變頻調(diào)速異步電機(jī)中電磁優(yōu)化的相關(guān)設(shè)計(jì)研究

摘 要：變頻調(diào)速異步電機(jī)廣泛應(yīng)用在眾多領(lǐng)域中，作為當(dāng)前的新型電機(jī)類型，在具體應(yīng)用與運(yùn)行過(guò)程中，為了能夠提升其應(yīng)用效果，需要對(duì)變頻調(diào)速異步電機(jī)中電磁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?；诖?，相關(guān)人員需要全面認(rèn)識(shí)變頻調(diào)速異步電機(jī)優(yōu)化的電磁設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中確保優(yōu)化的合理性與有效性，不斷提升電機(jī)的運(yùn)行效果。本文針對(duì)變頻調(diào)速異步典籍中電磁優(yōu)化的相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入性的分析與探究。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速;異步電機(jī);電磁優(yōu)化;設(shè)計(jì)

引言：立式半直驅(qū)永磁電機(jī)主要用于立式磨機(jī)，其系統(tǒng)效率高、功率因數(shù)高、控制性能優(yōu)良、節(jié)省設(shè)備安裝空間等諸多優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)有立磨驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要采用異步電動(dòng)機(jī)配合多級(jí)減速器。此種傳動(dòng)方式效率低，系統(tǒng)占地空間大。此種立磨大多數(shù)為改造項(xiàng)目，如果采用立式直驅(qū)永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，則有以下兩個(gè)缺點(diǎn)，第一，立磨轉(zhuǎn)速低，如果采用直驅(qū)則電機(jī)的額定頻率低，變頻器控制較難;第二，直驅(qū)永磁電機(jī)體積大，原有空間很難滿足安裝。因此，采用立式半直驅(qū)永磁電機(jī)替換原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是一種趨勢(shì)，對(duì)提升系統(tǒng)效率有很大幫助。

1.變頻調(diào)速異步電機(jī)的設(shè)計(jì)問(wèn)題

（1）電機(jī)軸承選型：電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)軸承完好，是保證電機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的前提，此立式半直驅(qū)永磁電機(jī)第一次生產(chǎn)，需要對(duì)軸承進(jìn)行核驗(yàn)。（2）定子線圈：此電機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽繞組、跨距為1，對(duì)于高壓電機(jī)，以前沒(méi)有生產(chǎn)過(guò)此類線圈。（3）機(jī)座強(qiáng)度校核：雖然電機(jī)本身轉(zhuǎn)矩不大，但是電機(jī)加減速器整體轉(zhuǎn)矩較大，機(jī)座不僅要承受自身的扭矩，還要承受星型減速箱傳遞的扭矩，因此必須對(duì)電機(jī)機(jī)座的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

2.變頻調(diào)速異步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

2.1磁路計(jì)算方法

在對(duì)電機(jī)各個(gè)部分磁通密度進(jìn)行校核時(shí)，為了明確其選擇是否合理，能否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與要求，需要通過(guò)磁路計(jì)算的方式獲對(duì)電機(jī)磁符合的選取工作進(jìn)行指導(dǎo)[1]。針對(duì)變頻調(diào)速主鑄銅轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，在定子繞組中存在不同的高次諧波，基波和一系列的時(shí)間諧波磁勢(shì)會(huì)同時(shí)存在于電機(jī)氣隙中?；?、諧波磁勢(shì)共同作用下，能夠合成氣隙磁密可用式表示為公式（1）：

2.3.4雜散損耗

變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的雜散損耗會(huì)由于電源中的諧波分量而不斷增加，基于此，需要詳細(xì)的計(jì)算相關(guān)數(shù)值。變頻雕塑轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的雜散損耗分別由端部、繞組漏磁損耗所組合形成[6]。（1）端部漏磁損耗：在電機(jī)端部，基波和各次諧波漏磁進(jìn)入鐵芯需要沿軸向進(jìn)入，損耗情況主要是在鐵芯中造成?；?、各次諧波在共同作用下出現(xiàn)定子端部漏磁損耗，但是因?yàn)檗D(zhuǎn)子的基波電流頻率相對(duì)較低，所以轉(zhuǎn)子端部漏磁損耗只需要以諧波漏磁損耗進(jìn)行分析與考慮。（2）繞組漏磁損耗。變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的繞組損耗因素主要是由槽磁動(dòng)勢(shì)、定子現(xiàn)代空間諧波磁場(chǎng)以及槽磁到諧波引起。

3.電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

3.1定子設(shè)計(jì)

