CN1115511A - 感应电动机 - Google Patents
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Abstract
一种感应电动机，包括一个在转子铁芯面向定子铁芯一侧封闭槽末端的桥接部分，其特征为，构成转子铁芯的磁钢片的叠层间在桥接部分有连通槽内外的空隙。
由于压铸过程中产生的气泡可经使槽内外贯通的磁钢片之间的空隙排净，因此槽内的次级导体不含空洞，质地均匀，从而可制造出性能优良的低噪声小型感应电动机。
Description
本发明涉及一种感应电动机，特别是一种即使在通用相位控制方式下也能在有限噪声下运行的小型感应电动机。
由于小型感应电动机结构简单、性能可靠，所以在民用机械与装置中得到了广泛的应用。另一方面，市场迫切需要性能优良的低噪音小型感应电动机，例如在空调器中使用的感应式风扇电动机和类似电动机，特别要求能低噪声运行。以通电相位控制方式调速的感应电动机噪声较大，尤其需要解决这个问题。
小型感应电动机的槽形通常为半开放式或封闭式，如图5所示。
在开放式槽感应电动机中，定子和转子之间气隙处的磁通密度在转子的槽顶端部减小，因而增加了运行过程中的噪声，而且这进一步增加气隙处的磁通密度最大值，势必会降低感应电动机的效率。
因此，在空调器中的感应式风扇电动机上采用封闭式槽来解决上述问题。但是封闭式槽会引起严重的漏磁现象，即定子铁心产生的磁通只穿越槽顶端部的桥接部分而不横穿槽内的次级导体，这样就使这种电动机的性能较差。而且，在例如以铝压铸上述具有封闭式槽的感应电动机的次级导体时，很难保证导体的均匀性。这种压铸非均匀性将会引起敲击声、扭矩特性不均匀和强噪音等问题。
本发明人研究了产生槽内导体不均匀性的原因。图6为压铸过程中槽形部分熔化金属的流动情况。这是一张沿转子圆周方向取的剖面图，显示出压铸过程中熔化金属偏少。因此，有些槽被铝完全填满而另外一些则只是填充在两个端部。由图可见，填充在两个端部的铝将空气封闭在槽内。一台感应电动机的转子铁心通常包含30—40条槽，而供给熔化金属的浇口最多只有10个，因此离浇口远近不同，熔化金属的流动条件差别很大。在压铸过程中，熔化金属以极快的速度注入各个浇口，因此在离浇口较远的熔化金属尚未完全填满槽时，浇口附近的熔化金属已流至该浇口对面的端环处，并从该浇口对面回流入其他槽内从而将空气封闭在其他槽内。即使在正常压铸过程中保证提供足够多的熔化金属量，表面上看槽内似乎没有气泡，但实际上仍有空气被封闭在槽内，只是受压缩而体积减小，然而不可能消除每块次级导体的密度和阻值的差异。因此，尤其对于以通电相位控制方式运行的空调器中的感应式风扇电动机来说，除了性能变化较大之外，噪音问题也难以解决。
本发明的目的就是解决上述通常出现的问题并提供一种性能优良的低噪音小型感应电动机。
按照本发明的感应电动机包括：一个定子铁心，一个由薄磁钢片叠成的转子铁心，一个定子铁心内的绕组，在转子铁心内形成的多个封闭槽和压铸在槽内的转子用导体，每条槽在面向定子铁心一侧包括一个桥接部分以封闭该槽。其特征是，在磁钢片叠层的桥接部分之间有一条沟通槽内外的空隙。
由于在叠压磁钢片以构成转子铁心时在槽的桥接部分留有空隙，压铸时被封闭在槽内的空气将经空隙排出，从而得到了质地均匀的次级导体。
图1为采用按照本发明一个实施例的小型感应电动机作空调器风扇电动机的风扇部件垂直剖面图；
