單相異步風扇電動機的轉子沖片優化設計

單志友， 張國盛

（1.威靈（蕪湖）電機制造有限公司，安徽 蕪湖241009；2.蕪湖市經濟技術開發區知識產權局，安徽 蕪湖241009）

單相異步風扇電動機，因其結構簡單、價格低廉等優點，廣泛應用在家用電器等場所；其轉子一般采用帶有斜槽的鼠籠轉子結構。轉子斜槽能夠有效削弱齒諧波磁場所產生的諧波電動勢，從而削弱由這些諧波磁場引起的附加轉矩，改善起動性能，并降低電磁噪聲。然而，采用軸向斜槽結構對電動機有以下影響：① 采用轉子軸向斜槽結構時，轉子鑄鋁導條沿軸向斜過一個角度，導致電動機內部磁場與直槽時相比發生明顯變化并影響損耗；② 采用轉子軸向斜槽結構時，會使得電動機內部合成磁場沿軸向分布不均勻，進而導致電動機的鐵耗增加，且轉子軸向斜槽結構對鐵耗的影響程度會隨著負載的增大而加劇；具體地，隨著負載的增大，轉子鐵芯沿軸向的飽和程度也會加劇，從而使得轉子鐵芯的鐵耗加劇；③ 由于是軸向斜槽結構，轉子槽沿軸向是呈傾斜狀態的，這樣，會對轉子鑄鋁導條的鑄造成型產生一定的影響，使得鑄造壓力增大，從而容易產生氣孔、斷條等質量問題，嚴重影響了轉子鑄鋁導條的鑄造質量；④ 為了形成軸向斜槽結構，在轉子沖片制作時，需要由模具內部的步進電動機驅動每個沖制完成的轉子沖片旋轉一定角度后進行疊壓形成轉子鐵芯，即在轉子鐵芯的制造過程中需要專門設置扭斜槽工序，從而嚴重影響了轉子鐵芯的生產效率[1-17]。

1 解決方案

本文的目的在于克服上述現有技術的不足，提供了轉子沖片改進方案，解決了斜槽結構帶來的問題；同時解決了轉子槽采用閉口槽結構、不均勻分布方案所帶來的技術問題。

1.1 轉子沖片結構

本文采用的技術方案如圖1、2所示。

（1）轉子沖片，設有26個沿周向間隔設置的沖片槽，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有的所述沖片槽的數量。

在本文中，n＝0.5，z＝26，則

（2）沖片槽沿順時針方向依序編號為第1，2，…，i，…，第z沖片槽，則第1沖片槽的槽中心線相對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 轉子沖片結構示意圖Fig.1 Rotor plate structure

圖2 轉子沖片局部放大結構示意圖（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式-（2i-3）×A依次算出。

（3）沖片槽口具有左右相對設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設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 轉子鐵芯結構

本文的技術方案如圖3所示。

圖3 轉子鐵芯結構示意圖Fig.3 Rotor core structure

（1）沖片設有4個扣楔，楔形狀為矩形狀。當將多個轉子沖片疊壓形成轉子鐵芯時，各相鄰轉子沖片之間可通過各扣楔卡扣連接，從而利于提高各轉子沖片的結合可靠性。

（2）由各沖片槽連接形成的轉子鐵芯上的直槽結構，在采用轉子沖片疊壓形成轉子鐵芯時，不需進行扭斜槽工序（扭斜槽工序具體為由步進電動機驅動每個沖制完成的轉子沖片旋轉一定角度的工序），從而使得扣楔可設計為結構簡單的方形結構，從而降低了扣楔的制造難度，并提高了各相鄰轉子沖片之間的相互結合力。

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

1.3 鼠籠轉子結構

圖4 鼠籠轉子結構示意圖Fig.4 Squirrel cage rotor structure

本文的技術方案如圖4所示。鼠籠轉子由鋁材鑄造成型，包括若干條分別設于各轉子槽內的轉子鑄鋁導條。轉子鐵芯可通過中空內孔套設安裝于轉軸上。鼠籠轉子由于采用了上述的轉子鐵芯，一方面改善了鼠籠轉子的磁密分布，降低了鼠籠轉子的損耗；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鑄造過程中出現的氣孔、斷條等質量問題，從而提高了鼠籠轉子的生產質量可靠性。

2 結 果

本文提出的轉子沖片，通過將沖片槽設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滿足關系A＝n（360°／z），從而有效降低了定轉子氣隙磁密的諧波含量，削弱了由這些諧波磁場引起的附加轉矩，改善了電動機的起動性能，降低了電磁噪聲和轉子的損耗，提高了電動機的效率。此外，由于沖片槽的槽口是敞開設置的，避免了疊壓形成轉子鐵芯時轉子沖片錯片不容易被發現的現象，從而提高轉子鐵芯的生產質量可靠性；同時，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象發生，提高了電動機的性能。

改進技術的轉子沖片，與傳統技術的轉子沖片，通過在電動機電磁計算程序中，輸入上述1.1節所述的相關數據，進行磁路計算分析及對比，得出如圖5、圖6所示的效率曲線圖，由圖可見，改進轉子沖片電動機效率基本高于40%。

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

本文提出的轉子沖片應用的電動機，經過大批量使用，電動機噪聲改善效果良好。

負載特性及噪音測試條件及指標：電動機匹配負載為風扇，在環境溫度25℃、額定電壓和頻率、環境空氣靜止條件下，驅動匹配負載穩定運行的功率應符合要求；在環境溫度20～25℃時，電壓分別為165、187、220、242和265V，負載整機應通過噪聲主觀評價。

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

空載、負載噪聲平均降低2～3dB（A），效率平均提高3%～4%；噪聲及效率對比數據如表1所示。

表1 不同轉子沖片的電動機噪聲、效率測試結果對比Tab.1 Comparison of motor noise and efficiency for different rotor punching

3 結 論

本文提出的轉子沖片結構，解決了以下問題：

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

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

（3）由于轉子沖片還利于降低定轉子氣隙磁密的諧波含量和轉子鐵芯的損耗，提高了轉子鐵芯的生產質量可靠性和電動機的效率。

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