CN115242011B - 一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机，其包括转子，所述转子包括转子铁芯、石墨烯导条和端环，其中：所述转子铁芯由硅钢冲片叠压而成，所述转子铁芯设有贯穿两端的导条槽；所述石墨烯导条周向环绕预插于所述导条槽；所述端环浇铸成型于所述转子铁芯的两端，所述端环与所述石墨烯导条熔融连接。本申请中的导条为石墨烯导条，石墨烯导条事先预制形成，然后预插在转子铁芯中，石墨烯导条不需要进行离心浇铸或压力铸铝，转子加工时转子加工时只需浇铸出端环即可，降低浇铸难度和浇铸成本，改善了浇铸工艺，并且石墨烯导条与端环连接牢固，稳定全面，能够形成质量稳定的短路环，提高电机运行的稳定性。

Description

一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机

技术领域

本发明涉及三相异步电机技术领域，具体涉及一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机。

背景技术

三相异步电机包括定子和转子，转子具有鼠笼式和绕线式，鼠笼式一般是铝条或铜条，绕线式一般是纯铜线。

鼠笼式转子绕组一般分为两种，一种为铜排转子，在转子铁芯的每个槽内插入等长的裸铜导条，两端分别用铜制短路环焊接成一个整体，形成一个闭合的多相对称回路，铜排转子的加工方式包括焊接和压铸两种，焊接的加工方式存在组装困难、焊接缺陷、操作繁琐的问题，压铸的加工方式存在铜条质量差、能耗大、转子长度受限、铜条检验难度大的问题；另一种为铸铝转子，将导条、端环采用铸铝同时一次浇铸成型，铸铝转子的加工方式包括离心铸铝和压力铸铝两种，压力铸铝的加工方式存在气孔多、电导率低、铝条质量不稳定的问题，离心铸铝的加工方式存在操作复杂、劳动强度大、生产率低的问题。以此，目前鼠笼式转子质量不稳定，存在较高质量风险。

因此，如何解决现有鼠笼式转子的缺陷，提高鼠笼式三相异步电机的质量，亟待解决。

发明内容

为解决如何解决现有鼠笼式转子的缺陷，提高鼠笼式三相异步电机的质量的技术问题，本申请提出一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机，其转子中的导条为石墨烯导条，石墨烯导条事先预制形成，然后预插在转子铁芯中，石墨烯导条不需要进行离心浇铸或压力铸铝，转子加工时转子加工时只需浇铸出端环即可，降低浇铸难度和浇铸成本，改善了浇铸工艺，并且石墨烯导条与端环连接牢固，稳定全面，能够形成质量稳定的短路环，提高电机运行的稳定性。同时，石墨烯导条的电导率比传统铝合金导条高5％-20％，可较大降低鼠笼式转子工作时的损耗，减小电机发热，提升电机效率或增加电机输出功率。

为了达到上述目的，本申请采取了如下所述的技术方案：

一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机，其包括转子，所述转子包括转子铁芯、石墨烯导条和端环，其中：所述转子铁芯由硅钢冲片叠压而成，所述转子铁芯设有贯穿两端的导条槽；所述石墨烯导条周向环绕预插于所述导条槽；所述端环浇铸成型于所述转子铁芯的两端，所述端环与所述石墨烯导条熔融连接。

由此，先预制石墨烯导条，然后将石墨烯导条预插于导条槽，将事先熔化好的铝液、铜液或其它熔融金属液注入模具，在转子铁芯两端浇铸形成与石墨烯导条端部熔融连接的端环。以此，本申请石墨烯导条事先预制形成，然后预插在转子铁芯中，石墨烯导条不需要进行离心浇铸或压力铸铝，转子加工时只需浇铸出端环即可，降低浇铸难度和浇铸成本，改善了浇铸工艺，并且石墨烯导条与端环连接牢固，稳定全面，能够形成质量稳定的短路环，提高电机运行的稳定性。本申请中石墨烯导条预插前可以单独测导电率，不需要专门的仪器检测，检验成本低，并且质量稳定，不会存在断条、瘦条等导条缺陷。本申请中石墨烯导条的质量依据原材料质量而定，与操作者技术关系小，对操作者的操作经验要求不高，能够降低用人成本。本申请中的石墨烯导条长度可以任意定制，不受浇铸工艺限制，便于浇铸大功率转子。在本申请中，端环的浇铸可以采用重力浇铸。

