CN102318169A - 鼠笼式转子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于一异步电机的鼠笼式转子。为了提高由两种材料制成的鼠笼式转子的电效率，所述鼠笼式转子包括一包含多个槽(3)的转子叠片铁芯(1)、多个浇铸在所述转子叠片铁芯(1)的端面上且由第一材料制成的短路环(5)和多个布置在所述槽内且由第二材料制成的导体(4)，所述第二材料的电导率大于所述第一材料的电导率，其中，所述导体(4)在其表面具有一由涂层材料制成的涂层(8)，所述涂层通过由所述第二材料和所述涂层材料制成的第一合金层(2)与所述导体(4)的第二材料邻接，以及通过由所述第一材料和所述涂层材料制成的第二合金层(9)与所述浇铸第一材料邻接。
Description
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的异步电机用鼠笼式转子。本发明还涉及一种具有权利要求9前序部分所述特征的鼠笼式转子制造方法。
背景技术
DE 43 08 683 A1公开过这种类型的鼠笼式转子。该转子包括带槽的叠片铁芯，先在槽内插入铜质短路条。再用短路环将这些铜条的端面连接起来。这些短路环是通过压铸工艺用铝制成。铸造短路环的时候，槽内插入铜条后产生的剩余截面被铝填充，从而将短路环与形成在剩余截面区域内的压铸条件相连接。
铜的电导率远大于铝，因此与鼠笼式转子完全由压铸铝材制成的异步电机相比，用上述方法制成的异步电机效率可以得到极大改善。
工作过程中，异步电机和鼠笼式转子都会经历与电机内部电损耗相关的热循环。这会导致转子发生热膨胀，而由于铝和铜的热膨胀系数不同，使得上述类型的鼠笼式转子发生不均匀的热膨胀。在此情况下，铜条有可能从短路环的压铸铝材中脱落，从而削弱短路环和转子条之间的导电性。
使用压铸铜转子也能实现与上述借助铝压铸工艺制成的鼠笼式转子相似的效率。压铸铜转子全部由铜制成，因而不会产生上述热膨胀系数差异方面的问题。但是，铜压铸工艺十分复杂，对压铸模具有较高要求，因为压铸时需要将铜加热至1000℃以上。而铝压铸工艺所需的温度就比这低许多。另外，全铜鼠笼式转子相对更重，因而起动速度比DE 43 08 683 A1所揭示的具有铝质短路环的鼠笼式转子慢。
发明内容
本发明的目的是提高采用压铸工艺以两种材料制成的鼠笼式转子的电效率。
本发明用以达成上述目的的解决方案为一种用于一异步电机的鼠笼式转子，所述鼠笼式转子包括：
一包含多个槽的转子叠片铁芯，
多个由第一材料制成的短路环，所述短路环浇铸在所述转子叠片铁芯的端面上，以及
多个布置在所述槽内且由第二材料制成的导体，所述第二材料的电导率大于所述第一材料的电导率，
其中，所述导体在其表面具有由涂层材料制成的涂层，所述涂层通过由所述第二材料和所述涂层材料制成的第一合金层与所述导体的第二材料邻接，以及通过由所述第一材料和所述涂层材料制成的第二合金层与所述浇铸第一材料邻接。
本发明用以达成上述目的的另一解决方案为一种制造一用于一异步电机的鼠笼式转子的方法，所述方法包括下列处理步骤：
将多个由一第二材料制成的导体插入一转子叠片铁芯的多个槽内，以及
将多个由一第一材料制成的短路环浇铸在所述转子叠片铁芯的端面上，所述第一材料的电导率小于所述第二材料的电导率，
其中，在所述导体的表面涂覆一由一涂层材料制成的涂层，使得所述导体的第二材料和所述涂层之间产生一由所述第二材料和所述涂层材料制成的第一合金层，其中所述涂层材料通过以下方式构成：所述涂层和所述浇铸第一材料之间在所述铸造过程中产生一由所述第一材料和所述涂层材料制成的第二合金层。
本发明基于以下认识：通过使所述第一和第二材料在合适的位置上形成固溶结合(solid-solution bond)，可以大幅改善所述导体和所述短路环之间的结合。短路条在转子叠片铁芯的两端部区域内突出于转子叠片铁芯之外并伸入浇铸短路环内。本发明用以提高导体末端与短路环之间的结合力的方法是对导体进行涂层处理，使得涂层与导体之间以及涂层与短路环的浇铸第一材料之间都产生合金(即固溶结合)。
从属权利要求为本发明的有利设计方案。
