專利名稱：異步電機(jī)中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種異步電機(jī)中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)包括一個導(dǎo)電體結(jié)構(gòu)，它大致與異步電機(jī)的定子相鄰并與轉(zhuǎn)子軸相聯(lián)。
在電機(jī)中通常使用的或者是所謂的實心轉(zhuǎn)子或者是把所謂的轉(zhuǎn)子鐵心疊片組耦合到鼠籠式繞組上的解決辦法。從結(jié)構(gòu)的觀點看，實心轉(zhuǎn)子可以由開在轉(zhuǎn)子軸上的一組槽和與之相關(guān)放置的導(dǎo)電表面層材料組成。這種結(jié)構(gòu)的意圖主要是為了改善電機(jī)的電特性，尤其是電機(jī)效率方面。轉(zhuǎn)子鐵心疊片組/鼠籠式繞組與具有整體式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的情況相比是一個更好的電工學(xué)解決辦法。但是當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，用轉(zhuǎn)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(xiàn)問題。鐵心疊片組中的大量鐵心片還會使轉(zhuǎn)子的彎曲臨界轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)考慮到制造技術(shù)以及使用，尤其是需要考慮平衡時，采用轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子鐵心疊片組/鼠籠式繞組的辦法中，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在高轉(zhuǎn)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(qiáng)度高的鐵心片。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(dāng)提高圓周速度時屈服點應(yīng)該盡量高。鐵損與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速時，使鐵心片變薄可以補(bǔ)償增加的損耗。還應(yīng)該考慮到疊片由于制造技術(shù)上的公差而并不總是等厚度的。進(jìn)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(zhuǎn)子鐵心疊片組和鼠籠式繞組，為了得到結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性，幾乎總是要進(jìn)行軸向壓縮，這種方法容易產(chǎn)生應(yīng)力，或使轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲。這些都會使轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)不平衡的情況。還應(yīng)該考慮到轉(zhuǎn)子鐵心疊片組的疊片的屈服點通常比轉(zhuǎn)子軸所用的材料的屈服點低而且?guī)е行目椎闹委B片組的機(jī)械應(yīng)力相對較高。由于這些原因，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的長徑比變得不利，它傾向于使轉(zhuǎn)子的彎曲臨界轉(zhuǎn)速和所得得到的最高圓周速度下降。具有轉(zhuǎn)子鐵心疊片組/鼠籠式繞組的異步電機(jī)的功率因數(shù)較高。
另一方面，具有實心轉(zhuǎn)子的電機(jī)與上述的轉(zhuǎn)子鐵心疊片組/鼠籠式繞組結(jié)構(gòu)相比可以達(dá)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(zhuǎn)子的電機(jī)設(shè)計型式中，負(fù)載條件下的功率因數(shù)通常比較低。在這種情況下轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的磁通量在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的外表面上的流量開始增加，由此產(chǎn)生的渦流使磁通量在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的外表面上聚集。結(jié)果使轉(zhuǎn)子表面層強(qiáng)烈飽和，磁通的磁動勢強(qiáng)烈增加。如上所述其結(jié)果是功率因數(shù)顯著下降。作為一般性的結(jié)論，具有實心轉(zhuǎn)子的電機(jī)的功率因數(shù)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(fā)明的一個目的是提供一種用于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，它非常有效地消除已有技術(shù)中的上述缺點。因此第一個基本目標(biāo)是得到一種比轉(zhuǎn)子鐵心疊片組/鼠籠式繞組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。另一方面，第二個基本目的是減少異步電機(jī)的損失，與相應(yīng)的具有覆蓋層的實心轉(zhuǎn)子的電機(jī)相比改善功率因數(shù)。為了達(dá)到此目標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有以下特征轉(zhuǎn)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(dǎo)率顯著低于異體結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率，上述導(dǎo)體結(jié)構(gòu)基本上與上述覆蓋層相聯(lián)。這樣，根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由把電導(dǎo)率低的鐵磁性覆蓋層放在轉(zhuǎn)子軸和導(dǎo)電體結(jié)構(gòu)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(shù)的下降。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)包括三個主要部分中央轉(zhuǎn)子軸、包圍著轉(zhuǎn)子軸的導(dǎo)磁的低損耗覆蓋層以及導(dǎo)電體結(jié)構(gòu)，該導(dǎo)電體結(jié)構(gòu)可以是一覆蓋層和(或)鼠籠式繞組結(jié)構(gòu)，其中流有產(chǎn)生異步電機(jī)扭矩的電流。
下面的描述將詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明轉(zhuǎn)子的一些優(yōu)選實施例。請參照附圖，其中

圖1表示的是具有上述轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實施例的一種異步電機(jī)，取的是垂直于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)縱軸的橫截面的視圖;
