單相異步風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子沖片優(yōu)化設(shè)計(jì)

單志友， 張國盛

（1.威靈（蕪湖）電機(jī)制造有限公司，安徽 蕪湖241009；2.蕪湖市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，安徽 蕪湖241009）

單相異步風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)，因其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在家用電器等場(chǎng)所；其轉(zhuǎn)子一般采用帶有斜槽的鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子斜槽能夠有效削弱齒諧波磁場(chǎng)所產(chǎn)生的諧波電動(dòng)勢(shì)，從而削弱由這些諧波磁場(chǎng)引起的附加轉(zhuǎn)矩，改善起動(dòng)性能，并降低電磁噪聲。然而，采用軸向斜槽結(jié)構(gòu)對(duì)電動(dòng)機(jī)有以下影響：① 采用轉(zhuǎn)子軸向斜槽結(jié)構(gòu)時(shí)，轉(zhuǎn)子鑄鋁導(dǎo)條沿軸向斜過一個(gè)角度，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)與直槽時(shí)相比發(fā)生明顯變化并影響損耗；② 采用轉(zhuǎn)子軸向斜槽結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)使得電動(dòng)機(jī)內(nèi)部合成磁場(chǎng)沿軸向分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的鐵耗增加，且轉(zhuǎn)子軸向斜槽結(jié)構(gòu)對(duì)鐵耗的影響程度會(huì)隨著負(fù)載的增大而加??；具體地，隨著負(fù)載的增大，轉(zhuǎn)子鐵芯沿軸向的飽和程度也會(huì)加劇，從而使得轉(zhuǎn)子鐵芯的鐵耗加劇；③ 由于是軸向斜槽結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子槽沿軸向是呈傾斜狀態(tài)的，這樣，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子鑄鋁導(dǎo)條的鑄造成型產(chǎn)生一定的影響，使得鑄造壓力增大，從而容易產(chǎn)生氣孔、斷條等質(zhì)量問題，嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)子鑄鋁導(dǎo)條的鑄造質(zhì)量；④ 為了形成軸向斜槽結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子沖片制作時(shí)，需要由模具內(nèi)部的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)每個(gè)沖制完成的轉(zhuǎn)子沖片旋轉(zhuǎn)一定角度后進(jìn)行疊壓形成轉(zhuǎn)子鐵芯，即在轉(zhuǎn)子鐵芯的制造過程中需要專門設(shè)置扭斜槽工序，從而嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)子鐵芯的生產(chǎn)效率[1-17]。

1 解決方案

本文的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了轉(zhuǎn)子沖片改進(jìn)方案，解決了斜槽結(jié)構(gòu)帶來的問題；同時(shí)解決了轉(zhuǎn)子槽采用閉口槽結(jié)構(gòu)、不均勻分布方案所帶來的技術(shù)問題。

1.1 轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)

本文采用的技術(shù)方案如圖1、2所示。

（1）轉(zhuǎn)子沖片，設(shè)有26個(gè)沿周向間隔設(shè)置的沖片槽，沖片槽都具有敞開的槽口和封閉的槽底，沖片槽的槽口中心線與沖片中心的徑向直線之間，都存在一傾斜夾角A，且

式中，0.5≤n≤1.5；z為所述沖片本體上設(shè)有的所述沖片槽的數(shù)量。

在本文中，n＝0.5，z＝26，則

（2）沖片槽沿順時(shí)針方向依序編號(hào)為第1，2，…，i，…，第z沖片槽，則第1沖片槽的槽中心線相對(duì)穿過該槽之槽口的徑向直線所成的角為＋A，第2沖片槽的槽中心線相對(duì)穿過第1沖片槽之槽口的徑向直線所成的角為-A，第i沖片槽的槽中心線相對(duì)穿過第1沖片槽之槽口的徑向直線所成的角為-（2i-3）×A，其中，i≥3或i＝z。

圖1 轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Rotor plate structure

圖2 轉(zhuǎn)子沖片局部放大結(jié)構(gòu)示意圖（mm）Fig.2 Rotor plate enlarged structure（mm）

第1沖片槽角度為6.923 2°，第2沖片槽角度為 -6.923 2°，第3沖片槽角度為 -20.769 3°，第4沖片槽角度為-34.615 5°，第5沖片槽角度為-48.461 6°，其余沖片槽角度可采用表達(dá)式-（2i-3）×A依次算出。

（3）沖片槽口具有左右相對(duì)設(shè)置的左槽口邊緣和右槽口邊緣，所述左槽口邊緣的高度為（0.798 8±0.5）mm，所述右槽口邊緣的高度為（0.698 6±0.5）mm。

（4）沖片槽槽肩寬度為（4.010 5±1）mm。

（5）沖片槽肩具有左右相對(duì)設(shè)置的左槽肩邊緣和右槽肩邊緣，左槽肩邊緣的高度為（1.735 3±1）mm，右槽肩邊緣的高度為（1.248 3±1）mm。

1.2 轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)

本文的技術(shù)方案如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Rotor core structure

（1）沖片設(shè)有4個(gè)扣楔，楔形狀為矩形狀。當(dāng)將多個(gè)轉(zhuǎn)子沖片疊壓形成轉(zhuǎn)子鐵芯時(shí)，各相鄰轉(zhuǎn)子沖片之間可通過各扣楔卡扣連接，從而利于提高各轉(zhuǎn)子沖片的結(jié)合可靠性。