根据本发明的一种有利设计方案，通过一压铸方法用所述第一材料充填装有所述导体的槽，其中，通过所述压铸方法制造所述短路环。借此将短路条牢固地固定在槽中。如果所述短路条布置在径向内侧的槽底，熔液在槽内硬化后就会形成起动条，这些起动条的电导率小于短路条，因而有助于改善异步电机的起动性能。
所述鼠笼式转子在工作过程中发热时会达到大约150℃的温度。这会导致用所述第一材料填充的槽区域发生强烈的热膨胀，当所述第一材料为铝时，情形尤甚。在此情况下，导体和短路环有可能会相互分离，从而使短路环和导体之间的过渡区域内的电导率受到不良影响。实施所述压铸方法时，出于密封目的对转子叠片铁芯进行了轴向压紧处理，而当导体和浇铸短路环之间的连接无法施加足够大的保持力时，转子叠片铁芯就有可能再度沿轴向膨胀。
经过涂层处理后，所述导体以有可能达到的最大结合力与压铸件相连接。因此尽管所述第一和第二材料具有不同的热膨胀系数，但是导体与短路环之间的连接即使在鼠笼式转子在工作过程中经历明显热循环的情况下也能保持稳定。在转速较大的情况下，作用在转子上的离心力也会部分地在导体/短路环中引起很大的应力。此外，所述合金可以优化第一和第二材料之间的导电性。
根据本发明一种特别有利的设计方案，通过电化学沉积产生所述涂层和所述第一合金层。其中，先通过电化学方法在导体上沉积一层所述涂层材料。在此过程中，导体的第二材料与涂层材料之间形成符合要求的固溶结合。而后特定而言通过压铸工艺施加第一材料时，导体上的涂层熔化并与压熔熔液(pressure melt)形成固溶结合，从而产生所述第二合金层。
除电化学淀积以外，也可以采用其他同样可在第一材料与涂层以及第二材料与涂层之间形成所需固溶结合的涂层方法。根据本发明一种有利的实施方式，通过热喷涂法尤其是火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂或激光喷涂产生所述涂层和所述第一合金层。
根据本发明的一种替代实施方式，通过冷喷涂法产生所述涂层和所述第一合金层。
根据本发明另一替代方案，通过汽相淀积产生所述涂层和所述第一合金层。
根据本发明另一有利设计方案，实施包括电化学淀积在内的上述方法时，涂层之前通过对所述导体进行化学预处理来移除所述导体上的氧化层。氧化层具有电绝缘特性，因此，移除氧化层可以显著减小第一和第二材料之间的过渡电阻(transition conductivity)。
根据本发明一种特别有利的设计方案，所述第一材料是铝，所述第二材料是铜。由此而产生的混合式鼠笼式转子，因其导体是由铜制成的而具有很高的电效率，而其短路环是由相对较轻的铝制成，因而质量和惯性矩都小于压铸铜转子，制造方法也比压铸铜转子简单得多。整体而言，这样一种混合型转子的效率比全部用铜制成的压铸铜转子高。制造这种鼠笼式转子时，首先需要在转子叠片铁芯的槽内插入铜导体。接着，优选通过铝压铸工艺对槽内未被铜导体占据的区域进行充填。与此同时，优选通过压铸方法用铝制造短路环。
根据本发明的另一有利实施方式，所述涂层材料为所述第一材料。就该实施方式举例，如果涉及的是一包含铜条和铝质短路环的混合型转子，就在铜导体的表面涂覆一较薄铝层。这一点例如可以通过电化学淀积来完成。在这个涂层处理过程中，铝涂层和铜导体之间将产生一合金。随后将压铸铝材喷入槽，同时浇铸短路环。在此过程中，导体表面的铝涂层熔化并与铝熔液形成一固溶结合。最终产生所述第二合金层。特别是在铜条突出于转子叠片铁芯之外同时又伸入短路环的末端区域内，所述两种材料之间将形成特别稳定的连接，从而使转子相对于热循环和离心力的强度得到提高。这种方案可以在铝质短路环和铜条之间形成近乎完美的电连接与机械连接。
实施所述铸造方法时，涂层导体和熔液之间会发生强烈的化学反应。根据本发明的有利设计方案，为了避免所述第一材料的熔液与所述导体接触时从导体上去除过多材料，可以只在所述导体突出于所述转子叠片铁芯之外同时又伸入所述短路环的末端区域设置所述涂层和所述合金层。所述末端区域制成导体与短路环之间的关键连接点。相应地，此处是否存在强度较大的晶体化合物也十分重要。另外对于每个导体的这一末端区域而言，最重要的还是两种材料之间的过渡导电性，因为电流就是在此处从导体传导到短路环上的。而对于压铸转子而言，在槽的内部区域与导体形成强度较大的晶体化合物的必要性就没那么大，因为在该区域内，第一和第二材料之间并不传导电流。