图2为按照本发明一个实施例的转子铁心的平面图；
图3为按照本发明一个实施例的感应电动机的接线图；
图4为按照本发明实施例的感应电动机输入电流的波形图；
图5为通常的封闭式槽形部分的详图；
图6为说明在压铸通常的具有封闭式槽形部分的转子铁心过程中熔化金属流动情况的示意图；
图7为按照本发明一个实施例的槽形部分的详图；
图8为说明图7中一个实施例的转子铁心压铸过程的示意图；
图9为按照本发明另一个实施例的转子铁心槽形部分的详图；
图10为图9所示实施例的转子铁心桥接部分的放大图；
图11(A)和11(B)为说明图9所示实施例的转子铁心穿孔操作过程的示意图；
图12为说明图9所示实施例的转子铁心桥接部分的几何尺寸与磁通之间关系的示意图；
图13为图9所示实施例的电动机与通常的电动机在噪声电平、最大扭矩和效率等方面的比较图；
图14为通常的感应式电动机的噪声频率分析图；
图15为按照本发明实施的电动机的噪声频率分析图。
以下将结合附图阐述本发明的实施例：
图1为采用本发明的风扇电动机的空调器的风扇部件垂直剖面图。图中，1为小型内转子式感应电动机。2为箱体，例如用温配合的方法把里面的定子铁心与箱体紧密嵌合。初级绕组4绕在定子铁心3上作定子绕组。5为端盖，由螺丝6紧固在箱体上。7为转子，包括一个由多层磁钢片叠成的转子铁心8，由铝压铸而成、作转子用导体的次级导体9和端环10构成。转子7通过转轴11转动支撑于滚珠轴承12和13上。而滚珠轴承12和13通过减震器14和15及减震器紧固件16支撑于基座17上。18为风扇部件底座，电动机基座17固定于其上。
转轴11与风扇转轴20通过耦合件19相连。风扇21固定在风扇转轴20上，而风扇外罩22则罩住风扇21并固定在电动机基座17上。图2为转子7沿转轴11方向看得的视图。
图3为电容式感应电动机的接线图，包括主绕组23，辅助绕组24和电容器25。电动机通过可控硅触发器这一相位控制装置26实现相位控制。利用相位控制，能够以图4所示的方式截断电源电流而获得受限制的电流。在低速运行状态，只有图4打影线部分的电流通过，因此施加在感应电动机上的电源电压含有许多高次谐波的成份。在电源电压中有许多高次谐波的成份的相位控制期间，很容易产生电动机的磁噪声。
为了更便于理解本发明的原理，下面将详细阐述现有技术的固有缺陷。图5为一个通常的封闭式槽。转子铁心8包括桥接部分28，它位于槽27面向定子铁心一侧的顶端。当铝水浇入这些通常的封闭式槽27内以形成转子用导体时，由图6可见，空气留在了封闭式槽27内。图6是沿图2的转子铁心8的圆周方向的透视图。快速注入模具浇口29的熔化金属流动而在端环处扩展开来，流入槽内并到达另一侧的端环。在这种情况下，熔化金属在正对浇口29的槽27内流动较快并在到达另一侧端环后折回，流入其它没有正对浇口29的槽内。这是由于熔化金属在没有正对浇口29的槽内流动得比在正对浇口的槽内慢的缘故。因此，熔化金属从没有正对浇口的槽的两端流入，从而将气泡30封闭在槽内，如图6所示。气泡30在在这些供转子用的导体的槽中形成砂眼。
气泡30内除了含有模具内的空气成份外，还含有脱模剂接触高温熔化金属后受热蒸发的气体成份。
图7中的转子铁心8a在槽27a的顶端(面向定子铁心的一侧)有一桥接部分31。层叠磁钢片在桥接部分31的厚度做或在局部成在整个桥接部分薄于其它部分的厚度。图8为如此构造的转子铁心8a的剖面图，这里转子铁心8a放于模具中。构成转子铁心8a的磁钢片在槽27a的内周侧处紧密接触，不留空隙，而在槽27a的外周侧的桥接部分31处，留有空隙32。
