CN101325354A - 电机转子 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于电机的鼠笼式转子的制造方法，和一种用于此种电机的转子。该转子包括导磁材料制成的转子叠片和导电材料制成的鼠笼。短路环的至少一个通过粉末压缩和烧结制成，并在其中嵌入固体元件。通过增加转子的潜在薄弱区域，例如轴孔的入口周围，转子槽等的强度，该固体元件从而有利于制造。

Description

电机转子

技术领域

本发明涉及一种转子和一种电机转子的制造方法。转子是鼠笼式转子，具有导磁材料构成的转子叠片和导电材料构成的部分嵌入式鼠笼。

背景技术

在通常使用的一种电机中，定子包括定子绕组或者多个绕组，其中电场建立旋转磁场。在内部，或是在位于定子外部周围的外转子的情况下，转子被旋转地连接以在磁场的作用下旋转。存在有多种原理。在同步电机中，转子被磁化，或包括一组永磁体。这种类型的电机简单而可靠，转子的旋转速度与定子绕组中的电场的旋转速度相对应。可是，在某些应用中，同步电机具有不良启动特性。在异步电机中，转子包括基本上纵向延伸的绕组，其中转子的轴向相对的端部由短路环互连。通常，异步电机的转子包括由导磁材料构成的转子芯和鼠笼，其中绕组和短路环由导电性材料(如铝)模制成整体。转子可由金属薄片层叠而成，其中每个薄片包括开口，和其他薄片相结合，形成轴向延伸经过转子的导体槽。薄片组装为叠片后，使用导体槽作为模具将构成绕组的导体条直接模制在导体槽中，短路环模制为导体条的组成部分。在应用中，由定子产生的磁场在转子绕组中感应出电流，并且由于定子绕组中的电场和转子绕组中的电场之间的转换，转子相对于定子旋转。

因为鼠笼模制在转子叠片上，所以转子冷却时会发生相对较大的尺寸改变。由于转子叠片和鼠笼是由不同材料构成的并具有不同的几何形状，因而尺寸改变不同并由此导致张力，最坏的情况会导致转子变形或者破裂。当通过烧结金属粉末制造转子时，破裂特别发生在压制粉末之后和在随后的加热粉末之前。

发明内容

本发明的一个实施例的目的在于提供一种改进的电机转子，并提供一种改进的电机转子制造方法。

在第一方面，本发明提供一种制造用于电机的鼠笼式转子的方法。该方法包括以下步骤：

——提供用于烧结的模具，

——在该模具中提供适于烧结的第一部分粉末，

——在该模具中提供固体元件，

——在该模具中提供具有轴向延伸的转子槽的转子叠片，

——用第二部分粉末填充转子槽；

——用第三部分粉末填充转子叠片上方的上部空间，以及

——烧结粉末。

鼠笼可以是适用于异步电机或直接启动电机的任何类型。相应地，模具可设置成具有某种几何形状，由此可以将粉末成型以形成两个轴向移位的安置在转子叠片的相对侧的短路环，和轴向或螺旋状地在短路环之间延伸经过转子叠片的延伸导体。相应地，第一部分粉末可形成短路环中的第一短路环的至少一部分，固体元件可形成该短路环的其他部分。在转子叠片中轴向延伸的转子槽形成空腔，其中填充第二部分粉末从而形成转子导体。第三部分粉末形成其他短路环的至少一部分。

粉末的烧结一般意味粉末压缩为固体，但压缩的微粒制成的主体不是很坚固。微粒随后通过加热而粘结得更为坚固。在这些过程中，固体元件加固了转子，或特别是由压缩粉末构成的转子的那部分，固体元件因此提供了一种更方便的转子处理方法，特别是直到加热压缩粉末体为止。

粉末可以是一般用于烧结的类型，具有与铝或其合金相当的导电特性。例如，粉末可包括Al，Cu和其他导电金属和其组合物。

该方法可包括在所述步骤之间的任何时间的粉末压缩。例如，可在若干个分离地压缩的更小部分中提供第一部分。相应地，可在若干个分离地压缩的更小部分中提供第二部分。这种情况下，可以采用进入转子槽并在其中压缩粉末的细长棒来实施压缩。相应地，可在许多可被分离地压缩的更小部分中提供第三部分。但是，填充和压缩的所有步骤，以及任意的烧结均可方便地在一个单独的模具中实施，该模具具有下部部分，其形成用于粉末、转子叠片和固体元件的空腔，还具有上部部分，其相对于下部部分可活动并且可进入所述空腔以压缩其中的粉末。