特定而言在所述涂层通过电化学淀积而产生的情况下，本发明的一种较为简单的实施方式是：所述涂层和所述合金层将所述导体完全包围。
根据本发明另一有利设计方案，所述导体在所述槽内部朝向所述压铸第一材料的一区域不具有涂层。借此防止导体朝向熔液的区域发生材料去除情况。作为不设涂层这一方案的替代方案，也可在所述区域设一抗熔涂层。举例而言，可以先对整个导体进行电化学淀积处理，借此为其涂覆能够形成所需合金层的涂层材料。接着可以只为导体在所述槽内部朝向所述压铸第一材料的表面涂覆相应的抗熔钝化层。
根据本发明另一有利设计方案，所述导体在两个末端各具有一个突出于所述转子叠片铁芯之外同时又伸入所述短路环的末端区域，该末端区域包含多个用以在所述导体和所述浇铸短路环之间建立互锁的互锁装置，借此可进一步加固导体与短路环之间的连接。借助于导体末端区域内的这些互锁装置，导体与短路环之间的连接将得到进一步加固。末端突出在外的导体通过所述互锁装置与短路环轴向固定。在此情况下，导体所受到的拉力或压力将与具体温度及导体和短路环的具体热膨胀系数相对应。其中，所述鼠笼式转子应采用使上述负荷总是处于弹性范围的设计。通过使用互锁装置可以防止导体在短路环内位移或者从短路环中脱落，从而避免两种材料之间的接合点发生断裂。举例而言，可以在导体末端区域内设置通孔作为所述互锁装置，并在铸造过程中用熔液充填这些通孔。作为通孔的替代方案，所述互锁装置也可以是所述末端区域内的凹陷结构、导体在其末端区域内的锥形结构、切口、末端区域的滚花、导体在其末端区域内的扭曲结构或者导体在其末端区域内的开裂结构。
在本发明鼠笼式转子任一种上述实施方式的基础上，可以很方便地借助相应的定子实现一异步电机，该异步电机即使在受到热负荷以及转速较高的情况下，也总是能保持较高的电效率，而且非常耐用。
附图说明
下文将借助附图所示的实施例对本发明进行详细说明，其中：
图1为一异步电机采用混合结构的鼠笼式转子的一种实施方式；
图2为所述鼠笼式转子的剖面图；
图3为沿涂层导体和压铸第一材料之间的分界面所截取的剖面图；
图4为所述采用混合结构的鼠笼式转子的另一实施方式的剖面图，该鼠笼式转子的导体在短路环区域内具有互锁装置；
图5为装有导体的槽的剖面图，所述导体具有无涂层表面；以及
图6为一包含有采用某种实施方式的所述鼠笼式转子的异步电机。
具体实施方式
图1为一异步电机采用混合结构的鼠笼式转子的一种实施方式。图中示出该异步电机的转子叠片铁芯1，其热压套装在轴体11上。制造这种鼠笼式转子时，首先需要将优选由铜制成的导体4插入转子叠片铁芯1的槽3内。如图所示，导体4的截面小于槽3的截面。因此，将导体4(铜条形式)插入后，槽3内还会留有剩余截面。
制造鼠笼式转子的下一步骤是采用压铸工艺。用这种工艺制造端面与铜条接触的短路环，同时用熔液充填槽3中的残留空间。铝熔液硬化后，槽内部的剩余截面区域内就会形成铝条件6，这些铝条件将铜条固定在其位置上且与铜条直接邻接。这些铝条件6的电导率小于铜导体的电导率，因而优选也可用作所述异步电机的起动条。尤其是当铝条件6不同于附图所示布置在所述槽的径向外侧区域时，其可对所述异步电机的转矩曲线产生有益影响。
通过采用混合结构，亦即，通过结合使用铜质导体4和铝质短路环，可以制造出电效率特佳的鼠笼式转子。其原因一方面在于铜的良好导电性能，另一方面在于铝制短路环的重量相对较轻，相应地，这会使得惯性质量相对较小。
图2为所述鼠笼式转子的剖面图，除转子叠片铁芯1外，从中还能看到插在槽3内且被铝熔液包围的导体4。这些导体4的端部伸入由压铸铝制成的短路环5内。鼠笼式转子在电机工作期间所经历的热机械循环有可能导致导体4从短路环5中脱落，尤其是端部区域内。其原因主要在于所用材料铜和铝的热膨胀系数存在差异。因此对于这种混合型转子而言，非常重要的一点就是确保铜和铝这两种材料之间存在稳定连接，特别是短路环5区域内。