在對(duì)變頻調(diào)速異步電機(jī)的電磁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要不斷對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化，而在此方面中定子設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是一項(xiàng)重要內(nèi)容，此項(xiàng)工作主要是為了能夠詳細(xì)計(jì)算電機(jī)中的重要尺寸，以此作為選擇槽數(shù)、槽形的重要依據(jù)，同時(shí)合理計(jì)算定子繞組[7]。因此，在定子設(shè)計(jì)中，尺寸計(jì)算作為基本內(nèi)容之一，必須注重此環(huán)節(jié)。在計(jì)算電機(jī)重要尺寸時(shí)，主要是計(jì)算定子的內(nèi)外徑，同時(shí)合理計(jì)算電機(jī)軸向長(zhǎng)度，根據(jù)當(dāng)前電機(jī)主要尺寸的計(jì)算確定方式來(lái)說(shuō)，通常情況下都是按照前期積攢的經(jīng)驗(yàn)、所獲取的理論而形成統(tǒng)計(jì)公式。通過(guò)合理計(jì)算電機(jī)主要尺寸后，有效選擇極對(duì)數(shù)，在此環(huán)節(jié)中，必須全面考慮、分析電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，在確保所需頻率能夠滿足相應(yīng)條件下，可明確電源頻率、電機(jī)極對(duì)數(shù)比值，這一步驟中需要充分按照相應(yīng)的因素充分考慮對(duì)極對(duì)數(shù)。通常，在選擇極對(duì)數(shù)時(shí)主要以2、3為選擇標(biāo)準(zhǔn)，有機(jī)結(jié)合實(shí)際情況以及相關(guān)要求后對(duì)最終的極對(duì)數(shù)進(jìn)行明確。在此基礎(chǔ)上，需要合理選擇定子槽數(shù)，在選擇時(shí)可根據(jù)定子外槽選擇槽數(shù)，并且槽數(shù)選擇數(shù)量不宜過(guò)多，需要優(yōu)先防止定子齒距較小對(duì)定子齒部造成破壞與損壞，避免縮短電機(jī)應(yīng)用壽命和降低槽利用率，使電機(jī)工藝受到任何不良影響，但是，定子槽數(shù)不可過(guò)少，否則會(huì)增加諧波，增加附加損耗、附加轉(zhuǎn)矩，甚至?xí)嵘┛?，不斷降低效率與功率因數(shù)，對(duì)電機(jī)性能造成不良影響。除此以外，在選擇定子槽數(shù)時(shí)，需要全面考慮繞組平衡，保證槽數(shù)選擇的合理性。在明確定子槽數(shù)后需要進(jìn)入定子槽形的選擇中，在這一環(huán)節(jié)需要注重增加槽形面積，特別是在軛部磁密及齒部磁密允許的條件下增加，以此更好的減少諧波肌膚效應(yīng)所造成的不良影響。通過(guò)增加定子漏抗，更好的抑制高次諧波，在設(shè)計(jì)定子槽形時(shí)，其形狀可充分滿足深而窄的設(shè)計(jì)需求。為了能夠減少電磁諧波的影響，確保合理性的定子繞組設(shè)計(jì)，需要明確定子繞組，更好的抑制電磁諧波。

3.2轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是明確空氣隙、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子槽、導(dǎo)條。在具體轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要合理選擇氣隙，其緊密影響著電機(jī)的實(shí)際性能。氣隙與勵(lì)磁電流之間成正比，前者不斷減小，后者也會(huì)因此而得到降低。同時(shí)，需要結(jié)合具體情況改善、優(yōu)化功率因素，但是，由于氣隙過(guò)小時(shí)會(huì)增加諧波漏抗，增加雜耗，降低效率，提升溫度，在眾多影響下需要確保氣隙不可過(guò)小?；诖?，在選擇氣隙時(shí)，需要進(jìn)行全面考慮，特別是對(duì)工藝、結(jié)構(gòu)、性能等多方面的因素進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，需要注重設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子槽、導(dǎo)條。針對(duì)變頻調(diào)速異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，不需要考慮其啟動(dòng)性能的參數(shù)，自轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計(jì)方面，只需要充分保證在轉(zhuǎn)子槽形允許范圍內(nèi)即可，盡可能增加轉(zhuǎn)子面積。與此同時(shí)，還能夠?qū)χC波進(jìn)行有效的抑制作用，從而降低轉(zhuǎn)子損耗情況，在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中可將其設(shè)計(jì)為閉口槽。除此以外，變頻調(diào)速異步電機(jī)的電磁噪聲等情況的發(fā)生大部分都是由于各次諧波的因素導(dǎo)致，在對(duì)斜槽選擇時(shí)會(huì)增加漏磁，磁場(chǎng)扭矩?fù)p耗會(huì)因此而不斷提升，需要合理的選擇直槽，全方面的考慮性能、成本等多方面的實(shí)際情況，對(duì)此，可通過(guò)選擇鑄鋁轉(zhuǎn)子達(dá)到一定效果。在選擇轉(zhuǎn)子槽數(shù)時(shí)，相關(guān)人員需要綜合性的分析、考慮雜散損耗、噪聲以及齒諧波等多個(gè)方面所存在的不良影響。當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子數(shù)量逐漸接近后，會(huì)降低所出現(xiàn)的雜散損耗。同時(shí)在此種情況下，齒諧波也會(huì)降低產(chǎn)生力波的次數(shù)，從而使電磁噪聲、損耗會(huì)逐漸增加?；诖?，在具體設(shè)計(jì)中，需要綜合上述依據(jù)對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行深入性的分析與考慮，保證合理的設(shè)計(jì)，充分符合變頻調(diào)速異步電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用要求。

