CN106849423A - 双斜槽转子、基于该转子的定转子等槽配合结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开双斜槽转子，涉及电机技术领域，该转子的槽数与同其相配合的定子的槽数相等；双斜槽转子包括第一转子、第二转子；第一转子的槽体与第二转子中对应的槽体反向扭斜；第一转子与第二转子的斜槽距离均为：第一转子与第二转子的斜槽角度均为：Z₁为定子槽数，p为电机极对数，D_i1为定子内径；第一转子的槽体与第二转子中对应的槽体的错开角度为：Z₂为转子槽数；本发明还公开基于该转子的定转子等槽配合结构。本发明具有突破传统感应电动机的定、转子槽数选择限制，应用等槽配合时的优点。

Description

双斜槽转子、基于该转子的定转子等槽配合结构

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及双斜槽转子、基于该转子的定转子等槽配合结构。

背景技术

电机气隙磁场由基波气隙磁场与谐波气隙磁场组成。感应电机的附加损耗主要由气隙谐波磁通引起。这些谐波磁场在定转子铁心中产生表面损耗和齿部脉振损耗，并且在笼型转子中产生高频电流损耗。这其中又以定转子齿谐波磁通的作用最为显著。

当定、转子槽数相等时，定子齿谐波磁通在转子导条中感生电势的情况如图1所示。定、转子槽数相等时，定子一阶齿谐波磁通极数为Z₁±p，转子槽数为Z₂，两者近似相等。转子导条71与转子导条72中由定子齿谐波磁通感生的电势大小近似相等，相位近似相同，因此转子导条71与转子导条72之间不会产生电流(包括横向电流)。因此，当选取等槽配合时，定子齿谐波磁通不会在转子导条中产生高频电流损耗，包括横向电流损耗。

从图1中还可以看出，当定、转子槽数相等时，转子齿顶的宽度近等于定子一阶齿谐波磁场的波长，因此转子齿中由定子一阶齿谐波磁场引起的脉振最小，故脉振损耗也最小。同理，定子齿中由转子一阶齿谐波磁场引起的脉振损耗也最小。

当定、转子选取相同槽数时，定、转子谐波磁场之间产生同步附加转矩，直槽笼型转子感应电动机无法起动。而转子采用斜槽时，降低定子磁场与转子磁场的耦合，当转子斜一个定子齿距时，可以削弱定子齿谐波磁场在转子绕组中感生的电动势，但是单斜槽转子感应电动机只能削弱定子齿谐波磁场的影响，无法消除其影响。当定、转子槽数相等时，单斜槽转子感应电动机可以削弱同步附加转矩，但依然无法起动。

发明内容

本发明的目的是为了突破传统感应电动机的定、转子槽数选择限制，应用等槽配合时的良好特性，而提出了双斜槽转子、基于该转子的定转子等槽配合结构。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种双斜槽转子，所述双斜槽转子的槽数与同其相配合的定子的槽数相等；所述双斜槽转子包括第一转子、第二转子；所述第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体反向扭斜；

所述第一转子与所述第二转子的斜槽距离均为：

所述第一转子与所述第二转子的斜槽角度均为：

其中，Z₁为定子槽数，p为电机极对数，D_i1为定子内径；

所述第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体的错开角度为：

其中Z₂为转子槽数。

优选地：所述第一转子与所述第二转子之间通过中间环连接。

一种基于上述的双斜槽转子的定转子等槽配合结构，包括定子、双斜槽转子；所述双斜槽转子为内置转子，所述双斜槽转子的槽数与所述定子的槽数相等；所述双斜槽转子包括第一转子、第二转子；所述第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体反向扭斜；