图3为沿涂层导体4和铝条件6的压铸第一材料之间的分界面所截取的剖面图。实施压铸处理之前按本发明对导体4进行涂层，就会形成这样一个分界面。这里也做如下假定：第一材料是铝，制成导体4的第二材料是铜。举例而言，通过电化学淀积处理为所述铜导体涂覆涂层8。在此之前对导体4进行化学处理，以便移除导体表面有损于电导率的氧化铜层。而后将导体4浸入电镀槽，为导体涂覆合适的涂层材料。举例而言，该涂层材料可以是所述第一材料，即铝。经过这一涂层处理后，涂层8和导体4的铜之间将产生一过渡区，下文将这个过渡区称为第一合金层2。第一合金层2内部存在一固溶结构，该固溶结构可以确保涂层8与导体4的铜之间的连接极其牢固。
接下来是对经过上述涂层处理且已插入转子叠片铁芯1的槽3内的导体4进行铝压铸处理。熔液一接触导体4，其热量就会将表面的一部分涂层区8熔化。由此形成第二合金层9，该合金层中产生由所述涂层材料和压铸铝制成的固溶相。该固溶相最终可以使铝条件6极其牢固地附着于涂层区8。借此防止压铸铝材在鼠笼式转子经历热循环的过程中或者在转速极高的情况下与导体4分离。
图4为所述采用混合结构的鼠笼式转子的另一实施方式的剖面图，该鼠笼式转子的导体4在短路环5区域内具有互锁装置(interlock means)7，导体4的互锁装置7实施为通孔。一旦对装有导体4的转子叠片铁芯实施铝压铸处理，铝熔液就会灌入互锁装置7。由此产生的互锁连接将进一步确保导体4在热循环过程中在短路环5区域内保持连接状态。亦即，所述互锁装置7还能支持本发明涂层的作用，以防导体端部从压铸短路环5中脱落。
图5为带有导体4的槽3的剖面图，所述导体具有无涂层表面12。本图所示的鼠笼式转子是一混合型转子，其铝条件6具有起动条功能。先在槽3内插入导体4，这些导体直接与位于径向内侧的槽底抵接。实施铝压铸处理时用铝熔液充填剩余截面区域的空间，其中，所述剩余截面位于径向外侧区域。通过这种方式，一方面确保导体4只有一面与压铸铝材接触。另一方面，铝条件6位于径向外侧，在所述鼠笼式转子以铜条为导体4的情况下，由于铝的电导率相对较小，这能改善起动性能。此外，导体4被外侧的起动条压紧在槽底，借此可将导体4很好地固定在转子叠片铁芯内。
涂层导体4在压铸过程中会遇到程度不可忽略的材料去除情况，具体程度视所用的涂层材料而定。为了避免这种情况，导体4朝向铝条件6的一面实施为无涂层。在此情况下，导体4插在槽3内的区域将不会有材料被去除。只有导体4突出于转子叠片铁芯之外的端部区域经完整的涂层处理，以便在该区域内与短路环建立牢固程度符合要求的连接。所述槽区域内则不需要再在导体4和铝条件6之间形成固溶结合。
图6为一包含有采用上述任一种实施方式的鼠笼式转子的异步电机10。这种异步电机电效率高，与具有压铸铜转子的异步电机相比，制造方法简单得多，成本也低得多。此外，所示异步电机10的动力性能也比具有压铸铜转子的异步电机好，因为所示异步电机的混合型转子的惯性矩相对而言小了很多。
Claims (22)
1.一种用于一异步电机的鼠笼式转子，所述鼠笼式转子包括：
一包含多个槽(3)的转子叠片铁芯(1)，
多个浇铸在所述转子叠片铁芯(1)的端面上且由第一材料制成的短路环(5)，以及
多个布置在所述槽内且由第二材料制成的导体(4)，所述第二材料的电导率大于所述第一材料的电导率，
其特征在于，
所述导体(4)在其表面具有一由涂层材料制成的涂层(8)，所述涂层通过一由所述第二材料和所述涂层材料制成的第一合金层(2)与所述导体(4)的第二材料邻接，以及通过一由所述第一材料和所述涂层材料制成的第二合金层(9)与所述浇铸第一材料邻接。
2.根据权利要求1所述的鼠笼式转子，其中，通过压铸方法用所述第一材料充填装有所述导体(4)的槽(3)，其中，通过所述压铸方法制造所述短路环。
3.根据权利要求1或2所述的鼠笼式转子，其中，所述第一材料是铝，所述第二材料是铜。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的鼠笼式转子，其中，所述涂层材料为所述第一材料。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的鼠笼式转子，其中，仅所述导体(4)突出于所述转子叠片铁芯(1)之外并伸入所述短路环(5)的末端区域设有所述涂层(8)和所述合金层(2，9)。