第一、第二和第三部分粉末可包含相同的粉末，或者他们可包含不同配方的粉末。例如，第二部分粉末的粉末可比第一和第三部分粉末的粉末更好地导电，或者第二部分的粉末可更特别地适用于实现压缩和加固，由此便于形成转子槽的细长或者细薄形状。

转子可适用于装载在定子中绕中心轴旋转。下文中，中心轴表示转子适于相对于定子旋转所绕的轴线。为此，转子包括轴向延伸经过转子叠片的轴孔。驱动轴可连接在轴孔中以相对定子旋转地带动转子。转子叠片由导磁性金属的薄片构成，其堆叠以形成叠片芯。每个薄片均具有开口，所述开口与其他薄片的开口结合，形成轴孔和轴向延伸的槽。当转子叠片置于模具中，且所述槽被填充了第二部分粉末时，使用导体槽作为模具将构成转子绕组的导电棒直接成形在导体槽内。第一部分粉末可在模具的下部部分和转子叠片的一个轴向端面之间被压缩，第三部分粉末在转子叠片的相对轴向端面和模具的上部部分之间被压缩。

模具可以包括下部成形部分和上部成形部分。成形部分的至少一个可形成空腔，在其中布置粉末和固体元件。在一个实施例中，下部成形部分形成空腔，该空腔形成与转子叠片的形状相匹配的形状，由此下部成形部分靠着两个轴向端面之一形成部分密封，以方便在其中压缩粉末来直接在该端面和下部成形部分之间形成一个轴向短路环。为此，空腔可成形为环状并且定尺寸为与轴孔的圆周相当。在相似的方式中，另一个成形部分可成形且定尺寸为与转子叠片的相对端面相匹配。

模具优选形成绕转子叠片延伸的侧壁，由此支撑转子叠片并防止在转子叠片每侧的粉末压缩期间压扁转子叠片。相应地，模具可包括芯部分，其定尺寸并配置为在转子叠片的轴孔内延伸，以此来支撑转子叠片的该部分。

模具还可以包括多个压力销，所述压力销被设置并定尺寸为压入转子槽中以用于第二部分粉末的压缩。为了方便用粉末填充转子槽，压力销可移出模具空腔为粉末留出空间。为了便于在填充转子槽期间重复地压缩第二部分粉末，压力销可相对于下部或上部成形部分处于不同的位置，由此使它们可以延伸入模具空腔内不同的长度。压力销可以是部分螺旋状，模具可包括心轴进给或螺纹装置，用于在压力销绕中心轴线的旋转运动期间将压力销传送到转子槽内。

提供固体元件主要是为了方便粉末在模具中的压缩。当在模具部分和转子叠片的轴向端面之间压缩粉末时，可能难以获得所需的压缩粉末体的公差和强度，特别是位于或邻近转子槽和轴孔入口处的公差和强度。

为了允许转子轴延伸经过固体元件，固体元件可以为环形元件，其形成可与转子叠片中的轴孔对准的开口。特别地，固体元件可具有尺寸等于或小于轴孔的圆孔。这样，固体元件可将粉末从轴孔边缘分离以防粉末进入轴孔。

固体元件可直接与转子叠片的端面之一相对并相接触布置。该元件可通过部分地嵌入压缩(随后烧结)粉末体中而被固定。该元件可与端面的第一区域接触，并且粉末体可与端面的第二区域接触和粘附，粉末体从该第二区域至少部分地围绕该元件延伸并由此在转子叠片和粉末体之间固定该元件。

固体元件可由压缩为固体形状的粉末制成，并且任选地，粉末可在固体元件置入模具之前被烧结。固体元件也可由与转子其他部分的烧结同时烧结的压缩粉末制成。或者，固体元件是由更传统的方法提供的元件，诸如由薄片金属或由传统的制模技术切割或压制而成。

该模具可包括导向销，可用来对转子叠片和固体元件中的至少一个定位。导向销可包括具有第一直径的第一段和具有第二直径的第二段，其中第一直径配合轴孔，第二直径配合固体元件的圆孔。

粉末可被烧结，即加热到一定温度，其中在所述任意步骤之间，例如，当第一，第二或第三部分粉末中的每个被填充入模具时，微粒被烧结结合。或者，在所有三个部分已经填充进模具时烧结粉末。在一个实施例中，压缩粉末以形成包含压缩粉末、转子叠片和固体元件的粘合体。该粘合体从模具上移除并加热到压缩粉末烧结的温度。