由于空隙32的存在，快速注入浇口29的熔化金属即使从图6中的两个端环流入槽27，无益的气泡30也能从空隙32排出，从而难于在槽27a内的转子用导体中形成砂眼。因此减少了因在一些槽27a内没有砂眼而在另一些槽27a内有砂眼而引起的次级导体的转子用导体性能上的差别。这样，在减少感应电动机转动特征变化的同时，磁噪声也减小了。
转子铁心8b的槽27b在其顶端有桥接部分35，如图9所示。然而，由桥接部分35的根部延伸的槽的这部分很坚固。即，虽然桥接部分35做得极薄，但由桥接部分35的根部延伸的槽的这部分有一沿转子铁心8b的径向延伸的长的加固部分34。
由于槽27b的构造一般总是向外周线方向凸出，所以因转子铁心8b转动产生的转子用导体的离心力作用在槽27b的顶端部分。
离心力作用在加固部分34上，而极薄的桥接部分35并不受力。另外，极薄的桥接部分35和长的加固部分34有效地抑制了漏磁通，防止了这种感应电动机的性能变差。
下面阐述桥接部分35的形成过程。在前面阐述图8中的实施例时，虽然对于桥接部分的构造方法未作特别说明，但是桥接部分是可以用例如挤压的办法构造出来的。下面将借助于图10和图11详细介绍图9中桥接部分35的构造方法。
桥接部分35可以在转子铁心片的冲裁过程中自然形成。在冲裁过程中，首先形成槽27b，接着又形成了转子铁心8b的外圆周。槽27b的冲裁方向与转子铁心8的外圆周的冲裁方向相反。当冲裁转子铁心8的外圆周时，在剪切部分36和断裂部分37都将形成冲剪塌角部分38，从而使桥接部分35变薄。转子铁心片需要连续换几付冲模经过几次冲裁后才能制成，以下将利用图11(A)和11(B)特别详细介绍桥接部分35的冲裁过程。如图11(A)所示，首先按箭头方向冲出槽27b从而形成冲剪塌角38。接着，如图11(B)所示，冲出转子铁心片的外圆周部分39，在冲裁时，一个反向挤压力作用于转子铁心片的外圆周部分，在此挤压力的作用下，由于桥接部分35较窄而厚度减小。所以，在层叠这样形成的转子铁心片时能在桥接部分35处形成空隙。
冲剪塌角可以用来减薄桥接部分35，而且实验证实：塌角大小基本相同，与所用的磁钢片种类无关。表1列出了不同类型的磁钢片的冲剪塌角的大小，这里间隙由具有5％平板厚度的模具测得。
表1
| 磁钢片类型 | 硬度(维氏) | X | Y |
| A | 138 | 0.32 | 0.11 |
| B | 112 | 0.31 | 0.12 |
| C | 95 | 0.30 | 0.12 |
以下讨论桥接部分35的几何尺寸对电学性质的影响。
在图12中，在两个端部桥接部分35的厚度T介于其宽度B的0.1—0.25倍之间。当厚度T大于宽度B的0.25倍时，由于冲剪塌角而造成的厚度减小影响不能被充分利用，另一方面，当厚度T小于宽度的0.1倍时，会在桥接部分引起磁饱和。由定子铁心穿过空隙后进入转子铁心的磁通40在气隙中的磁通密度为0.35—0.5特斯拉。因此在桥接部分两端的磁通密度为Bt＝(0.35—0.5)×B/2T。另一方面，磁通密度超过1.7特斯拉时磁钢片将会饱和，因此厚度T应满足下列不等式：
T≥(0.35—0.5)/1.7×B/2＝(0.1—0.15)×B因而，当厚度T小于宽度0.1倍时将产生磁饱和。