6.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的鼠笼式转子，其中，所述涂层(8)和所述合金层(2，9)完全包围所述导体(4)。
7.根据权利要求2以及权利要求3或4中任一项权利要求所述的鼠笼式转子，其中，所述导体(4)在所述槽内部朝向所述压铸第一材料的区域不具有涂层(8)。
8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的鼠笼式转子，其中，所述导体(4)在每一端都设有一突出于所述转子叠片铁芯之外并伸入所述短路环(5)的末端区域，且所述末端区域包含多个用以在所述导体(4)和所述浇铸短路环(5)之间建立互锁的互锁装置(7)。
9.一种异步电机(10)，包括一定子和一如上述权利要求中任一项权利要求所述的鼠笼式转子，所述定子包括一定子绕组。
10.一种制造一用于一异步电机的鼠笼式转子的方法，所述方法包括下列处理步骤：
将多个由第二材料制成的导体(4)插入一转子叠片铁芯(1)的多个槽(3)内，以及
将多个由第一材料制成的短路环(5)浇铸到所述转子叠片铁芯的端面上，所述第一材料的电导率小于所述第二材料的电导率，
其特征在于，
在所述导体(4)的表面涂覆一由涂层材料制成的涂层(8)，使得所述导体(8)的第二材料和所述涂层(8)之间产生一由所述第二材料和所述涂层材料制成的第一合金层(2)，其中，所述涂层材料设置成，所述涂层(8)和所述浇铸第一材料之间在所述铸造过程中产生由所述第一材料和所述涂层材料制成的第二合金层(9)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，通过一压铸方法用所述第一材料充填装有所述导体(4)的槽(3)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，采用铝作为所述第一材料，采用铜作为所述第二材料。
13.根据权利要求10至12中任一项权利要求所述的方法，其中，采用所述第一材料作为所述涂层材料。
14.根据权利要求10至13中任一项权利要求所述的方法，其中，仅在所述导体(4)突出于所述转子叠片铁芯之外并伸入所述短路环(5)的末端区域设置所述涂层(8)和所述第一合金层(2)。
15.根据权利要求10至13中任一项权利要求所述的方法，其中，在整个所述导体(4)上设置所述涂层(8)和所述第一合金层(2)。
16.根据权利要求11以及权利要求10至13中任一项权利要求所述的方法，其中，所述导体(4)在所述槽内部朝向所述压铸第一材料的表面不设涂层(8)。
17.根据权利要求10至16中任一项权利要求所述的方法，其中，在所述导体(4)突出于所述转子叠片铁芯(1)之外并伸入所述短路环(5)的两个末端区域内，在所述导体(4)和所述浇铸短路环(5)之间建立互锁。
18.根据权利要求10至17中任一项权利要求所述的方法，其中，通过电化学淀积产生所述涂层(8)和所述第一合金层(2)。
19.根据权利要求10至17中任一项权利要求所述的方法，其中，通过热喷涂法尤其是火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂或激光喷涂产生所述涂层(8)和所述第一合金层(2)。
20.根据权利要求10至17中任一项权利要求所述的方法，其中，通过冷喷涂法产生所述涂层(8)和所述第一合金层(2)。
21.根据权利要求10至17中任一项权利要求所述的方法，其中，通过汽相淀积法产生所述涂层(8)和所述第一合金层(2)。
22.根据权利要求10至21中任一项权利要求所述的方法，其中，涂层之前，通过对所述导体(4)进行化学预处理来移除所述导体(4)上的氧化层。
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| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
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