劉慶

摘 要：變頻器供電對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能有巨大的影響，這使其與普通的三相異步電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)方面有較大的差別，而高速運(yùn)行更是使電機(jī)結(jié)構(gòu)面臨挑戰(zhàn)，這也就需要從電機(jī)本體出發(fā)，對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行系列、全面的研究，對(duì)電機(jī)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和整體的優(yōu)化，最終研制出一個(gè)性能可靠、優(yōu)越的高速異步電機(jī)。該文作者即結(jié)合個(gè)人多年從事電動(dòng)機(jī)的實(shí)踐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高速變頻異步電動(dòng)機(jī)的研發(fā)與設(shè)計(jì)進(jìn)行粗淺的探討，以期希望能夠?yàn)閺V大同行的設(shè)計(jì)工作做出有益的參考。

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

中圖分類號(hào)：TM344 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（b）-0037-01

1 高速變頻異步電動(dòng)機(jī)的項(xiàng)目研究背景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)風(fēng)機(jī)、水泵電動(dòng)機(jī)裝機(jī)耗電量約占全國(guó)電力消耗總量的40%左右。目前風(fēng)機(jī)和水泵大都采用定速驅(qū)動(dòng)，都存在嚴(yán)重的節(jié)流損耗。由于風(fēng)機(jī)、水泵的功耗和轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，風(fēng)機(jī)、水泵的能耗下降非常快，可見變速驅(qū)動(dòng)有相當(dāng)明顯的節(jié)能效果。而通過節(jié)能案例的實(shí)際計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)變頻節(jié)電率高達(dá)48.3%。所以，研究與開發(fā)高速變頻異步電機(jī)，做好高速變頻異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)工作具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，其也是順應(yīng)綠色節(jié)能發(fā)展大潮發(fā)展趨勢(shì)的重要體現(xiàn)。

2 高速變頻異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 高速變頻異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

變頻驅(qū)動(dòng)的異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與普通三相異步電機(jī)有很大的不同。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，也與普通異步電機(jī)有較大的差別，應(yīng)格外注意以下幾點(diǎn)。

（1）線圈接法。普通異步電機(jī)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(jī)損耗。仿真計(jì)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(shí)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(dòng)機(jī)不需要對(duì)起動(dòng)性能作特別的考慮。因此，轉(zhuǎn)子槽特不必設(shè)計(jì)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(jì)上，應(yīng)該為上寬下窄?？梢哉f，將普通異步電機(jī)設(shè)計(jì)成斜槽，是為了削弱定轉(zhuǎn)子的齒諧波磁場(chǎng)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(jī)中這些問題主要是由各次諧波的作用產(chǎn)生，斜槽此時(shí)幾乎無濟(jì)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(shí)驗(yàn)證明，大中型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直槽損耗比斜槽要小得多，對(duì)于500kW以上且長(zhǎng)度較長(zhǎng)的電動(dòng)機(jī)采用斜一個(gè)定子槽距會(huì)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以下是作者采用Ansys有限元分析對(duì)高速變頻異步電動(dòng)機(jī)的溫度場(chǎng)與軸強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以此希望進(jìn)一步詮釋與分析電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（1）電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)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(fēng)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(fēng)孔。冷卻采用變頻電機(jī)常用的外置風(fēng)扇也就是獨(dú)立風(fēng)機(jī)。如若我們針對(duì)已有測(cè)試結(jié)果電機(jī)Y280-2-90進(jìn)行建模，運(yùn)用Ansys進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。為了避免損耗計(jì)算本身帶來的誤差，仿真時(shí)所施加損耗采用試驗(yàn)所得損耗。從計(jì)算結(jié)果可見，電機(jī)繞組溫度約為95°，試驗(yàn)結(jié)果為106°，相差11°，誤差為10.4% 。

（2）對(duì)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算。臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算采用目前佳電常用的程序，計(jì)算結(jié)果為10693rpm，倍數(shù)為1.5647，擾度為 0.9754，滿足電機(jī)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(jì)算程序中，來計(jì)算高速電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速。一階臨界轉(zhuǎn)速為12939rpm，同樣滿足電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求。

（3）軸的強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)軸強(qiáng)度的計(jì)算普遍采取兩種方法。第一種方法采用的是機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第3卷第3章軸的強(qiáng)度，計(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)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(jì)算時(shí)采用了真實(shí)軸計(jì)算，而公式計(jì)算則采用了最小軸徑進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)公式計(jì)算及ansys軟件分析，結(jié)果均表明軸的強(qiáng)度滿足要求。

3 結(jié)語

該文作者參考相關(guān)文獻(xiàn)與實(shí)際案例，結(jié)合自身的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)高速變頻異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行粗淺的探討，并突破傳統(tǒng)異步電機(jī)的設(shè)計(jì)思緒，對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)因素和電磁方案進(jìn)行了深入的比較和優(yōu)化，同時(shí)還進(jìn)行了電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的仿真，旨在打破電機(jī)與控制之間的孤立關(guān)系。也希望通過本文筆者對(duì)高速變頻異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，能夠?yàn)閺V大同行更加完整、清晰的詮釋高速變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)過程和方法，進(jìn)而能夠在高速變頻異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中不斷的力求創(chuàng)新與突破。

參考文獻(xiàn)

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