淺談高速變頻異步電動機的設(shè)計

劉慶

摘 要：變頻器供電對電機運行性能有巨大的影響，這使其與普通的三相異步電動機在設(shè)計方面有較大的差別，而高速運行更是使電機結(jié)構(gòu)面臨挑戰(zhàn)，這也就需要從電機本體出發(fā)，對電機的設(shè)計特點和難點進行系列、全面的研究，對電機進行合理設(shè)計和整體的優(yōu)化，最終研制出一個性能可靠、優(yōu)越的高速異步電機。該文作者即結(jié)合個人多年從事電動機的實踐設(shè)計經(jīng)驗，對高速變頻異步電動機的研發(fā)與設(shè)計進行粗淺的探討，以期希望能夠為廣大同行的設(shè)計工作做出有益的參考。

關(guān)鍵詞：高速變頻異步電動機 電磁設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TM344 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（b）-0037-01

1 高速變頻異步電動機的項目研究背景

據(jù)統(tǒng)計，全國風機、水泵電動機裝機耗電量約占全國電力消耗總量的40%左右。目前風機和水泵大都采用定速驅(qū)動，都存在嚴重的節(jié)流損耗。由于風機、水泵的功耗和轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當轉(zhuǎn)速下降時，風機、水泵的能耗下降非?？欤梢娮兯衮?qū)動有相當明顯的節(jié)能效果。而通過節(jié)能案例的實際計算，可以發(fā)現(xiàn)變頻節(jié)電率高達48.3%。所以，研究與開發(fā)高速變頻異步電機，做好高速變頻異步電動機的設(shè)計工作具有十分重要的現(xiàn)實意義，其也是順應(yīng)綠色節(jié)能發(fā)展大潮發(fā)展趨勢的重要體現(xiàn)。

2 高速變頻異步電動機的設(shè)計

2.1 高速變頻異步電動機的電磁設(shè)計

變頻驅(qū)動的異步電機運行狀態(tài)與普通三相異步電機有很大的不同。因此，在實際設(shè)計中，也與普通異步電機有較大的差別，應(yīng)格外注意以下幾點。

（1）線圈接法。普通異步電機常采用△接法，由于變頻器供電與普通電網(wǎng)三相正弦電源不同，SVPWM調(diào)制下產(chǎn)生大量的諧波，加劇了環(huán)流，增加了電機損耗。仿真計算Y接電流諧波為3.63%，而△接的電流諧波為5.32%。由此可見在變頻器供電時采用Y接更有利于減少諧波，減少環(huán)流，降低由諧波、環(huán)流引起的損耗。

（2）轉(zhuǎn)子槽型。變頻電動機不需要對起動性能作特別的考慮。因此，轉(zhuǎn)子槽特不必設(shè)計成深槽。而為了降低高次諧波的集膚效應(yīng)，轉(zhuǎn)子槽型在總體設(shè)計上，應(yīng)該為上寬下窄。可以說，將普通異步電機設(shè)計成斜槽，是為了削弱定轉(zhuǎn)子的齒諧波磁場及其引起的諧波轉(zhuǎn)矩、附加損耗和電磁噪聲。然而變頻電機中這些問題主要是由各次諧波的作用產(chǎn)生，斜槽此時幾乎無濟于事，反而造成漏磁增加。所以，為了避免由于扭斜漏磁通產(chǎn)生的諧波損耗，通常轉(zhuǎn)子不采用斜槽。實驗證明，大中型電動機轉(zhuǎn)子直槽損耗比斜槽要小得多，對于500kW以上且長度較長的電動機采用斜一個定子槽距會在籠條之間產(chǎn)生較大的橫向電流。

2.2 高速變頻異步電動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

以下是作者采用Ansys有限元分析對高速變頻異步電動機的溫度場與軸強度進行計算，以此希望進一步詮釋與分析電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（1）電機溫度場計算。在高頻電源下，鐵損較大，采用新硅鋼片材料DW350取代原有的DR510以降低鐵耗。新轉(zhuǎn)子槽型不是深槽，所以有足夠空間開軸向通風孔，不過由于端環(huán)依然采用原有模具，妨礙了轉(zhuǎn)子開通風孔。冷卻采用變頻電機常用的外置風扇也就是獨立風機。如若我們針對已有測試結(jié)果電機Y280-2-90進行建模，運用Ansys進行溫度場分析。為了避免損耗計算本身帶來的誤差，仿真時所施加損耗采用試驗所得損耗。從計算結(jié)果可見，電機繞組溫度約為95°，試驗結(jié)果為106°，相差11°，誤差為10.4% 。

（2）對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的計算。臨界轉(zhuǎn)速的計算采用目前佳電常用的程序，計算結(jié)果為10693rpm，倍數(shù)為1.5647，擾度為 0.9754，滿足電機6800rpm的轉(zhuǎn)速要求。第二種方法通過哈理工的轉(zhuǎn)軸臨界轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)反推軸承的支撐剛度，然后將其帶入傳遞矩陣法計算程序中，來計算高速電機的臨界轉(zhuǎn)速。一階臨界轉(zhuǎn)速為12939rpm，同樣滿足電機的轉(zhuǎn)速要求。

（3）軸的強度計算。對軸強度的計算普遍采取兩種方法。第一種方法采用的是機械設(shè)計手冊第3卷第3章軸的強度，計算最小直徑處的剪切應(yīng)力，材料為45#鋼，這里取30～40。根據(jù)設(shè)計dmin取65mm，不難推出剪切應(yīng)力的安全系數(shù)S為7～10，完全滿足安全要求。第二種方法用Ansys有限元計算。采用轉(zhuǎn)子重力（88.4kg=884N）加載、軸的自重加載和扭矩（225Nm）及轉(zhuǎn)動角速（6800rpm=712rad/s）。如分析結(jié)果圖所示。最大變形出現(xiàn)在中間底部，約4.7195mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸承支承位置，約4.4112MPa。Ansys計算時采用了真實軸計算，而公式計算則采用了最小軸徑進行計算，根據(jù)公式計算及ansys軟件分析，結(jié)果均表明軸的強度滿足要求。

3 結(jié)語

該文作者參考相關(guān)文獻與實際案例，結(jié)合自身的實踐工作經(jīng)驗對高速變頻異步電動機設(shè)計進行粗淺的探討，并突破傳統(tǒng)異步電機的設(shè)計思緒，對電機的設(shè)計因素和電磁方案進行了深入的比較和優(yōu)化，同時還進行了電機變頻驅(qū)動的仿真，旨在打破電機與控制之間的孤立關(guān)系。也希望通過本文筆者對高速變頻異步電動機的設(shè)計，能夠為廣大同行更加完整、清晰的詮釋高速變頻電機的設(shè)計過程和方法，進而能夠在高速變頻異步電動機的設(shè)計中不斷的力求創(chuàng)新與突破。

參考文獻

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