石墨烯导条主要原材料为石墨烯与铝合金的混合材料，石墨烯是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料；石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa，而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量可大0.25TPa，石墨烯中自由电子几乎不受碳原子约束，因此电阻率很小，电阻很小，导电性能好，超过铜材和铝材，能够提高转子性能，提高电机性能。由于石墨烯导条导电性能极佳，因此对端环的导电性能要求不高，由此在本申请中，端环与石墨烯导条的材质可以不同，可以综合各方面考虑端环用料，在本申请中，端环可以用容易流动的铝液浇铸而成，以此端环的浇铸可以直接采用重力浇铸，还可以适当降低熔炼温度，降低能耗，减少生产成本，节约资源。

作为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种优选的实现方式，所述石墨烯导条的长度＞所述转子铁芯的长度，所述石墨烯导条两端设有伸出所述转子铁芯的外延段。以此，石墨烯导条伸出转子铁芯，待端环浇铸后，使得转子铁芯、石墨烯导条和端环连接牢固稳定，提高转子质量，提高电机运行的稳定性，减少运行噪音。

作为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种优选的实现方式，所述石墨烯导条两侧端部位置采用局部感应加热，通过加热所述转子铁芯向所述石墨烯导条进行热传递，所述局部感应加热温度设置在550-650℃；所述端环的浇铸熔液温度设置在690-780℃。石墨烯导条的熔点为660℃左右，在端环浇铸之前，先将对应石墨烯导条端部位置的部分转子铁芯进行加热，转子铁芯对内部预插的石墨烯导条进行热传导，将石墨烯导条端部的温度加热至接近熔点，浇铸端环时，将加热好的端环熔液注入模具中，端环熔液与石墨烯导条端部接触，可以将已经接近熔点的石墨烯导条端部的温度升高至熔点以上，因此端环熔液与石墨烯导条端部熔合，形成一体，使得端环与石墨烯导条连接牢固紧密，提高转子质量，提高电机运行的稳定性，减少运行噪音。

作为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种优选的实现方式，沿所述转子铁芯的轴向，所述外延段的长度在15mm以内。首先，端环的厚度为15-30mm，外延段的厚度不能超过端环，第二，外延段的长度太长时，会影响转子铁芯对石墨烯导条的热传导，导致石墨烯导条温度过低，端部温度不能接近熔点，影响石墨烯导条端部与端环的熔合。

作为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种优选的实现方式，所述石墨烯导条的长度≤所述转子铁芯的长度。石墨烯导条的长度还可以小于等于转子铁芯的长度，由此，当石墨烯导条的长度＜所述转子铁芯的长度，石墨烯导条预插于导条槽后为凹进转子铁芯中的状态，在进行端环浇铸时，熔融金属液能够填满未被石墨烯导条填满的导条槽中，使得转子铁芯、石墨烯导条和端环连接牢固稳定，提高转子质量，提高电机运行的稳定性，减少运行噪音，当石墨烯导条的长度＝所述转子铁芯的长度时，也不会影响端环与石墨烯导条端部的熔融连接。

作为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种优选的实现方式，当所述石墨烯导条的长度＜所述转子铁芯的长度时，所述石墨烯导条的端部距离所述导条槽的槽口之间形成内缩槽，所述内缩槽用于接收所述端环的浇铸溶液，使所述端环和所述石墨烯导条的端部熔融连接于所述内缩槽。由此，在进行端环浇铸时，熔融金属液能够填满内缩槽，使得转子铁芯、石墨烯导条和端环连接牢固稳定，提高转子质量，提高电机运行的稳定性，减少运行噪音。