在本发明的一个实施例中，在转子叠片置入模具后，将附加的固体元件放入模具。该附加元件可为环状，且具有与转子叠片的形状相匹配的几何形状，以防止第三部分粉末的粉末和轴孔的上部边缘相接触，并防止第三部分粉末的粉末进入轴孔。在一个实施例中，该附加元件为实心体，即不具有中心开口。这样制造出转子，其具有一端封闭的轴孔。

在固体元件的任一个中提供的任何孔均可被可穿透的封闭装置所覆盖，进一步防止粉末进入轴孔。例如，这些孔可被箔片材料覆盖，箔片材料在转轴连接在轴孔中时容易断裂开。

在第二方面，本发明提供一种用于电机的鼠笼式转子，该转子包括普通导磁材料制成的转子叠片和普通导电材料制成的鼠笼，鼠笼形成延伸经过转子叠片并在转子叠片的轴向相对侧的短路环处终止的细长导体，短路环的至少一个具有位于转子叠片和第二元件之间的第一元件，第二元件烧结在第一元件和转子叠片的至少一个上。

导磁的转子叠片以及导电的鼠笼意味着转子叠片包括导磁材料以及鼠笼包括导电材料。非导磁或导电材料也可分别被用于转子叠片和鼠笼。然而，一般地，主要部分由导电或导磁材料制成。第二元件可烧结在转子叠片的端面上，并且可充分压缩第一元件以相对于转子叠片固定第一元件。第二元件也可烧结在第一元件和转子叠片的端面之上。

导体可平行于电机中转子旋转所绕的中心轴线延伸。

转子叠片可定尺寸，使得能够承受烧结期间施加于转子上的压力，并且其可由高合金制成，例如一种没有退火或至少没有完全退火处理的合金，如一种硅含量在0.5％以上的合金，例如在0.5％到2％之间。

第二元件可包含边缘部分，其在圆周上包围第一元件并且烧结在转子叠片之上，第一元件可至少部分地嵌入第二元件。

第一元件可为具有中心开口的环形，以允许转轴延伸经过该元件并进入转子叠片。例如中心开口的横截面面积最多等于轴孔的横截面面积，并优选地为圆形中心开口。

第一元件和第二元件中的至少一个可由含有铝的材料制成，并且第一元件和第二元件中的至少一个可由含有铜的材料制成。在一个实施例中，第一和第二元件由同一种材料制成。

第二元件可由被压缩和烧结的粉末制成。同样地，导体可由在第一元件上被压缩和烧结的粉末制成。

为了改善第一元件和第二元件之间的粘结，这些元件可在不规则的界面区域中结合，即，不直的区域，例如，阶梯状、凹口状或锯齿状的区域，其与笔直平滑的界面相比提供两个元件的增加的面积。

第一元件可直接相对转子叠片的端面定位，第二元件可形成转子的轴向端面。

导电材料可与导磁材料隔离。这可通过例如提供由既不导磁又不导电的材料制成的第一元件来实现。例如，第一元件可由非金属材料制成，如塑料材料。同样的，转子叠片可在其表面增加氧化铁涂层以将导电材料和导磁材料隔离。

附图说明

下文将结合附图更详细地描述本发明的优选实施例，其中：

图1示出了根据本发明的转子的横截面视图，

图2示出了根据本发明的转子的鼠笼的透视图，

图3示出了从上部所看的转子叠片(rotor stack)视图，

图4示出了具有环形元件的转子的一个实施例，

图5-8示出了鼠笼式转子的不同视图和元件，

图9-11示出了制造转子的顺序，

图12-14示出了制造短路环中的一个的顺序，

图15示出了烧结体和固体元件之间的不规则界面区域，以及

图16-19示出了根据本发明的转子的四个不同实施例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的转子。转子1包括导磁材料制成的转子叠片2和导电材料制成的鼠笼3。鼠笼形成细长导体4，其延伸经过转子叠片2并终止于位于转子叠片2的轴向相对侧的短路环5，6。短路环5，6中的一个包括第一元件7和第二元件8。第一元件7在第二元件8和转子叠片2之间直接毗邻转子叠片2的端面10定位。第二元件8包括外围部分9，其包围第一元件7，并且细长导体由外围部分9延伸进入转子叠片2。第二元件8由此将第一元件7固定在转子叠片2上。