以下将进一步说明图9和图10的实施例中的桥接部分的几何尺寸。
在这个实施例中，磁钢片厚度C为0.5毫米，槽沿圆周方向的最大宽度为2.7毫米，桥接部分沿圆周方向的宽度B为0.6毫米，沿径向方向的厚度T为0.13毫米，减薄后的桥接部分厚度d(用以形成空隙)为0.1毫米，安插转轴的孔径为15毫米。选用依照上述尺寸由磁钢片冲裁出的的转子铁心片，就可以得到满足本实施例要求的转子铁心。
在由层叠磁钢片构成的转子铁心的桥接部分，由层间减薄厚度到0.1毫米而形成的空隙沿着槽27b的整个轴向均匀分布，允许槽27b内外贯通，因而使得在压铸过程中产生的气泡通过空隙排净，在槽内形成了砂眼较少、性能变化较小的次级导体。这样，由于减小了次级导体间的性能变化，因而在提高电动机性能的同时也降低了噪声。
图13是桥接部分径向厚度T与效率、最大扭矩和噪声级之间的关系。由图可见，对于图9—图12中所阐述的实施例，存在一个较佳的范围。即，当径向厚度T小于宽度B的0.25倍时，最大扭矩较大，效率较高，噪声较低；另外，当径向厚度T小于宽度B的0.05倍时，最大扭矩和效率都有所下降，噪声级增高，可见厚度T最好大于宽度B的0.06倍。此外，对于图7中阐述的实施例，当厚度T为宽度B的0.25倍时其性能(指最大扭矩、效率、噪声级)均劣于图9—图12中的实施例，其原因在于桥接部分的根部区域的磁饱和。
图14和图15为感应电动机噪声频率的分析结果。图14为通常的电动机的噪声频率分析结果，而图15为本发明实施例的噪声频率分析结果。可以认为，使用本发明中的感应电动机，通常噪声级都降低了，特别是噪声级的尖峰大大降低。
以下将借助图8来说明气体排净机制，并在下文再阐述本发明的另一方面。
在将转子铁心放入金属压铸模具后而铝水被快速注入时，气泡30通过空隙32排净，同时铝水也流入空隙32以铝导体填满空隙。由于在转子铁心的外圆周与金属压铸模具之间有一宽度为0.01—0.03毫米的缝隙G，所以铝水也会漏进缝隙G。但是由于缝隙32很窄，因而漏进缝隙G内的铝水数量微不足道，只是在缝隙32上形成微凸物。
在通常的具有开放式槽的转子铁心上，槽的顶部沿外圆周一侧宽而连续地开放，所以有大量的铝水漏进缝隙G内并沿转子铁心的外圆周铺开，在外圆周上沉积下来形成毛边。为了避免电动机性能下降，必须清除这些毛边。
在本发明中，铝水的漏出量微不足道，在缝隙32上的沉积物只是微微突起，并不会影响电动机的性能，所以无需去除毛边。
又，在槽为开放式的通常的转子铁心中，当缝隙G尽可能窄以限制毛边的量时，却给将转子铁心滑顺地插入金属压铸模具33带来了困难和不便。
在本发明中抑制了毛边的形成，缝隙G没有必要留得很窄，因此转子铁心可以滑顺地插入金属压铸模具中，从而提高了转子铁心的生产率。
又，虽然桥接部分比较细巧，机械强度较差，然而它有填在缝隙内的铝导体的加固。又，由于铝导体的扩展受到控制，直到在缝隙32上形成微凸物，因此铝导体和细巧的桥接部分的机械连接是最优化的，即桥接部分的加固是恰到好处的。
上面阐述的感应电动机的功率为15瓦—150瓦。15瓦电动机的转子铁心的外径为20毫米，150瓦的为60毫米。但是本发明也可以应用到除上述例举的实施例以外的感应电动机中去。
正如以上阐述的，按照本发明，在不增加费用的情况下可以改善感应电动机的性能，并显著降低噪声。在以通电相位控制方式调速的通常的感应电动机中，由于噪声较大其应用范围受到了限制，但是按照本发明，即使采用通电相位控制方式调速，噪声级也显著降低，因而扩大了其应用范围。