作为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种优选的实现方式，沿所述转子铁芯的轴向，所述内缩槽的长度设置在20mm以内。转子铁芯的长度通常为80-150mm，石墨烯导条与转子铁芯端部之间的距离过长时，一方面会缩短石墨烯导条的长度，影响导条的总体电导率，另一方面会增加端环浇铸时熔融金属液的浇铸路径，影响浇铸效果，因此，将石墨烯导条端部与转子铁芯端部之间的距离设置为20mm以内，既不影响石墨烯导条电导率，又便于浇铸端环，使端环、石墨烯导条和转子铁芯连接牢固稳定。

作为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种优选的实现方式，所述外延段经锻压形成墩头。以此，将石墨烯导条插入导条槽，使两端伸出转子铁芯后，对两端进行锻压成型，使得外延段的位置形成墩头，能够提高导条槽的填充率，利于热传导，同时使得石墨烯导条与转子铁芯咬合更加牢固紧密，能够减少转子铁芯转动时的噪音，还使得石墨烯导条与转子铁芯和端环的连接牢固稳定，能够提高转子质量，提高电机运行稳定性，满足使用性能。

作为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种优选的实现方式，所述镦头锁定于所述导条槽的槽口。由此，锻压后，沿转子铁芯的轴向方向，石墨烯导条与导条槽过盈连接，提高了石墨烯导条与转子铁芯的连接性，提高石墨烯导条在导条槽中的稳定性，墩头锁定于导条槽的槽口可以进一步防止石墨烯导条从转子铁芯中脱出，提高转子的质量，提高电机运行的稳定性，满足使用性能。

作为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种优选的实现方式，沿所述转子铁芯的径向，所述石墨烯导条的外轮廓尺寸由外向内递减。以此，首先，能够使得石墨烯导条与转子铁芯在各个方向均牢固连接，第二，在转子铁芯的径向截面上，石墨烯导条呈放射状由中心向外扩大，能够提高空间利用率，增大石墨烯导条的数量和体积，有利于增大总电导率，提升电机性能。

作为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种优选的实现方式，所述石墨烯导条与所述转子铁芯的轴向方向倾斜设置，倾斜角度范围为10°-30°。当石墨烯导条与转子铁芯轴向方向平行时，石墨烯导条间断的切割磁感线，会导致电机运行不稳定，而本申请将石墨烯导条倾斜设置，使得石墨烯导条能够连续性切割磁感线，可以保证电机运行稳定，减小电机运行噪音。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种示意性实施例中转子的正视剖面结构示意图；

图2为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的另一种示意性实施例中转子的正视剖面结构示意图；

图3为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种示意性实施例中转子加工时的正视剖面结构示意图；

图4为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的另一种示意性实施例中转子的正视剖面结构示意图；

图5为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种示意性实施例中转子铁芯的径向截面结构示意图。

图中附图标记说明：

1.转子铁芯；11.导条槽；

2.石墨烯导条；21.外延段；22.墩头；

3.端环。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示结构相同或结构相似但功能相同的部件。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

参照图1-5，本实施例提供一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机，其包括转子，转子包括转子铁芯1、石墨烯导条2和端环3，其中：转子铁芯1由硅钢冲片叠压而成，转子铁芯1设有贯穿两端的导条槽11；石墨烯导条2周向环绕预插于导条槽11；端环3浇铸成型于转子铁芯1的两端，端环3与石墨烯导条2熔融连接。

由此，先预制石墨烯导条2，然后将石墨烯导条2预插于导条槽11，将事先熔化好的铝液、铜液或其它熔融金属液注入模具，在转子铁芯1两端浇铸形成与石墨烯导条2端部熔融连接的端环3。由此，本实施例中石墨烯导条2事先预制形成，然后预插在转子铁芯1中，石墨烯导条2不需要进行离心浇铸或压力铸铝，转子加工时只需浇铸出端环3即可，降低浇铸难度和浇铸成本，改善了浇铸工艺，并且石墨烯导条2与端环3连接牢固，稳定全面，能够形成质量稳定的短路环，提高电机运行的稳定性。本实施例中石墨烯导条2预插前可以单独测导电率，不需要专门的仪器检测，检验成本低，并且质量稳定，不会存在断条、瘦条等导条缺陷。本实施例中石墨烯导条2的质量依据原材料质量而定，与操作者技术关系小，对操作者的操作经验要求不高，能够降低用人成本。本实施例中的石墨烯导条2长度可以任意定制，不受浇铸工艺限制，便于浇铸大功率转子。在一种实施例中，端环3的浇铸可以采用重力浇铸。