所述第一转子与所述第二转子的斜槽距离均为：

所述第一转子与所述第二转子的斜槽角度均为：

其中，Z₁为定子槽数，p为电机极对数，D_i1为定子内径；

所述第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体的错开角度为：

其中Z₂为转子槽数。

优选地：所述第一转子与所述第二转子之间通过中间环连接。

优选地：所述中间环的材质包括硅钢环、铝环的一种。

优选地：所述定子、双斜槽转子的槽数均为24；所述双斜槽转子中每段斜槽的角度均为15°；所述第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体的错开角度为错开角度为7.5°；所述第一转子与所述第二转子的斜槽距离均为10.4mm；所述第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体的错开距离为5.2mm。

优选地：所述定子、双斜槽转子的槽数均为36；所述双斜槽转子中每段斜槽的角度均为10°；所述第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体的错开角度为错开角度为5°；所述第一转子与所述第二转子的斜槽距离均为11.8mm；第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体的错开距离为5.9mm。

一种基于上述的定转子等槽配合结构的感应电机或者感应式电磁泵。

采用本发明的双斜槽转子制备的感应电动机，采用定、转子等槽配合，在堵转点消除了由奇次齿谐波磁场引起的同步附加转矩同时削弱了偶次齿谐波磁场引起的同步附加转矩。相比单斜槽感应电动机，双斜槽转子感应电动机采用定、转子等槽配合可以起动，并且因为采用等槽配合，电机的附加损耗最小。定、转子齿谐波磁场在转子绕组中感生的电流最小，因而产生的异步附加转矩也最小。

本发明的优点在于：

(1)利用双斜槽转子的感应电机消除奇次齿谐波磁场产生的同步附加转矩，削弱偶次齿谐波磁场产生的同步附加转矩的特点，首次提出定、转子采用等槽配合，并且电机可以正常起动。

(2)等槽配合时，电机的附加损耗最小，相对非等槽时，效率最高。

(3)等槽配合时，定子齿谐波磁场在转子绕组中感生的电流最小，产生的异步附加转矩也最小，使电机在起动过程中具有良好的起动特性。

附图说明

图1为现有技术中当定、转子槽数相等时，定子齿谐波磁通在转子导条中感生电势的情况的示意图。

图2为本发明中双斜槽转子的结构示意图。

图3为本发明的双斜槽转子中第一转子的结构示意图。

图4为本发明中直槽转子不同的转子位置与起动转矩关系的示意图。

图5为本发明中斜槽转子不同的转子位置与起动转矩关系的示意图

图6为本发明中双斜槽转子的不同的转子位置与起动转矩关系的示意图。

图7为本发明中直槽转子不同的转子位置与起动转矩关系的示意图。

图8为本发明中斜槽转子不同的转子位置与起动转矩关系的示意图

图9为本发明中双斜槽转子的不同的转子位置与起动转矩关系的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图2-3所述，本实施例公开一种双斜槽转子，双斜槽转子的槽数与同其相配合的定子的槽数相等；双斜槽转子包括规格、尺寸、结构相同的第一转子、第二转子；第一转子的槽体111与第二转子中对应的槽体121反向扭斜；

第一转子与第二转子的斜槽距离均为：

第一转子与第二转子的斜槽角度均为：

其中，Z₁为定子槽数，p为电机极对数，D_i1为定子内径；

第一转子的槽体与第二转子中对应的槽体的错开距离为：

第一转子的槽体与第二转子中对应的槽体的错开角度为：

其中D₂为转子外径，Z₂为转子槽数。

在有些实施例中，第一转子与所述第二转子之间通过中间环13连接。或者也可以将第一转子与所述第二转子直接叠压成型。

在有些实施例中，所述中间环的材质包括硅钢环、铝环的一种。

本发明中斜槽距离可选范围为斜槽角度可选范围为此范围的两个端点为两个定子一阶齿谐波磁场波长，为削弱这两个定子齿谐波磁场的影响，以下实施例中取了取最优值(中间值)，中间值为S＝πD_il/Z₁、α＝2π/Z₁。错开距离可取错开角度可取以下实施例中β取最优值2π/2Z₂、C取最优值πD₂/2Z₂。