Claims (8)
1.一种感应电动机，包括：一个定子铁心，一个由磁钢薄片层叠而成的转子铁心，一个做在所述定子铁心内的定子绕组，多个开在所述转子铁心上的封闭式槽，以压铸方法填在所述槽内的转子用导体，每个所述槽在其面向所述定子铁心的一侧有一桥接部分以封闭此槽，其特征在于，磁钢片叠层间在桥接部分有贯穿所述槽内外的空隙。
2.一种感应电动机，包括：一个定子铁心，一个由磁钢薄片层叠而成的转子铁心，一个做在所述定子铁心内的定子绕组，多个开在所述转子铁心上的封闭式槽，以压铸方法填在所述槽内的转子用导体，每个所述槽在其面向上述定子铁心的一侧有一桥接部分以封闭此槽，其特征在于，磁钢片叠层在桥接部分的厚度薄于其他部分。
3.一种感应电动机，包括：一个定子铁心，一个由磁钢簿片层叠而成的转子铁心，一个做在所述定子铁心内的定子绕组，多个开在所述转子铁心上的封闭式槽，以压铸方法填在所述槽内的转子用导体，每个所述槽形其面向上述定子铁心的一侧有一桥接部分以封闭此槽，其特征在于，磁钢片叠层间在桥接部分有一空隙贯穿所述槽内外以使空气在压铸过程中排出。
4.一种感应电动机，包括：一个定子铁心，一个由磁钢簿片层叠而成的转子铁心，一个做在所述定子铁心内的定子绕组，多个开在所述转子铁心上的封闭式槽，以压铸方法填在所述槽内的转子用铝导体，每个所述槽在其面向所述定子铁心一侧有一桥接部分以封闭此槽，其特征在于，磁钢片叠层间在桥接部分有贯穿所述槽内外的空隙。
5.一种感应电动机，包括：一个定子铁心，一个由磁钢薄片层叠而成的转子铁心，一个做在所述定子铁心内的定子绕组，多个开在所述转子铁心上的封闭式槽，以压铸方法填在所述槽内的转子用铝导体，每个所述槽在其面向所述定子铁心一侧有一桥接部分以封闭此槽，其特征在于，磁钢片叠层间在桥形部分有空隙贯穿所述槽形内外，空隙内填有在所述槽之内所填的转子用铝导体。
6.一种感应电动机，包括：一个定子铁心，一个由磁钢薄片层叠而成的转子铁心，一个做在所述定子铁心内的定子绕组，多个开在所述转子铁心上的封闭式槽，以压铸方法填在所述槽内的转子用导体，每个所述槽在其面向所述定子铁心的一侧有一桥接部分以封闭此槽，其特征在于，层叠的磁钢片在其桥接部分的厚度薄于其它部分，而且该厚度减薄部分是在磁钢片冲裁过程中由产生的冲剪塌角形成的。
7.一种感应电动机，包括：一个定子铁心，一个由磁钢薄片层叠而成的转子铁心，一个做在上述定子铁心内的定子绕组，多个开在所述转子铁心上的封闭式槽，以压铸方法填在所述槽内的转子用导体，每个所述槽在其面向所述定子铁心的一侧有一桥接部分以封闭此槽，其特征在于，层叠的磁钢片在其桥接部分的厚度薄于其它部分，并且把该厚度减薄部分的厚度选在介于桥接部分宽度的0.1—0.25倍之间。
8.一种感应电动机，包括：一个定子铁心，一个由磁钢薄片层叠而成的转子铁心，一个做在所述定子铁心内的定子绕组，多个开在所述转子铁心上的封闭式槽，以压铸方法填在所述槽内的转子用导体，一个用于所述定子绕组的相位控制装置，每个所述槽在其面向所述定子铁心的一侧有一桥接部分以封闭此槽，其特征在于，磁钢片叠层间在桥接部分有贯穿所述槽内外的空隙。
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