石墨烯导条2主要原材料为石墨烯与铝合金的混合材料，石墨烯是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料；石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa，而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量可大0.25TPa，石墨烯中自由电子几乎不受碳原子约束，因此电阻率很小，电阻很小，导电性能好，超过铜材和铝材，能够提高转子性能，提高电机性能。由于石墨烯导条2导电性能极佳，因此对端环3的导电性能要求不高，由此在本实施例中，端环3与石墨烯导条2的材质可以不同，可以综合各方面考虑端环3用料，在一种实施例中，端环3可以用容易流动的铝液浇铸而成，以此端环3的浇铸可以直接采用重力浇铸，还可以适当降低熔炼温度，降低能耗，减少生产成本，节约资源。

在一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种示例性实施例中，石墨烯导条2的长度＞转子铁芯1的长度，石墨烯导条2两端设有伸出转子铁芯1的外延段21。以此，石墨烯导条2伸出转子铁芯1，待端环3浇铸后，使得转子铁芯1、石墨烯导条2和端环3连接牢固稳定，提高转子质量，提高电机运行的稳定性，减少运行噪音。

在一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种示例性实施例中，石墨烯导条2两侧端部位置采用局部感应加热，通过加热转子铁芯向石墨烯导条2进行热传递，局部感应加热温度设置在550-650℃；端环3的浇铸熔液温度设置在690-780℃。

石墨烯导条2的熔点为660℃左右，在端环3浇铸之前，先将对应石墨烯导条2端部位置的部分转子铁芯1进行加热，转子铁芯1对内部预插的石墨烯导条2进行热传导，将石墨烯导条2端部的温度加热至接近熔点，浇铸端环3时，将加热好的端环3熔液注入模具中，端环3熔液与石墨烯导条2端部接触，可以将已经接近熔点的石墨烯导条2端部的温度升高至熔点以上，因此端环3熔液与石墨烯导条2端部熔合，形成一体，使得端环3与石墨烯导条2连接牢固紧密，提高转子质量，提高电机运行的稳定性，减少运行噪音。在一种具体的实施例中，可以将局部感应加热温度设置为550℃、575℃、600℃、625℃或650℃等温度，使预插于转子铁芯1中的石墨烯导条2的温度接近熔点，可以将端环3的浇铸溶液的温度设置为690℃、700℃、725℃、750℃或780℃等温度，使其能够快速提升石墨烯导条2的温度。

在一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种示例性实施例中，沿转子铁芯1的轴向，外延段21的长度在15mm以内。首先，端环3的厚度为15-30mm，外延段21的厚度不能超过端环3，第二，外延段21的长度太长时，会影响转子铁芯1对石墨烯导条2的热传导，导致石墨烯导条2温度过低，端部温度不能接近熔点，影响石墨烯导条2端部与端环3的熔合。由此，将外延段21的长度设置在15mm以内，可以是1mm、3mm、5mm、8mm、10mm、13mm或15mm等长度，既不会超过端环3厚度，也不会影响转子铁芯1对石墨烯导条2的热传导。

在一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种示例性实施例中，石墨烯导条2的长度≤转子铁芯1的长度。石墨烯导条2的长度还可以小于等于转子铁芯1的长度，由此，当石墨烯导条的长度＜所述转子铁芯的长度，石墨烯导条2预插于导条槽11后为凹进转子铁芯1中的状态，在进行端环3浇铸时，熔融金属液能够填满未被石墨烯导条2填满的导条槽11中，使得转子铁芯1、石墨烯导条2和端环3连接牢固稳定，提高转子质量，提高电机运行的稳定性，减少运行噪音。当石墨烯导条2的长度＝所述转子铁芯1的长度时，也不会影响端环与石墨烯导条2端部的熔融连接。

