CN110829769B - 一种转子中间环结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子中间环结构及其设计方法，一种转子中间环结构，包括中间环本体，中间环本体的轴向高度为：l_IR∈(0,l_R/3]，式中：l_R是端环轴向高度。中间环本体的径向宽度为：b_IR∈[3b_t2/4,(D₂‑D₀+6b_t2)/8]；一种转子中间环结构的设计方法，包括以下步骤：确定中间环电密范围为J_IR＝(J_R‑J_B)；确定中间环电流幅值关系式，并得到转子等效电阻表达式；由已知的无中间环转子电机的导条电流估计中间环电流幅值，并得到中间环截面积的范围；选择最小等效电阻时的中间环参数。本发明在考虑转子铁心实际加工情况的基础上，确保中间环转子绕组各部分散热均匀，尽量减小转子绕组损耗。

Description

一种转子中间环结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及笼型感应电动机设计技术领域，特别是涉及一种转子中间环结构及其设计方法。

背景技术

传统的笼型转子绕组由导条和端环组成，在电机结构设计时应保证合适的导条面积和端环面积。对于普通的中小型电机的笼型铸铝转子，通常取导条电密J_B＝(2.0-4.5)A/mm²，端环电密范围J_R＝(0.45-0.8)J_B。为确保足够大的起动转矩，转子电阻需要足够大，即对应电密不能太小；同时如果转子电密太大，此时较大的转子电阻会增加额外的转子绕组损耗，且会降低电机额定运行时的转速。若转子绕组结构设计不当，导致笼型绕组各部分发热不均匀所引起的热应力，可能使导条产生裂纹甚至断裂。转子断条故障会使电机磁场发生畸变，造成电机多方面性能恶化，例如使电机输出转矩波动、产生附加电磁力引起电磁振动等。

中间环转子绕组由导条、端环和中间环组成，该转子绕组中的端环和导条设计方法同样要满足以上设计原则。但由于中间环处于转子绕组中间的特殊位置，中间环电流特性和散热条件与端环不同，设计方法有所差异，目前还缺少该中间环设计方法的研究。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种转子中间环结构及其设计方法，在考虑转子铁心实际加工情况的基础上，确保中间环转子绕组各部分散热均匀，尽量减小转子绕组损耗。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种转子中间环结构，包括中间环本体，中间环本体的轴向高度为：l_IR∈(0,l_R/3]，式中：l_R是端环轴向高度。中间环本体的径向宽度为：b_IR∈[3b_t2/4,(D₂-D₀+6b_t2)/8]，式中：b_t2为转子槽形高度，D₂为转子外圆直径，D₀为转子内圆直径。

一种转子中间环结构的设计方法包括如下步骤：

步骤一、计算对应电机采用单斜槽转子运行时的导条电密J_B和端环电密J_R，确定中间环电密范围为J_IR＝(J_R-J_B)。

步骤二、根据转子电流的空间分布特性，确定中间环电流幅值关系式，并得到转子等效电阻表达式。由已知的无中间环转子电机的导条电流估计中间环电流幅值，并得到中间环截面积的范围。

上下转子导条错开距离分别为b_st1和b_st2，对应的电角度分别为β₁＝pb_st1/R和β₂＝pb_st2/R，其中：p为电机极对数，R为转子半径，Z₂为转子槽数。转子齿距对应电角度为α＝p2π/Z₂，显然满足电角度关系式α＝β₁+β₂。

若导条错开距离不相等即b_st1≠b_st2，通过奇数次中间环电流I_IR(2n-1)和偶数次中间环电流I_IR(2n)相量运算，上侧导条电流相量I_BU和下侧导条电流相量I_BL分别表示为：

上侧端环电流相量为I_RU，下侧端环电流相量为I_RL，导条电流相量又可通过对应侧端环电流相量表示：

相邻两侧上下导条电流相量相减，即可得到奇数次中间环电流的表达式，同理可知偶数次中间环电流表达式。

假设该中间环转子为对称转子，即转子铁心轴向长度相等l₁＝l₂＝l，上下导条和端环截面积相等，则两端端环电流的幅值相等I_RU＝I_RL＝I_R，导条电流的幅值相等I_BU＝I_BL＝I_B，由于导条电流相量等于对应侧相邻端环电流相量差，故端环电流的幅值可表示为：