（2）由各沖片槽連接形成的轉(zhuǎn)子鐵芯上的直槽結(jié)構(gòu)，在采用轉(zhuǎn)子沖片疊壓形成轉(zhuǎn)子鐵芯時(shí)，不需進(jìn)行扭斜槽工序（扭斜槽工序具體為由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)每個(gè)沖制完成的轉(zhuǎn)子沖片旋轉(zhuǎn)一定角度的工序），從而使得扣楔可設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)簡單的方形結(jié)構(gòu)，從而降低了扣楔的制造難度，并提高了各相鄰轉(zhuǎn)子沖片之間的相互結(jié)合力。

（3）由于轉(zhuǎn)子槽為軸向直槽結(jié)構(gòu)，取消扭斜槽工序，降低了轉(zhuǎn)子鐵芯的制造難度，提高了轉(zhuǎn)子鐵芯的生產(chǎn)效率；此外，由于其采用上述的轉(zhuǎn)子沖片疊壓而成的，故還利于降低定轉(zhuǎn)子氣隙磁密的諧波含量和轉(zhuǎn)子鐵芯的損耗；同時(shí)，還利于提高轉(zhuǎn)子鐵芯的生產(chǎn)質(zhì)量可靠性和電動(dòng)機(jī)的效率。

1.3 鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖4 鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Squirrel cage rotor structure

本文的技術(shù)方案如圖4所示。鼠籠轉(zhuǎn)子由鋁材鑄造成型，包括若干條分別設(shè)于各轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的轉(zhuǎn)子鑄鋁導(dǎo)條。轉(zhuǎn)子鐵芯可通過中空內(nèi)孔套設(shè)安裝于轉(zhuǎn)軸上。鼠籠轉(zhuǎn)子由于采用了上述的轉(zhuǎn)子鐵芯，一方面改善了鼠籠轉(zhuǎn)子的磁密分布，降低了鼠籠轉(zhuǎn)子的損耗；另一方面有效降低了鼠籠繞組的鑄造難度，極大程度地減少了鼠籠鋁環(huán)鑄造過程中出現(xiàn)的氣孔、斷條等質(zhì)量問題，從而提高了鼠籠轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)質(zhì)量可靠性。

2 結(jié) 果

本文提出的轉(zhuǎn)子沖片，通過將沖片槽設(shè)置為周向傾斜的周向斜槽，并使各沖片槽的槽中心線與穿過其槽口中心的徑向直線形成的傾斜夾角A滿足關(guān)系A(chǔ)＝n（360°／z），從而有效降低了定轉(zhuǎn)子氣隙磁密的諧波含量，削弱了由這些諧波磁場(chǎng)引起的附加轉(zhuǎn)矩，改善了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，降低了電磁噪聲和轉(zhuǎn)子的損耗，提高了電動(dòng)機(jī)的效率。此外，由于沖片槽的槽口是敞開設(shè)置的，避免了疊壓形成轉(zhuǎn)子鐵芯時(shí)轉(zhuǎn)子沖片錯(cuò)片不容易被發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，從而提高轉(zhuǎn)子鐵芯的生產(chǎn)質(zhì)量可靠性；同時(shí)，各沖片槽沿周向是均勻分布的，避免了磁密分布不均勻的現(xiàn)象發(fā)生，提高了電動(dòng)機(jī)的性能。

改進(jìn)技術(shù)的轉(zhuǎn)子沖片，與傳統(tǒng)技術(shù)的轉(zhuǎn)子沖片，通過在電動(dòng)機(jī)電磁計(jì)算程序中，輸入上述1.1節(jié)所述的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行磁路計(jì)算分析及對(duì)比，得出如圖5、圖6所示的效率曲線圖，由圖可見，改進(jìn)轉(zhuǎn)子沖片電動(dòng)機(jī)效率基本高于40%。

圖5 轉(zhuǎn)子沖片周向直槽效率曲線圖Fig.5 Efficiency of rotor punching straight circumferential grooves

本文提出的轉(zhuǎn)子沖片應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過大批量使用，電動(dòng)機(jī)噪聲改善效果良好。

負(fù)載特性及噪音測(cè)試條件及指標(biāo)：電動(dòng)機(jī)匹配負(fù)載為風(fēng)扇，在環(huán)境溫度25℃、額定電壓和頻率、環(huán)境空氣靜止條件下，驅(qū)動(dòng)匹配負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行的功率應(yīng)符合要求；在環(huán)境溫度20～25℃時(shí)，電壓分別為165、187、220、242和265V，負(fù)載整機(jī)應(yīng)通過噪聲主觀評(píng)價(jià)。

圖6 轉(zhuǎn)子沖片周向斜槽效率曲線圖Fig.6 Efficiency of rotor punching circumferential chute

空載、負(fù)載噪聲平均降低2～3dB（A），效率平均提高3%～4%；噪聲及效率對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同轉(zhuǎn)子沖片的電動(dòng)機(jī)噪聲、效率測(cè)試結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of motor noise and efficiency for different rotor punching

3 結(jié) 論

本文提出的轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)，解決了以下問題：

（1）鼠籠轉(zhuǎn)子斜槽改為軸向直槽結(jié)構(gòu)，這樣，一方面可在鼠籠繞組的鑄造過程中使得鋁液的流動(dòng)性更好，從而極大程度地減少了鑄造過程中出現(xiàn)的氣孔、斷條等質(zhì)量問題；

（2）由于其取消扭斜槽工序，故降低了轉(zhuǎn)子鐵芯的制造難度，提高了轉(zhuǎn)子鐵芯的生產(chǎn)效率；

（3）由于轉(zhuǎn)子沖片還利于降低定轉(zhuǎn)子氣隙磁密的諧波含量和轉(zhuǎn)子鐵芯的損耗，提高了轉(zhuǎn)子鐵芯的生產(chǎn)質(zhì)量可靠性和電動(dòng)機(jī)的效率。

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