3.3磁路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)變頻調(diào)速異步電機(jī)的電磁優(yōu)化過(guò)程中，需要合理確定電機(jī)的磁路，此項(xiàng)工作作為變頻調(diào)速異步電機(jī)電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，必須加以關(guān)注與重視。在明確比那評(píng)調(diào)速異步電機(jī)的電磁時(shí)，需要確保相關(guān)設(shè)計(jì)能夠合理計(jì)算電機(jī)磁路，以此強(qiáng)化電機(jī)磁路的有效性與科學(xué)性。在選擇電磁磁路的過(guò)程中，需要以磁路計(jì)算的基本原理為基礎(chǔ)，進(jìn)行有效的計(jì)算，同時(shí)，結(jié)合磁場(chǎng)分布的對(duì)稱特點(diǎn)進(jìn)行。為了能夠保證磁路計(jì)算的效果能夠符合要求，可選擇一對(duì)極，在計(jì)算磁路時(shí)可根據(jù)全電流定律完成，以此提升磁路計(jì)算的準(zhǔn)確性與合理性。在此基礎(chǔ)上，需要根據(jù)磁路計(jì)算結(jié)果，合理分析電機(jī)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，明確結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證整體磁路的設(shè)計(jì)能夠提升效果，充分達(dá)成變頻調(diào)速異步電機(jī)的有效應(yīng)用。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，變頻調(diào)速異步電機(jī)是一種新型電機(jī)，其具備著多種的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐中。喲與在具體應(yīng)用時(shí)對(duì)其提出了新的要求，需要對(duì)變頻調(diào)速異步電機(jī)的運(yùn)行效率、質(zhì)量等進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與加強(qiáng)，因此需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此過(guò)程中，相關(guān)人員需要在合理優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提升變頻調(diào)速異步電機(jī)整體的應(yīng)用效果，確保其運(yùn)行能夠滿足相應(yīng)的要求，充分發(fā)揮變頻調(diào)速異步電機(jī)的最大作用與優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳菲菲，厲彥玉，劉中偉.水利設(shè)施中變頻調(diào)速異步電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)水能及電氣化，2021（7）：23-26.

[2]王海濤.電力拖動(dòng)系統(tǒng)交流異步電機(jī)變頻調(diào)速自動(dòng)控制[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2021（1）：99-100.

[3]馮德傳，方麗.變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子異步電機(jī)效能提升研究[J].水利建設(shè)與管理，2021，41（12）：10-15.

[4]王曉梅，劉安芳，張兢，等.對(duì)三相交流異步電動(dòng)機(jī)變頻變壓轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)的探討[J].數(shù)碼設(shè)計(jì)（下），2021，10（3）：64-65.

[5]宋雨.大型變頻調(diào)速異步電機(jī)的設(shè)計(jì)[J].防爆電機(jī)，2020，55（4）：65-66，74.

[6]袁潔儀，仲毅凱，蔣小輝.基于STM32單片機(jī)控制的異步電機(jī)變頻調(diào)速設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)，2020，37（15）：71-73.

[7]衛(wèi)延波，李夢(mèng)楊，喬清廉，等.基于Simulink仿真的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)[J].電子質(zhì)量，2020（9）：27-32.

作者簡(jiǎn)介：唐毅文;1975.05，男，漢族，河南省南陽(yáng)市人，西南大學(xué)，本科學(xué)歷，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，從事電動(dòng)機(jī)馬達(dá)的維修技術(shù)工作。