圖2表示的是根據(jù)圖1所示的異步電機(jī)，沿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的縱軸方面所取的縱截面;
圖3～8表示的是本發(fā)明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的一些實施例的橫截面。
流經(jīng)附圖所示的電機(jī)定子結(jié)構(gòu)1中的定子繞組1a的交流電流產(chǎn)生一個磁場，該磁場相對于定子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)并且橫向貫通轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)2。貫通轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁場在其旋轉(zhuǎn)過程中在轉(zhuǎn)子的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)6中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，此時在轉(zhuǎn)子的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電流，在旋轉(zhuǎn)磁場和該電流的聯(lián)合作用下就在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)2中產(chǎn)生扭矩，此時轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)開始轉(zhuǎn)動。
特別是在圖1和2所示的實施例中，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)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(cè)延伸到了定子結(jié)構(gòu)1以外，在定子結(jié)構(gòu)1兩端形成了一個容納導(dǎo)體結(jié)構(gòu)6的短路環(huán)6a的空間。雙層凹槽的第二部分5b大體上位于定子結(jié)構(gòu)的中央，在徑向上比雙層凹槽的第一部分5a深。該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)1中的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)6的中部6b構(gòu)成了一個由所謂的鼠籠式繞組結(jié)構(gòu)3a、包圍著該鼠籠式繞組結(jié)構(gòu)的表面層3b以及覆蓋層7所形成的組合體。導(dǎo)體結(jié)構(gòu)6在其中部6b構(gòu)成了一個套筒狀的結(jié)構(gòu)，它的外表面光滑、內(nèi)表面為齒狀，齒脊的縱向大致位于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子軸4上，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)6和覆蓋層7可以直接做在轉(zhuǎn)子軸4的光滑表面上，這樣部件6和7所形成的結(jié)構(gòu)從轉(zhuǎn)子軸4的外表面向外突出。這種主要與電機(jī)其他部件的結(jié)構(gòu)選擇相關(guān)的可選擇的實施例沒有詳細(xì)表示出來，因為對熟悉此領(lǐng)域的專業(yè)人員來說這是很顯然的。
圖3主要表示的是導(dǎo)體結(jié)構(gòu)6的短路結(jié)構(gòu)6a處的截面，即圖2中的A-A截面。
進(jìn)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)中部6b的兩種選擇方案。圖4中的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是一種嵌在覆蓋層7中的鼠籠式繞組，而圖5表示的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的中部6b是位于具有光滑柱狀表面的覆蓋層7外側(cè)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的兩種選擇方案。
在圖6所示的結(jié)構(gòu)選擇方案中，根據(jù)圖1的實施例被進(jìn)一步擴(kuò)展，方法是再用第二個外覆蓋層部分7b包圍住轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的外表面，它位于導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面外側(cè)，而內(nèi)覆蓋層部分7a基本上與圖1的結(jié)構(gòu)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(jìn)一步擴(kuò)展成將作為鼠籠式繞組結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體層的中部6b完全地嵌入覆蓋層7中。進(jìn)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(jié)構(gòu)(注在這種情況下的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可與圖6中的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相似)處有一組部分地沿轉(zhuǎn)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)6作用的鼠籠式繞組結(jié)構(gòu)。槽組8的結(jié)構(gòu)可以不向下延伸到導(dǎo)體結(jié)構(gòu)6，即槽組8位于覆蓋層7上。
根據(jù)本發(fā)明的異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要用在所謂的高速應(yīng)用場合，在此場合中借助于本發(fā)明的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域并不限于高圓周速度和高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速在2×104-3×105轉(zhuǎn)/分的范圍內(nèi)。
覆蓋層7是用在由鐵磁性粒狀物質(zhì)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(jié)力和(或)接合力而得到的。
作為產(chǎn)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(jié)成型法。沖擊波成型技術(shù)在D.Reinhard和J.Person著的該領(lǐng)域的基礎(chǔ)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?qū)ν繉硬僮髦杏玫念A(yù)先選定的顆粒組進(jìn)行預(yù)處理而得到。形成涂敷層的方法總體上取決于制造技術(shù)以及覆蓋層的功能要求，并且當(dāng)然還取決于顆粒的大小。在把粒狀材料放于導(dǎo)向結(jié)構(gòu)坯料和(或)相關(guān)的沖擊波成型之前先形成涂敷層。
在覆蓋層7和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lián)接表面10a和10b。
