浅谈高速变频异步电动机的设计

刘庆

摘 要：变频器供电对电机运行性能有巨大的影响，这使其与普通的三相异步电动机在设计方面有较大的差别，而高速运行更是使电机结构面临挑战，这也就需要从电机本体出发，对电机的设计特点和难点进行系列、全面的研究，对电机进行合理设计和整体的优化，最终研制出一个性能可靠、优越的高速异步电机。该文作者即结合个人多年从事电动机的实践设计经验，对高速变频异步电动机的研发与设计进行粗浅的探讨，以期希望能够为广大同行的设计工作做出有益的参考。

关键词：高速变频异步电动机 电磁设计 结构设计

中图分类号：TM344 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（b）-0037-01

1 高速变频异步电动机的项目研究背景

据统计，全国风机、水泵电动机装机耗电量约占全国电力消耗总量的40%左右。目前风机和水泵大都采用定速驱动，都存在严重的节流损耗。由于风机、水泵的功耗和转速的三次方成正比，当转速下降时，风机、水泵的能耗下降非常快，可见变速驱动有相当明显的节能效果。而通过节能案例的实际计算，可以发现变频节电率高达48.3%。所以，研究与开发高速变频异步电机，做好高速变频异步电动机的设计工作具有十分重要的现实意义，其也是顺应绿色节能发展大潮发展趋势的重要体现。

2 高速变频异步电动机的设计

2.1 高速变频异步电动机的电磁设计

变频驱动的异步电机运行状态与普通三相异步电机有很大的不同。因此，在实际设计中，也与普通异步电机有较大的差别，应格外注意以下几点。

（1）线圈接法。普通异步电机常采用△接法，由于变频器供电与普通电网三相正弦电源不同，SVPWM调制下产生大量的谐波，加剧了环流，增加了电机损耗。仿真计算Y接电流谐波为3.63%，而△接的电流谐波为5.32%。由此可见在变频器供电时采用Y接更有利于减少谐波，减少环流，降低由谐波、环流引起的损耗。

（2）转子槽型。变频电动机不需要对起动性能作特别的考虑。因此，转子槽特不必设计成深槽。而为了降低高次谐波的集肤效应，转子槽型在总体设计上，应该为上宽下窄。可以说，将普通异步电机设计成斜槽，是为了削弱定转子的齿谐波磁场及其引起的谐波转矩、附加损耗和电磁噪声。然而变频电机中这些问题主要是由各次谐波的作用产生，斜槽此时几乎无济于事，反而造成漏磁增加。所以，为了避免由于扭斜漏磁通产生的谐波损耗，通常转子不采用斜槽。实验证明，大中型电动机转子直槽损耗比斜槽要小得多，对于500kW以上且长度较长的电动机采用斜一个定子槽距会在笼条之间产生较大的横向电流。

2.2 高速变频异步电动机的结构设计

以下是作者采用Ansys有限元分析对高速变频异步电动机的温度场与轴强度进行计算，以此希望进一步诠释与分析电机的结构设计。

（1）电机温度场计算。在高频电源下，铁损较大，采用新硅钢片材料DW350取代原有的DR510以降低铁耗。新转子槽型不是深槽，所以有足够空间开轴向通风孔，不过由于端环依然采用原有模具，妨碍了转子开通风孔。冷却采用变频电机常用的外置风扇也就是独立风机。如若我们针对已有测试结果电机Y280-2-90进行建模，运用Ansys进行温度场分析。为了避免损耗计算本身带来的误差，仿真时所施加损耗采用试验所得损耗。从计算结果可见，电机绕组温度约为95°，试验结果为106°，相差11°，误差为10.4% 。

（2）对转子临界转速的计算。临界转速的计算采用目前佳电常用的程序，计算结果为10693rpm，倍数为1.5647，扰度为 0.9754，满足电机6800rpm的转速要求。第二种方法通过哈理工的转轴临界转速数据反推轴承的支撑刚度，然后将其带入传递矩阵法计算程序中，来计算高速电机的临界转速。一阶临界转速为12939rpm，同样满足电机的转速要求。

（3）轴的强度计算。对轴强度的计算普遍采取两种方法。第一种方法采用的是机械设计手册第3卷第3章轴的强度，计算最小直径处的剪切应力，材料为45#钢，这里取30～40。根据设计dmin取65mm，不难推出剪切应力的安全系数S为7～10，完全满足安全要求。第二种方法用Ansys有限元计算。采用转子重力（88.4kg=884N）加载、轴的自重加载和扭矩（225Nm）及转动角速（6800rpm=712rad/s）。如分析结果图所示。最大变形出现在中间底部，约4.7195mm，最大应力出现在轴承支承位置，约4.4112MPa。Ansys计算时采用了真实轴计算，而公式计算则采用了最小轴径进行计算，根据公式计算及ansys软件分析，结果均表明轴的强度满足要求。

3 结语

该文作者参考相关文献与实际案例，结合自身的实践工作经验对高速变频异步电动机设计进行粗浅的探讨，并突破传统异步电机的设计思绪，对电机的设计因素和电磁方案进行了深入的比较和优化，同时还进行了电机变频驱动的仿真，旨在打破电机与控制之间的孤立关系。也希望通过本文笔者对高速变频异步电动机的设计，能够为广大同行更加完整、清晰的诠释高速变频电机的设计过程和方法，进而能够在高速变频异步电动机的设计中不断的力求创新与突破。

参考文献

[1] 傅丰礼，唐孝镐.异步电动机设计手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2] 戴文进，等.特种交流电机及其计算机控制与仿真[M].北京：机械工业出版社，2002.