单相异步风扇电动机的转子冲片优化设计

单志友， 张国盛

（1.威灵（芜湖）电机制造有限公司，安徽 芜湖241009；2.芜湖市经济技术开发区知识产权局，安徽 芜湖241009）

单相异步风扇电动机，因其结构简单、价格低廉等优点，广泛应用在家用电器等场所；其转子一般采用带有斜槽的鼠笼转子结构。转子斜槽能够有效削弱齿谐波磁场所产生的谐波电动势，从而削弱由这些谐波磁场引起的附加转矩，改善起动性能，并降低电磁噪声。然而，采用轴向斜槽结构对电动机有以下影响：① 采用转子轴向斜槽结构时，转子铸铝导条沿轴向斜过一个角度，导致电动机内部磁场与直槽时相比发生明显变化并影响损耗；② 采用转子轴向斜槽结构时，会使得电动机内部合成磁场沿轴向分布不均匀，进而导致电动机的铁耗增加，且转子轴向斜槽结构对铁耗的影响程度会随着负载的增大而加剧；具体地，随着负载的增大，转子铁芯沿轴向的饱和程度也会加剧，从而使得转子铁芯的铁耗加剧；③ 由于是轴向斜槽结构，转子槽沿轴向是呈倾斜状态的，这样，会对转子铸铝导条的铸造成型产生一定的影响，使得铸造压力增大，从而容易产生气孔、断条等质量问题，严重影响了转子铸铝导条的铸造质量；④ 为了形成轴向斜槽结构，在转子冲片制作时，需要由模具内部的步进电动机驱动每个冲制完成的转子冲片旋转一定角度后进行叠压形成转子铁芯，即在转子铁芯的制造过程中需要专门设置扭斜槽工序，从而严重影响了转子铁芯的生产效率[1-17]。

1 解决方案

本文的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了转子冲片改进方案，解决了斜槽结构带来的问题；同时解决了转子槽采用闭口槽结构、不均匀分布方案所带来的技术问题。

1.1 转子冲片结构

本文采用的技术方案如图1、2所示。

（1）转子冲片，设有26个沿周向间隔设置的冲片槽，冲片槽都具有敞开的槽口和封闭的槽底，冲片槽的槽口中心线与冲片中心的径向直线之间，都存在一倾斜夹角A，且

式中，0.5≤n≤1.5；z为所述冲片本体上设有的所述冲片槽的数量。

在本文中，n＝0.5，z＝26，则

（2）冲片槽沿顺时针方向依序编号为第1，2，…，i，…，第z冲片槽，则第1冲片槽的槽中心线相对穿过该槽之槽口的径向直线所成的角为＋A，第2冲片槽的槽中心线相对穿过第1冲片槽之槽口的径向直线所成的角为-A，第i冲片槽的槽中心线相对穿过第1冲片槽之槽口的径向直线所成的角为-（2i-3）×A，其中，i≥3或i＝z。

图1 转子冲片结构示意图Fig.1 Rotor plate structure

图2 转子冲片局部放大结构示意图（mm）Fig.2 Rotor plate enlarged structure（mm）

第1冲片槽角度为6.923 2°，第2冲片槽角度为 -6.923 2°，第3冲片槽角度为 -20.769 3°，第4冲片槽角度为-34.615 5°，第5冲片槽角度为-48.461 6°，其余冲片槽角度可采用表达式-（2i-3）×A依次算出。

（3）冲片槽口具有左右相对设置的左槽口边缘和右槽口边缘，所述左槽口边缘的高度为（0.798 8±0.5）mm，所述右槽口边缘的高度为（0.698 6±0.5）mm。