图2示出了鼠笼3，即除去转子叠片的转子。在该视图中，更清晰地看到短路环中的一个短路环6由两个元件构成。第一元件7为嵌入第二元件8的固体元件。第二元件8由压缩进模具的粉末烧结而成。相对的短路环5完全由压缩入模具的烧结粉末制成。为驱动轴提供中心孔11，通过该驱动轴转子可相对定子旋转。中心孔的尺寸被第一元件7缩小。导体4由压缩和烧结的粉末制成，并且延伸入它们烧结成的短路环。

图3示出了从上部所看的转子叠片。在该视图中，中心孔11和转子槽12清晰可见。转子槽12容纳细长导体(在图1和2中以标记4示出)，它们周向地围绕中心孔11设置并与中心孔11保持大体相同的距离。中心孔作为驱动轴的轴孔。

图4示出了转子的一个实施例，其中第一元件7为具有中心开口14的环形元件，中心开口14与转子叠片的中心孔11同轴地对准，并由此允许转子轴延伸经过转子，或允许油、冷却剂或类似流体沿转子轴抽吸进入中心孔和经中心开口抽出。以类似的方式，转子的轴向相对端的短路环包括中心开口15，该中心开口15也与中心孔11对准。第一元件固定在转子叠片2和第二元件8之间，其中第二元件烧结在转子叠片2的端面的外周部分上。

鼠笼可烧结而成，转子叠片可由多个导磁材料的互锁板制成具有中心孔和多个转子槽。

鼠笼式转子包括多个在图5-8中示出的部件。图5-6示出了嵌入烧结体17的固体元件16，和烧结进入烧结体17和19的导体18。在图5中，示出固体元件16与烧结体17分离。但是，这仅仅是为了描述的目的，因为烧结体17直接形成在固体元件16上，它实际上仅仅与固体元件16一体存在。也通过除去转子叠片来图示出鼠笼。此外，仅仅为了描述的目的，导体18和形成短路环的烧结体17，19直接形成在转子叠片之上和之内。开口20和21由模具中的突起形成，其中粉末在该模具中压缩，而开口22在将固体元件置于模具中之前形成于固体元件16中。为了便于制造，模具可包括导向销，该导向销与开口22接合并将固体元件相对于模具保持在固定位置。模具还可包括另一导向销，其在转子叠片中与轴孔或中心开口接合，并将转子叠片相对于模具保持在固定位置，由此转子叠片相对于固体元件16保持在固定位置。

图7示出了包括转子叠片23的完整转子，为了便于描述，移去了一部分。导体18沿转子叠片内的槽延伸，转子叠片形成可作为轴孔的中心开口24。

图8示出了组装后的转子。烧结体17，19和转子叠片23形成转子的外表面，同时固体元件16完全嵌入其中。

图9-11示出了具有中心开口的转子的制造顺序，其中中心开口具有小于中心孔的横截面积。图9示出了两个预先制成的元件，即转子叠片31和第一元件32。图10中，转子叠片31在模具中(未示出)置于第一元件32上。图11中，烧结体33直接形成在转子叠片31之上，并且形成在转子叠片31的一端，还通过烧结直接形成在第一元件32之上。该烧结体沿转子叠片31内的槽延伸，由此形成一个完整体。转子的鼠笼由烧结体33和第一元件32结合形成。

图12-14示出了制造短路环之一的顺序。第一步中，参见图12，初始芯34靠近转子叠片36的上表面35来封闭中心孔37。随后，上部空间由粉末38填充，通过使用压缩活塞39、40来将粉末38压缩到转子叠片36上。在随后的步骤中，参见图13，初始芯34由另一个芯41代替(模具的其他部分未示出)。芯41包括突起42，形成突起42以进入第一元件43的中心开口并由此起到形成模具一部分的导向销的功能。第一元件43可以，例如，在芯42向前置于转子叠片36上之前，附接于芯42。这样，利用芯42来将第一元件43相对于转子叠片36正确定位。在随后的步骤中，参见图14，压缩活塞再次压缩粉末38，同时芯41保持第一元件43相对转子叠片36的位置不变。