本发明的优点在于：

(1)利用双斜槽转子的感应电机消除奇次齿谐波磁场产生的同步附加转矩，削弱偶次齿谐波磁场产生的同步附加转矩的特点，首次提出定、转子采用等槽配合，并且电机可以正常起动。

(2)等槽配合时，电机的附加损耗最小，相对非等槽时，效率最高。

(3)等槽配合时，定子齿谐波磁场在转子绕组中感生的电流最小，产生的异步附加转矩也最小，使电机在起动过程中具有良好的起动特性。

实施例2

本实施例公开一种定、转子槽数为24-24的笼型转子感应电动机，转子为内置转子转子，内置与定子的腔体中。分别采用直槽转子、斜槽转子、双斜槽转子，电机主要相同参数如表1中所示。

表1电机主要参数

额定功率(kW)	1.5
		并联支路数	1
定子外径(mm)	130
		定子内径(mm)	80
铁心长度(mm)	105
		气隙长度(mm)	0.25
定子槽数	24
		转子槽数	24
绕组连接形式	星形
		极数	4

其中斜槽转子斜槽角度为15°，斜槽距离为10.4mm；双斜槽转子每段斜槽角度为15°，每段转子的斜槽距离为10.4mm，错开角度为7.5°，错开距离为5.2mm。定子谐波磁场与转子齿谐波磁场作用产生同步附加转矩，表2中给出定子槽数为24，转子槽数为24，极数为4的谐波谱表。

表2槽配合为24-24时定转子的谐波谱表

转子谐波磁场由定子谐波磁场感生，表中k2＝0这一列的转子谐波磁场(除去p＝2的定子主波磁场感生的p＝2阶转子主波磁场)与产生它的定子谐波磁场极数相等，转速与旋转方向相同，这两个磁场之间相互作用产生的是异步附加转矩。但因为定、转子槽数相同，定子谐波磁场在转子绕组中感生的电流很小，所以谐波产生的异步附加转矩也很小，这与槽配合对附加损耗的影响是相似的。表中k2＝±1，±2，…这些列的转子谐波磁场由对应的定子谐波磁场感生，可找到极数与转子谐波磁场相等，但不感生该次转子谐波磁场的定子谐波磁场。表2中有的谐波为几个极数相同的谐波磁场，如在定子侧有极数为-22的定子一阶齿谐波磁场和定子相带谐波磁场，在转子侧有由定子主波磁场(极数为p＝2)感生的极数为-22的转子一阶齿谐波磁场，由极数为23的定子一阶齿谐波磁场和定子相带谐波磁场感生的极数为-22的转子二阶齿谐波磁场，由极数为-46的定子二阶齿谐波磁场和定子相带谐波磁场感生的极数为-22的转子一阶齿谐波磁场，以及由极数-70的定子三阶齿谐波磁场和定子相带谐波磁场感生的极数为-22的转子二阶齿谐波磁场，等等一系列转子齿谐波磁场。表中k2＝±1，±2，…的转子谐波磁场都有极数相等的定子谐波磁场。定、转子谐波磁场极数相等，故在堵转时它们之间产生同步附加转矩。

当定、转子槽数采用等槽，转子分别采用直槽、斜槽、双斜槽转子结构时，在一个转矩槽距角内的起动转矩如图4-6所示。

表3起动转矩曲线的数据

起动转矩(Nm)	最大值	最小值	平均值
				直槽	89.9	-58.1	25.6
斜槽	54.9	-16.4	21.5
				双斜槽	27.2	18.5	23.3

