电感，l2为下笼电感，同时由于启动时转差率s＝0以及集肤效应，使槽上的电抗分布也不均匀，电流密度从槽口到槽底逐渐变小，即电流更多地被挤到转子槽上笼2，从而使导条的有效面积降低。
[0067]
结合参见图4所示，相比传统双鼠笼结构，上述实施例中的上笼2采用三角型或者梯形结构，靠近转子槽口的部分较宽，靠近槽底的部分较窄，使得相比传统双鼠笼槽型的上笼而言，本申请的上笼2有效利用面积增大，阻抗变大，从而减小电机启动电流，同时提高启动转矩。
[0068]
采用本申请第一铁芯段上述转子槽型的电机在启动时有效减小了电机启动电流，相比传统双鼠笼电机，启动电流倍数下降1左右，由于大电机电流较大，轻微的倍数减小对电网的冲击改善，能有效增加电机及前端设备寿命。
[0069]
上笼2的径向外侧边的圆心角为α，0.7*(360
°
/n)≤α≤0.8*(360
°
/n)，其中n为转子槽数量。
[0070]
本申请主要通过上笼形状限定，使得启动过程中集肤效应得到有效利用，变相减小电机启动时的有效面积。对于本申请而言，通过仿真及实际试验，确定径向外侧边的圆心角范围在0.7*(360
°
/n)≤α≤0.8*(360
°
/n)时，可以使得上笼得到较佳的结构性能。
[0071]
上笼2的公共边5长度为h1，上笼2远离公共边5的一侧的边长为h3，其中0≤h3≤
0.5h1。
[0072]
考虑转子槽内金属铸造或插接工艺，上笼槽口一侧设置h3，h3范围推荐0≤h3≤0.5h1。为保证铸铝工艺，采用圆弧作为上笼槽口曲线。
[0073]
h3的值一般大于0，这是由于当h3＝0时，上笼2远离公共边5的一侧表现为尖角，不利于上笼2的加工成型，因此需要对尖角位置进行处理，使其表现为弧形或者直倒角形的退刀结构，从而便于进行上笼2的加工。
[0074]
公共边5的总长度为h，上笼2的公共边5长度为h1，其中0.05≤h1/h≤0.2。
[0075]
优选地，0.1≤h1/h≤0.15。
[0076]
启动结束后，转子电流频率很低，下笼3漏电抗减小，其本身电阻又小，转子电流主要从下笼3的导条中通过，下笼3在正常运行时起主要作用，双笼型异步电动机的机械特性是上下笼机械特性的合成，通过上下笼结构及配比，得到较好的启动和运行特性。对于本申请的双鼠笼结构而言，上笼沿径向方向的高度与鼠笼总高比值满足0.05≤h1/h≤0.2，优选地，为0.1≤h1/h≤0.15时，其运行时的效率及功率因数均能保持较高水平，且其启动特性也较好，如图5所示。
[0077]
通过本实施例限定的上笼2及下笼3的高度比值及上笼结构，使得启动过程中上笼所提供的启动转矩增大，由t1增大为t2，整体合成转矩也有所增加，电机出力更大性能更优。图10为本专利与传统双鼠笼的出力对比，在同等功率、同等电机叠高及材料用量一致的情况，本专利提出的槽型电机在电机运行过程中提升转矩至1.05倍。
[0078]
中间部4的公共边5长度为h2，中间部4的周向宽度为b2，其中h2/b2≥1。
[0079]
优选地，2.15≤h2/b2≤2.67。
[0080]
中间部4的长宽比对电机启动电流也有较大影响，细长的颈部连接有利于提升电机启动性能，但由于目前的工艺可实施性，其连接部分不能过窄，通常b2需大于1mm，公共边5长度h2按照1≤h2/b2进行设计，更优地，2.15≤h2/b2≤2.67，能够使得电机启动电流更低，同时提升启动转矩。
[0081]
中间部4的周向宽度为b2，下笼3的径向外侧边宽度为b3，b2≤b3。
[0082]
优选地，b2≤0.85b3。
[0083]
通过限定上述的中间部4与下笼3在连接位置处的周向宽度的关系，能够使上笼2更加充分地发挥作用，进一步降低启动电流。上笼2与下笼3本身为同一个槽，通过设置中间部4能够让鼠笼槽人为的分为两槽，这样启动时由于中间槽口位置较小，更多的电流被计入到上槽中，能够实现集肤效应最大化。
[0084]
本实施例中，下笼3形状为梯形，位于径向内侧的槽底为径向内侧边，位于径向外侧的槽口为径向外侧边，下笼3的径向内侧边宽度为b4，下笼3的径向外侧边宽度为b3，其中b4＜b3。
[0085]
优选地，0.5b3≤b4≤0.85b3，能够使转子齿部磁密更加均匀化，从而使得电机运行更加平稳。
[0086]
上笼2的径向外侧还设置有隔磁槽6，隔磁槽6的周向宽度为b0，中间部4的周向宽度为b2，其中b2≤b0＜2b2。
[0087]
在其中一个实施例中，隔磁槽6与转子冲片的外周缘之间形成有隔磁桥，也即隔磁槽6为闭口槽。
[0088]
在另外一个实施例中，隔磁槽6沿径向贯穿转子冲片的外周缘，也即隔磁槽6为开口槽。当隔磁槽6为开口槽时，能够有效减少漏磁，提升电机运行特性。
[0089]
根据本申请的实施例，电机转子包括转子铁芯7，转子铁芯7为上述的转子铁芯。转子铁芯7的鼠笼槽内铸有铝液或其他金属材料。优选地，上笼2内的金属材料使用电阻率较大的黄铜或铝青铜等制成，下笼3内的金属材料采用电阻率较小的紫铜制成。
[0090]
电机还包括定子铁芯10，第一铁芯段沿轴向超出定子铁芯10外。两端的异步电机，第一铁芯段1沿周向方向超出定子铁芯10外，从而置于定子绕组下，能够利用定子端部漏磁来进行电机启动，可以进一步减小第一铁芯段1的轴向长度，利用较少的异步电机转子铁芯就能够有效实现组合式电机的自启动，因此能够有效降低电机成本。
[0091]
优选地，第一铁芯段超出定子铁芯10外的长度为第一铁芯段轴向长度的1/2。
[0092]
根据本申请的实施例，电机包括转子铁芯7，转子铁芯7为上述的转子铁芯。
[0093]
根据本申请的实施例，压缩机包括上述的转子铁芯或上述的电机。
[0094]
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
[0095]
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。