图15示出了一个实施例，其中第一元件44朝向烧结体45具有不规则的界面区域。由于台阶46，烧结体45将第一元件44的位置锁定在转子叠片48的表面47之上。

由于固体第一元件在模具中的布置先于烧结过程，可以制造各种形状的短路环。图16-19示出了根据本发明的转子的四种不同实施例。在图16中，短路环中的一个具有一个大于中心孔50的中心开口49，在另一短路环中，中心开口51小于中心孔50。在图17中，两个短路环均具有与中心孔53相同尺寸的中心开口52。在图18中，短路环中的一个具有与中心孔55相同的中心开口54，另一短路环具有小于中心孔55的中心开口56。在图19中，短路环中的一个具有与中心孔58相同的中心开口57，另一短路环59根本不具有中心开口。

可以理解，本发明不限于具体实施例公开的细节，此外，关于一个实施例公开的特征可与公开的实施例的其他特征相结合。

Claims (23)

1、一种制造用于电机的鼠笼式转子(1)的方法，该方法包括以下步骤：

——提供用于烧结的模具，

——在该模具中提供适于烧结的第一部分粉末，

——在该模具中提供固体元件(7)，

——在该模具中提供具有沿轴向延伸的转子槽(12)的转子叠片(2)，

——用粉末填充转子槽，

——用粉末填充转子叠片上方的上部空间，以及

——烧结粉末以在转子叠片(2)的轴向相对侧提供短路环(5，6)。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述固体元件(7)为预先形成的环形元件。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：通过使用成形为模具一部分的导向销(42)来使所述固体元件(7)相对于所述转子叠片定位。

4、根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于：进一步包括在步骤中的至少两个步骤之间压缩粉末的步骤。

5、根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于：进一步包括在步骤中的至少两个步骤之间烧结粉末的步骤。

6、根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于：进一步包括在用粉末填充所述上部空间之前在所述上部空间中提供固体元件的步骤。

7、根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述固体元件(7)的至少一个通过粉末的压缩预先形成。

8、一种用于电机的鼠笼式转子(1)，该转子包括导磁材料制成的转子叠片(2)和导电材料制成的鼠笼，所述鼠笼形成延伸经过所述转子叠片(2)并在所述转子叠片的轴向相对侧的短路环(5，6)处终止的细长导体(4)，所述短路环的至少一个具有位于所述转子叠片和第二元件(8)之间的第一元件(7)，所述第二元件(8)烧结在所述第一元件(7)和所述转子叠片(2)的至少一个上。

9、根据权利要求8所述的转子，其特征在于：所述第二元件(8)包括边缘部分，所述边缘部分周向地包围所述第一元件并且烧结在所述转子叠片(2)上。

10、根据权利要求8或9所述的转子，其特征在于：所述第一元件(7)嵌入所述第二元件(8)中。

11、根据权利要求8-10中任一项所述的转子，其特征在于：所述第一元件(7)为环状并具有中心开口(14)。

12、根据权利要求11所述的转子，其特征在于：所述转子叠片(2)具有用于转子轴的中心孔(11)，所述中心孔(11)与所述中心开口(14)同轴。

13、根据权利要求12所述的转子，其特征在于：所述中心开口(14)的横截面面积最多等于所述中心孔(11)的横截面面积。

14、根据权利要求11-13中任一项所述的转子，其特征在于：所述中心开口(14)为圆形。

15、根据权利要求8-14中任一项所述的转子，其特征在于：所述第一元件(7)和所述第二元件(8)的至少一个由含铝的材料制成。

16、根据权利要求8-15中任一项所述的转子，其特征在于：所述第一元件(7)和所述第二元件(8)的至少一个由含铜的材料制成。

17、根据权利要求8-16中任一项所述的转子，其特征在于：所述第一和第二元件(7，8)由相同的材料制成。

18、根据权利要求8-17中任一项所述的转子，其特征在于：所述导体(4)和所述第二元件(8)通过烧结形成一体部分。

19、根据权利要求8-17中任一项所述的转子，其特征在于：所述导体(4)烧结在所述第一元件(7)上。

20、根据权利要求8-19中任一项所述的转子，其特征在于：所述第一元件(7)与所述第二元件(8)在不规则的界面区域中结合。

21、根据权利要求8-20中任一项所述的转子，其特征在于：所述第二元件(8)形成所述转子(1)的轴向端面。

22、根据权利要求8-21中任一项所述的转子，其特征在于：所述导电材料与所述导磁材料相隔离。

23、根据权利要求22所述的转子，其特征在于：所述转子叠片(2)被涂敷以在其表面增加氧化铁层，从而将所述导电材料和所述导磁材料隔离。

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