根据相邻端环电流的相量关系，中间环电流幅值分别表示为：

转子绕组中各部分电流幅值分量都可通过导条电流的幅值表示，转子等效电阻R₂消耗的焦耳损耗，等于转子绕组各部分消耗的焦耳损耗之和，该关系式可表示为：

其中：R_B是导条电阻，Z₂是转子槽数，R_R是相邻导条之间的端环段电阻，中间环错开距离b_st1和b_st2对应的中间环电阻分别为R_IR1和R_IR2，若转子齿距范围内的中环电阻为R_IR，显然满足中间环电阻关系式R_IR1+R_IR2＝R_IR。

当转子绕组采用相同的导电材料时，转子等效电阻可化简为：

其中：ρ_w是转子绕组的电阻率，l_B为导条等效长度，D_R，D_IR分别为端环和中间环平均直径，A_B，A_R和A_IR分别为导条、端环和中间环的截面积，其中，中间环截面积等于中间环轴向高度与径向宽度之积A_IR＝l_IR×b_IR，t₂是转子齿距，Z₂是转子槽数，b_st1和b_st2为上下转子导条错开距离。

步骤三、在径向宽度范围内取若干数值点，由截面积范围分别确定各自的轴向高度范围，计算等效转子电阻的阻值，选择最小等效电阻时的中间环参数。

本发明的有益效果在于：

1)本发明填补了转子中间环设计方法的空白，既考虑机械加工工艺又符合电机设计原则；

2)本发明保证中间环合适的电流密度，转子绕组散热分布均匀；

3)本发明保证中间环合适的轴向高度，轴向高度过小增加内部铁心加工难度，铝液难以充分注满中间环；轴向高度过大会降低等效铁心长度，易使中间环附近铁心在叠压过程中扭曲变形；

4)在满足转子绕组各部分散热均匀的前提上，降低转子等效电阻从而减小电机运行的绕组损耗。

附图说明

图1为本发明中的中间环转子绕组的结构示意图；

图2为本发明中的中间环转子绕组的阻抗网络示意图；

图3为本发明中的转子中间环的结构示意图；

图4为本发明中的中间环转子绕组各部分的结构示意图；

图5为本发明中的中间环转子铁心各部分的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

如图3所示的一种转子中间环结构，包括中间环本体，中间环本体的轴向高度为：l_IR∈(0,l_R/3]，式中：l_R是端环轴向高度。中间环本体的径向宽度为：b_IR∈[3b_t2/4,(D₂-D₀+6b_t2)/8]，式中：b_t2为转子槽形高度，D₂为转子外圆直径，D₀为转子内圆直径。

一种转子中间环结构的设计方法，包括如下步骤：

步骤一、计算对应电机采用无中环转子运行时的导条电密和端环电密，确定中间环电密范围为J_IR＝(J_R-J_B)。

表1为一台25kW的四极电机主要参数

额定电压(V)	230
		额定频率(Hz)	118
定子外径(mm)	260
		定子内径(mm)	170
转子内径(mm)	60
		每槽导体数	16
端环厚度(mm)	13.5
		端环平均外径(mm)	134
转子总槽高(mm)	25

表1

表2为电机采用无中环转子满载运行时的电机性能

表2

当该电机采用传统笼型转子运行时，导条电密J_B＝2.89A/mm²，端环电密J_R＝2.21A/mm²，符合电机设计的电密范围。当对应电机转子类型为中间环转子时，设计的中间环电密范围J_IR＝(2.21-2.89)A/mm²。

步骤二、根据转子电流的空间分布特性，确定中间环电流幅值关系式，并得到转子等效电阻表达式。由已知的无中间环转子电机的导条电流估计中间环电流幅值，并得到中间环截面积的范围。

如图1中间环转子绕组的结构示意图，上下转子导条错开距离分别为b_st1和b_st2，对应的电角度分别为β₁＝pb_st1/R和β₂＝pb_st2/R，其中：p为电机极对数，R为转子半径，Z₂为转子槽数。转子齿距对应电角度为α＝p2π/Z₂，显然满足电角度关系式α＝β₁+β₂。