表3中的数据为上图中的起动转矩曲线中的重要数值。

从图4并结合表3可以看出，起动转矩最大值为89.9Nm，最小值为-58.1Nm，平均值为25.6Nm。在转子机械角度9.5°到14.5°，起动转矩为负值，可见直槽转子的感应电动机难以在等槽配合的情况下起动起来。从图5中，起动转矩最大值为54.9Nm，最小值为-16.4Nm，平均值为21.5Nm。在大约转子机械角度10.5°到14°内，起动转矩为负值，可见斜槽转子的感应电动机的最大起动转矩和最小起动转矩的绝对值数值都减小了，相对直槽转子感应电动机削弱了同步附加转矩，但也难以在等槽配合的情况下起动。从图6中可以看出，双斜槽转子感应电动机在整个转子槽距角内的起动转矩数值都为正值，其最大值为27.2Nm，最小值为18.5Nm，平均值为23.3Nm，可以双斜槽转子感应电动机有效地削弱了同步附加转矩，使得电机可以在等槽配合下起动。

直槽转子感应电动机在等槽配合的情况下，转子各阶齿谐波磁场均与定子谐波磁场在堵转点产生同步附加转矩，导致电机无法起动；斜槽转子感应电动机在等槽配合的情况下，因为采用斜槽转子，转子各阶齿谐波磁场均与定子谐波磁场在堵转点产生同步附加转矩要乘上斜槽系数，同步附加转矩得到抑制，其幅值绝对值减小，但无法消除同步附加转矩的影响，特别是转子一阶齿谐波磁场与定子一阶齿谐波磁场产生同步附加转矩，所以起动转矩在转子槽距角上的波形仍然呈现正弦波形态，可以单斜槽无法消除由一阶齿谐波磁场产生的同步附加转矩。双斜槽转子感应电动机在等槽配合下可以起动，其起动转矩在转子槽距角上的波形已经不再呈现一阶正弦波形态，而是类似二阶正弦波形态，这表明双斜槽转子感应电机有效消除由一阶齿谐波磁场产生的同步附加转矩。

实施例3

本实施例公开一种定、转子槽数为36-36的笼型转子感应电动机，定、转子槽数都为36，转子形式有直槽转子、斜槽转子、双斜槽转子，电机的主要参数如表4所示。

表4电机主要参数

额定功率(kW)	11
		并联支路数	1
定子外径(mm)	260
		定子内径(mm)	170
铁心长度(mm)	155
		气隙长度(mm)	0.5
定子槽数	36
		转子槽数	36
绕组连接方式	三角形
		极数	4

其中斜槽转子斜槽角度为10°，斜槽距离为11.8mm；双斜槽转子每段转子斜槽角度为10°，每段转子电斜槽距离为11.8mm，两段转子错开角度为5°，错开距离为5.9mm。

定转子槽配合为36-36时，定转子谐波波谱如表5所示。

表5槽配合为36-36时，定、转子谐波谱表

与实施例2中类似，k2＝0列中的转子谐波磁场只能与定子谐波磁场产生异步附加转矩，而不是产生同步附加转矩。k2＝±1，±2，…列中的转子谐波磁场与定子谐波磁场在堵转点产生同步附加转矩，例如定子侧有极数为-34的定子一阶齿谐波磁场与定子相带谐波磁场，转子侧有k2＝-1列的极数为-34的转子一阶齿谐波磁场，k2＝1列的极数为-34的转子一阶齿谐波磁场，k2＝-2列的极数为-34的转子二阶齿谐波磁场，k2＝-2列的极数为-34的转子二阶齿谐波磁场。

一个转子槽距角内的起动转矩波形如图7-9所示。图7是直槽转子感应电动机在等槽配合下的起动转矩波形，可见在一个转子槽距角内起动转矩波形刚好呈现出一个正弦波波形，转子谐波磁场初相角在一个转子槽距角内变化了2π，这与转子一阶齿谐波磁场的初相角特性相符，起动转矩波形的最大值为419.5Nm，最小值为-268.5Nm，平均值为95.7Nm，这些都说明了起动转矩是异步转矩(包括主异步转矩和附加异步转矩)和同步附加转矩的叠加。