鐵磁性粒狀物質(zhì)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子軸4之間的粘結(jié)力的同時還能平衡結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)力。
鐵磁性粒狀物質(zhì)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(quán)利要求
1.異步電機(jī)中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(2)包括一個導(dǎo)電體結(jié)構(gòu)(6)，它與轉(zhuǎn)子軸(4)相聯(lián)并大體上與異步電機(jī)的定子(1)相鄰，其特征在于；在轉(zhuǎn)子軸(4)的表面上設(shè)有一層由電導(dǎo)率顯著低于導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率的鐵磁性粒狀物質(zhì)組成的覆蓋層(7)，并且導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(6)基本上與覆蓋層(7)相聯(lián)。
2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)構(gòu)，其特征在于導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
3.權(quán)利要求1或2所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，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(dǎo)體結(jié)構(gòu)(6)至少部分地放在這組槽中。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于覆蓋層(7)作為一個整體至少在導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(6)的中部(6b)包圍著上述導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(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(quán)利要求1-5任一項所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(2)主要用在所謂的高速應(yīng)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速的典型值為2×104～3×105轉(zhuǎn)/分。
7.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，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(quán)利要求7所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于上述絕緣層用氧化法形成。
9.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于覆蓋層(7)通過以下方式在轉(zhuǎn)子軸(4)上形成，即在基本上由鐵磁性粒狀物質(zhì)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(jié)力和(或)接合力。
10.如權(quán)利要求1或9所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于覆蓋層(7)由沖擊波成型法使鐵磁性粒狀物質(zhì)包在轉(zhuǎn)子軸(4)上而形成。
11.如權(quán)利要求1或9所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于覆蓋層(7)用燒結(jié)的方法使鐵磁性粒狀物質(zhì)包在轉(zhuǎn)子軸(4)上。
12.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于在覆蓋層(7)和轉(zhuǎn)子軸(2)之間插入一層屈服點最好比該覆蓋層(7)和(或)轉(zhuǎn)子軸(4)的屈服點低的中間層。
13.如權(quán)利要求8所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，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(quán)利要求1，12或13所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于覆蓋層(7)設(shè)在位于轉(zhuǎn)子軸(4)上的凹槽(5)中，而中間層(9)放在覆蓋層(7)和轉(zhuǎn)子軸(4)之間，遍及軸向和徑向延伸的聯(lián)接面(10a，10b)，上述凹槽(5)最好由兩部分組成，覆蓋層(7)和導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的中部(6b)放在凹槽(5)的中部(5b)內(nèi)，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(6)端部的短路環(huán)(6a)與凹槽(5)的端部(5a)相聯(lián)。
15.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于鐵磁性粒狀物質(zhì)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(zhì)最好由馬氏體鋼，非晶體鋼或毫微晶狀鋼制成。
16.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于覆蓋層(7)的徑向厚度大約為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)外半徑的三分之一。
17.如權(quán)利要求4或5所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于覆蓋層(7)在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)(6)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種異步電機(jī)中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(2)包括一個大致與異步電機(jī)的定子(1)相鄰且與轉(zhuǎn)子軸(4)相聯(lián)的導(dǎo)電體結(jié)構(gòu)(6)，在轉(zhuǎn)子軸(4)上，有一層由電導(dǎo)率顯著低于導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的鐵磁性粒狀物質(zhì)組成的覆蓋層(7)。導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(6)基本上與覆蓋層(7)相聯(lián)。
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(yōu)先權(quán)日1993年6月15日
發(fā)明者O·林德格倫, A·阿基奧 申請人:高速科技有限公司