淺談高速變頻異步電動機的設計

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計方面有較大的差別，而高速運行更是使電機結構面臨挑戰，這也就需要從電機本體出發，對電機的設計特點和難點進行系列、全面的研究，對電機進行合理設計和整體的優化，最終研制出一個性能可靠、優越的高速異步電機。該文作者即結合個人多年從事電動機的實踐設計經驗，對高速變頻異步電動機的研發與設計進行粗淺的探討，以期希望能夠為廣大同行的設計工作做出有益的參考。

關鍵詞：高速變頻異步電動機 電磁設計 結構設計

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

據統計，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動，都存在嚴重的節流損耗。由于風機、水泵的功耗和轉速的三次方成正比，當轉速下降時，風機、水泵的能耗下降非常快，可見變速驅動有相當明顯的節能效果。而通過節能案例的實際計算，可以發現變頻節電率高達48.3%。所以，研究與開發高速變頻異步電機，做好高速變頻異步電動機的設計工作具有十分重要的現實意義，其也是順應綠色節能發展大潮發展趨勢的重要體現。

2 高速變頻異步電動機的設計

2.1 高速變頻異步電動機的電磁設計

變頻驅動的異步電機運行狀態與普通三相異步電機有很大的不同。因此，在實際設計中，也與普通異步電機有較大的差別，應格外注意以下幾點。

（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三相正弦電源不同，SVPWM調制下產生大量的諧波，加劇了環流，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，減少環流，降低由諧波、環流引起的損耗。

（2）轉子槽型。變頻電動機不需要對起動性能作特別的考慮。因此，轉子槽特不必設計成深槽。而為了降低高次諧波的集膚效應，轉子槽型在總體設計上，應該為上寬下窄。可以說，將普通異步電機設計成斜槽，是為了削弱定轉子的齒諧波磁場及其引起的諧波轉矩、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生的諧波損耗，通常轉子不采用斜槽。實驗證明，大中型電動機轉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生較大的橫向電流。

2.2 高速變頻異步電動機的結構設計

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構設計。

（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，不過由于端環依然采用原有模具，妨礙了轉子開通風孔。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。從計算結果可見，電機繞組溫度約為95°，試驗結果為106°，相差11°，誤差為10.4% 。

（2）對轉子臨界轉速的計算。臨界轉速的計算采用目前佳電常用的程序，計算結果為10693rpm，倍數為1.5647，擾度為 0.9754，滿足電機6800rpm的轉速要求。第二種方法通過哈理工的轉軸臨界轉速數據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速。一階臨界轉速為12939rpm，同樣滿足電機的轉速要求。

（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計手冊第3卷第3章軸的強度，計算最小直徑處的剪切應力，材料為45#鋼，這里取30～40。根據設計dmin取65mm，不難推出剪切應力的安全系數S為7～10，完全滿足安全要求。第二種方法用Ansys有限元計算。采用轉子重力（88.4kg=884N）加載、軸的自重加載和扭矩（225Nm）及轉動角速（6800rpm=712rad/s）。如分析結果圖所示。最大變形出現在中間底部，約4.7195mm，最大應力出現在軸承支承位置，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，根據公式計算及ansys軟件分析，結果均表明軸的強度滿足要求。

3 結語

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

參考文獻

[1] 傅豐禮，唐孝鎬.異步電動機設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2] 戴文進，等.特種交流電機及其計算機控制與仿真[M].北京：機械工業出版社，2002.