如图2中间环转子绕组的阻抗网络图，若导条错开距离不相等即b_st1≠b_st2，通过奇数次中间环电流I_IR(2n-1)和偶数次中间环电流I_IR(2n)相量运算，上侧导条电流相量I_BU和下侧导条电流相量I_BL分别表示为：

上侧端环电流相量为I_RU，下侧端环电流相量为I_RL，导条电流相量又可通过对应侧端环电流相量表示：

相邻两侧上下导条电流相量相减，即可得到奇数次中间环电流的表达式，同理可知偶数次中间环电流表达式。

假设该中间环转子为对称转子，即转子铁心轴向长度相等l₁＝l₂＝l，上下导条和端环截面积相等，则两端端环电流的幅值相等I_RU＝I_RL＝I_R，导条电流的幅值相等I_BU＝I_BL＝I_B，由于导条电流相量等于对应侧相邻端环电流相量差，故端环电流的幅值可表示为：

根据相邻端环电流的相量关系，中间环奇数次和偶数次电流幅值关系式分别为：

中间环转子的等效转子电阻表达式为：

假设此时中间环转子的错开距离b_st1＝b_st1＝t₂/2，故对应的电角度β₁＝β₂＝α/2，奇次和偶次中间环电流幅值相等约为155.78A，中间环截面积范围为(53.9-70.5)mm²。

步骤三、在径向宽度范围内取若干数值点，由截面积范围分别确定各自的轴向高度范围，计算等效转子电阻的阻值，选择最小等效电阻时的中间环参数。

中间环径向宽度范围约为19-31mm，以2mm为间隔取若干数值点，根据中间环截面积范围，分别得到每个径向宽度时的轴向高度范围，求取对应情况时等效转子电阻的数值。

表3为中间环转子绕组的等效转子电阻数值表，其中，中间环的径向宽度和轴向高度单位为mm，电阻单位为10^-5Ω。

表3

通过计算发现，转子等效电阻值最小值为7.45×10^-5Ω，且存在多种中间环设计组合可以达到该最小值。显然当中间环电密越小，即此时电流流通截面积较大，则转子等效电阻值越小。根据电机应用和实际加工工艺情况，合理选择中间环设计参数，若转子内径较小时，可选择径向宽度为19mm且轴向高度为3.7mm，以避免转子铁心叠压变形；若铁心长度较小时，可选择径向宽度为31mm且轴向高度为2.2mm，从而避免降低输出转矩。

如图4-5所示，本方法设计的中间环应用在转子绕组、转子铁心上。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种转子中间环结构，其特征在于，包括中间环本体，中间环本体的轴向高度为：

，式中的

是端环轴向高度；

中间环本体的径向宽度为：

，式中的

为转子槽形高度、

为转子外圆直径、

为转子内圆直径。

2.根据权利要求1所述的转子中间环结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、计算对应电机采用单斜槽转子运行时的导条电密

和端环电密

，确定中间环电密范围为

；

步骤二、根据转子电流的空间分布特性，确定中间环电流幅值关系式，中间环奇数次和偶数次电流幅值关系式分别为：

、

式中：

为上转子导条错开的距离，

为下转子导条错开的距离，

为端环电流的幅值，R为转子半径，p为电机极对数；

端环电流的幅值为：

式中：α为转子齿距对应电角度且

，

为导条电流的幅值；

根据步骤一中的中间环电密范围和步骤二中确定的中间环电流幅值进而确定中间环截面积范围；

确定转子等效电阻表达式：

式中：

为转子绕组的电阻率，

为导条等效长度，

分别为端环和中间环平均直径，

和

分别为导条、端环和中间环的截面积，

为转子齿距，

为转子槽数；

步骤三、在中间环本体的径向宽度范围内取若干数值点，由中间环截面积分别确定各自的中间环本体的轴向高度范围，计算转子等效电阻的阻值，选择最小转子等效电阻时的中间环参数；

步骤二中中间环截面积为：

，式中：

为中间环本体的轴向高度，

为中间环本体的径向宽度。

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