参照图2-3，作为一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种优选的实现方式，当石墨烯导条2的长度＜转子铁芯1的长度时，石墨烯导条2的端部距离导条槽的槽口之间形成内缩槽，内缩槽用于接收端环3的浇铸溶液，使端环3和石墨烯导条2的端部熔融连接于内缩槽。由此，在进行端环3浇铸时，熔融金属液能够填满内缩槽，使得转子铁芯1、石墨烯导条2和端环3连接牢固稳定，提高转子质量，提高电机运行的稳定性，减少运行噪音。

在一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种示例性实施例中，沿转子铁芯1的轴向，内缩槽的长度设置在20mm以内。转子铁芯1的长度通常为80-150mm，石墨烯导条2与转子铁芯1端部之间的距离过长，一方面会缩短石墨烯导条2的长度，影响导条的总体电导率，另一方面会增加端环3浇铸时熔融金属液的浇铸路径，影响浇铸效果，因此，将石墨烯导条2端部与转子铁芯1端部之间的距离设置为20mm以内，可以为1mm、3mm、5mm、6mm、10mm、12mm、15mm或20mm等任意长度，既不影响石墨烯导条2电导率，又便于浇铸端环3，使端环3、石墨烯导条2和转子铁芯1连接牢固稳定。

参照图4，在一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种示例性实施例中，外延段21经锻压形成墩头22。以此，将石墨烯导条2插入导条槽11，使两端伸出转子铁芯1后，对两端进行锻压，使得外延段21的位置形成墩头22，能够提高导条槽11的填充率，利于热传导，同时使得石墨烯导条2与转子铁芯1咬合更加牢固紧密，能够减少转子铁芯1转动时的噪音，还使得石墨烯导条2与转子铁芯1和端环3的连接牢固稳定，能够提高转子质量，提高电机运行稳定性，满足使用性能。

参照图4，在一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种示例性实施例中，镦头22锁定于导条槽11的槽口。由此，锻压后，沿转子铁芯1的轴向方向，石墨烯导条2与导条槽11过盈连接，提高了石墨烯导条2与转子铁芯1的连接性，提高石墨烯导条2在导条槽11中的稳定性，墩头22锁定于导条槽11的槽口可以进一步防止石墨烯导条2从转子铁芯1中脱出，提高转子的质量，提高电机运行的稳定性，满足使用性能。

参照图5,在一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种示例性实施例中，沿转子铁芯1的径向，石墨烯导条2的外轮廓尺寸由外向内递减。以此，首先，能够使得石墨烯导条2与转子铁芯1在各个方向均牢固连接，第二，在转子铁芯1的径向截面上，石墨烯导条2呈放射状由中心向外扩大，能够提高空间利用率，增大石墨烯导条2的数量和体积，有利于增大总电导率，提升电机性能。

在一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机的一种示例性实施例中，石墨烯导条2与转子铁芯1的轴向方向倾斜设置，倾斜角度范围为2°-15°。当石墨烯导条2与转子铁芯1轴向方向平行时，石墨烯导条2间断的切割磁感线，会导致电机运行不稳定，而本实施例将石墨烯导条2倾斜设置，使得石墨烯导条2能够连续性切割磁感线，可以保证电机运行稳定，减小电机运行噪音。在一种实施例中，可以根据电机需求将导条的倾斜角度设置为2°、3°、5°、8°、10°、14°或15°等角度。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机，其特征在于，包括转子，所述转子包括转子铁芯、石墨烯导条和端环，其中：

所述转子铁芯由硅钢冲片叠压而成，所述转子铁芯设有贯穿两端的导条槽；

所述石墨烯导条周向环绕预插于所述导条槽；所述端环浇铸成型于所述转子铁芯的两端，所述端环与所述石墨烯导条熔融连接；所述石墨烯导条的长度＜所述转子铁芯的长度，所述石墨烯导条的端部距离所述导条槽的槽口之间形成内缩槽，所述内缩槽用于接收所述端环的浇铸溶液，使所述端环和所述石墨烯导条的端部熔融连接于所述内缩槽。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯导条鼠笼型三相异步电机，其特征在于，沿所述转子铁芯的轴向，所述内缩槽的长度设置在20mm以内。

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