（4）冲片槽槽肩宽度为（4.010 5±1）mm。

（5）冲片槽肩具有左右相对设置的左槽肩边缘和右槽肩边缘，左槽肩边缘的高度为（1.735 3±1）mm，右槽肩边缘的高度为（1.248 3±1）mm。

1.2 转子铁芯结构

本文的技术方案如图3所示。

图3 转子铁芯结构示意图Fig.3 Rotor core structure

（1）冲片设有4个扣楔，楔形状为矩形状。当将多个转子冲片叠压形成转子铁芯时，各相邻转子冲片之间可通过各扣楔卡扣连接，从而利于提高各转子冲片的结合可靠性。

（2）由各冲片槽连接形成的转子铁芯上的直槽结构，在采用转子冲片叠压形成转子铁芯时，不需进行扭斜槽工序（扭斜槽工序具体为由步进电动机驱动每个冲制完成的转子冲片旋转一定角度的工序），从而使得扣楔可设计为结构简单的方形结构，从而降低了扣楔的制造难度，并提高了各相邻转子冲片之间的相互结合力。

（3）由于转子槽为轴向直槽结构，取消扭斜槽工序，降低了转子铁芯的制造难度，提高了转子铁芯的生产效率；此外，由于其采用上述的转子冲片叠压而成的，故还利于降低定转子气隙磁密的谐波含量和转子铁芯的损耗；同时，还利于提高转子铁芯的生产质量可靠性和电动机的效率。

1.3 鼠笼转子结构

图4 鼠笼转子结构示意图Fig.4 Squirrel cage rotor structure

本文的技术方案如图4所示。鼠笼转子由铝材铸造成型，包括若干条分别设于各转子槽内的转子铸铝导条。转子铁芯可通过中空内孔套设安装于转轴上。鼠笼转子由于采用了上述的转子铁芯，一方面改善了鼠笼转子的磁密分布，降低了鼠笼转子的损耗；另一方面有效降低了鼠笼绕组的铸造难度，极大程度地减少了鼠笼铝环铸造过程中出现的气孔、断条等质量问题，从而提高了鼠笼转子的生产质量可靠性。

2 结 果

本文提出的转子冲片，通过将冲片槽设置为周向倾斜的周向斜槽，并使各冲片槽的槽中心线与穿过其槽口中心的径向直线形成的倾斜夹角A满足关系A＝n（360°／z），从而有效降低了定转子气隙磁密的谐波含量，削弱了由这些谐波磁场引起的附加转矩，改善了电动机的起动性能，降低了电磁噪声和转子的损耗，提高了电动机的效率。此外，由于冲片槽的槽口是敞开设置的，避免了叠压形成转子铁芯时转子冲片错片不容易被发现的现象，从而提高转子铁芯的生产质量可靠性；同时，各冲片槽沿周向是均匀分布的，避免了磁密分布不均匀的现象发生，提高了电动机的性能。

改进技术的转子冲片，与传统技术的转子冲片，通过在电动机电磁计算程序中，输入上述1.1节所述的相关数据，进行磁路计算分析及对比，得出如图5、图6所示的效率曲线图，由图可见，改进转子冲片电动机效率基本高于40%。

图5 转子冲片周向直槽效率曲线图Fig.5 Efficiency of rotor punching straight circumferential grooves

本文提出的转子冲片应用的电动机，经过大批量使用，电动机噪声改善效果良好。

负载特性及噪音测试条件及指标：电动机匹配负载为风扇，在环境温度25℃、额定电压和频率、环境空气静止条件下，驱动匹配负载稳定运行的功率应符合要求；在环境温度20～25℃时，电压分别为165、187、220、242和265V，负载整机应通过噪声主观评价。

图6 转子冲片周向斜槽效率曲线图Fig.6 Efficiency of rotor punching circumferential chute

空载、负载噪声平均降低2～3dB（A），效率平均提高3%～4%；噪声及效率对比数据如表1所示。

表1 不同转子冲片的电动机噪声、效率测试结果对比Tab.1 Comparison of motor noise and efficiency for different rotor punching

3 结 论

本文提出的转子冲片结构，解决了以下问题：

（1）鼠笼转子斜槽改为轴向直槽结构，这样，一方面可在鼠笼绕组的铸造过程中使得铝液的流动性更好，从而极大程度地减少了铸造过程中出现的气孔、断条等质量问题；

（2）由于其取消扭斜槽工序，故降低了转子铁芯的制造难度，提高了转子铁芯的生产效率；

（3）由于转子冲片还利于降低定转子气隙磁密的谐波含量和转子铁芯的损耗，提高了转子铁芯的生产质量可靠性和电动机的效率。

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