表6

起动转矩(Nm)	最大值	最小值	平均值
				直槽转子	419.5	-268.5	95.7
斜槽转子	220.7	-64.2	80.9
				双斜槽转子	95.1	71.7	83.6

在转子机械角度6°到9.5°，起动转矩为负值，可见直槽转子的感应电动机难以在等槽配合的情况下起动起来。同样地，图8中，在转子机械角度6.5°到9°内起动转矩为负值，起动转矩的最大值为220.7Nm，最小值为-64.2Nm，平均值为80.9Nm，起动转矩的最值均有所减小，但转矩最小值仍为负数，斜槽转子在等槽配合情况下无法起动，起动转矩波形还是呈现一个正弦波形态，说明斜槽转子感应电动机可以削弱但无法消除由一阶定、转子齿谐波磁场产生的同步附加转矩。图9中起动转矩的最大值为95.1Nm，最小值为71.7Nm，平均值为83.6Nm，起动转矩在一个转子槽距角上的值都为正值，电机具有可起动的潜力，并且起动转矩波形在一个槽距角内已不再呈现一个正弦波形态，而是出现了两个正弦波形态，这正说明双斜槽转子感应电动机有效消除了由一阶定、转子齿谐波磁场产生的同步附加转矩，波形主要由二阶定、转子齿谐波磁场产生的同步附加转矩构成，双斜槽转子感应电动机只能削弱而无法消除由二阶定、转子齿谐波磁场产生的同步附加转矩。

综上所述，当νb次定子谐波磁场与νa次定子谐波磁场在转子绕组中感应产生的μa次转子谐波磁场，极数相同、速度相同，这两个谐波之间将会产生同步附加转矩，使电机在低速区域的转矩突变，电机的转矩曲线上出现凹陷与上凸。同步附加转矩的存在影响电机的起动性能，当它的幅值太大时甚至会导致电机无法起动。尽管定、转子槽数为等槽配合时具有很多良好的特性，但一般不采用，其主要原因就是在起动时存在很大的同步附加转矩。

νb次定子谐波磁场与μa次转子谐波磁场间产生同步附加转矩，除了两个磁场不是彼此感生，还必须满足一下两个条件：

(1)|μ_a|＝|v_b|，两个磁场的极数彼此相同；

(2)v_μa＝v_νb，vμa与vνb分别是νb次定子谐波磁场与μa次转子谐波磁场相对于定子的线速度，两个磁场必须同步运行。

堵转时的同步附加转矩分析

定子νb次谐波磁场表示为

式中，Bνb为定子νb次谐波磁场的磁场强度幅值，ω1为电源角频率，为定子νb次谐波磁场的初相角。

当定、转子槽数相等时，同步附加转矩出现在堵转点。同步附加转矩由对应的同阶次齿谐波磁场之间作用产生，同步附加转矩产生的角速度可表示为

当μ_a＝ν_b时，ω_r＝0

当电机堵转，电机处于静止状态时，此时转子谐波磁场的角频率为

ω_μ＝ω₁

两段转子产生的齿谐波磁场为

式中，Bμa为转子μa次谐波磁场的磁场强度幅值，为转子μa次谐波磁场的初相角，bsk1、bsk2分别为两段转子的斜槽距离，l₁、l₂为两段转子的轴向长度，R为转子半径。

定子谐波磁场bνb(θ,t)与转子齿谐波磁场有相同的极数，并且谐波磁场相对定子转速相同。它们之间产生的同步附加转矩为

其中

ks1与ks2在数值上与斜槽系数相同。当bsk1＝bsk2时，则ks1与ks2相等。

式中，r为气隙的平均长度，δ为气隙的径向长度，μ0为真空磁导率。

当bsk1＝bsk2,l1＝l2时，两段转子上的矢量合成同步附加转矩为

从上式中可以看出当选择合适的α，可以消除或者削弱某些谐波磁产生的同步附加转矩。当β＝π/Z2时，由奇次转子齿谐波磁场与对应的定子谐波磁场产生的同步附加转矩被消除，偶数次转子齿谐波磁场与对应的定子谐波磁场产生的同步附加转矩被削弱。

采用本发明的双斜槽转子制备的感应电动机，采用定、转子等槽配合，在堵转点消除了由奇次齿谐波磁场引起的同步附加转矩同时削弱了偶次齿谐波磁场引起的同步附加转矩。相比单斜槽感应电动机，双斜槽转子感应电动机采用定、转子等槽配合可以起动，并且因为采用等槽配合，电机的附加损耗最小。定、转子齿谐波磁场在转子绕组中感生的电流最小，因而产生的异步附加转矩也最小。

需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种双斜槽转子，其特征在于：所述双斜槽转子的槽数与同其相配合的定子的槽数相等；所述双斜槽转子包括第一转子、第二转子；所述第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体反向扭斜；

所述第一转子与所述第二转子的斜槽距离均为：

$S\∈\[\frac{{\mathrm{\πD}}_{i1}}{Z_1+p},\frac{{\mathrm{\πD}}_{i1}}{Z_1-p}\]$

所述第一转子与所述第二转子的斜槽角度均为：

$\mathrm{\α}\∈\[\frac{2\mathrm{\π}}{Z_1+p},\frac{2\mathrm{\π}}{Z_1-p}\]$

其中，Z₁为定子槽数，p为电机极对数，D_i1为定子内径；

所述第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体的错开角度为：

$\mathrm{\β}\∈(0,\frac{2\mathrm{\π}}{2Z_2}\]$

其中Z₂为转子槽数。

2.根据权利要求1所述的一种双斜槽转子，其特征在于：所述第一转子与所述第二转子之间通过中间环连接。

3.一种基于如权利要求1所述的双斜槽转子的定转子等槽配合结构，其特征在于：包括定子、双斜槽转子；所述双斜槽转子为内置转子；

所述双斜槽转子的槽数与所述定子的槽数相等；所述双斜槽转子包括第一转子、第二转子；所述第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体反向扭斜；

所述第一转子与所述第二转子的斜槽距离均为：

$S\∈\[\frac{{\mathrm{\πD}}_{i1}}{Z_1+p},\frac{{\mathrm{\πD}}_{i1}}{Z_1-p}\]$

所述第一转子与所述第二转子的斜槽角度均为：

$\mathrm{\α}\∈\[\frac{2\mathrm{\π}}{Z_1+p},\frac{2\mathrm{\π}}{Z_1-p}\]$

其中，Z₁为定子槽数，p为电机极对数，D_i1为定子内径；

所述第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体的错开角度为：

$\mathrm{\β}\∈(0,\frac{2\mathrm{\π}}{2Z_2}\]$

其中Z₂为转子槽数。

4.根据权利要求3所述的定转子等槽配合结构，其特征在于：所述第一转子与所述第二转子之间通过中间环连接。

5.根据权利要求3所述的定转子等槽配合结构，其特征在于：所述定子、双斜槽转子的槽数均为24；所述双斜槽转子中每段斜槽的角度均为15°；所述第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体的错开角度为错开角度为7.5°；所述第一转子与所述第二转子的斜槽距离均为10.4mm；所述第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体的错开距离为5.2mm。

6.根据权利要求3所述的定转子等槽配合结构，其特征在于：所述定子、双斜槽转子的槽数均为36；所述双斜槽转子中每段斜槽的角度均为10°；所述第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体的错开角度为错开角度为5°；所述第一转子与所述第二转子的斜槽距离均为11.8mm；第一转子的槽体与所述第二转子中对应的槽体的错开距离为5.9mm。

7.一种基于如权利要求3-6任一项所述的定转子等槽配合结构的感应电机或者感应式电磁泵。