设计时主要考虑的性能参数是过载能力、起动性能、额定点的效率和功率因数。而对于变频电机，其设计必须与逆变器、机械传动装置相匹配共同满足传动系统的机械特性，如何从调速系统的总体性能指标出发，求得电机与逆变器的最佳配合，是变频电机设计的特点。设计理论依据交流电机设计理论，供电电源的非正弦以及全调速频域内达到满意的综合品质因数是变频电机设计中需要着重注意的两个问题，设计中参数的选取应做特别的考虑。从交流变频调速电机原理人手，具体分析了交流变频调速电机的设计特点。
关键词：交流 变频调速 电机 设计原理 设计要点
概述：
变频调速电动机系采用SPWM变频装置供电的电动机，两者构成变频调速系统。长期以来，对于应用可调速电力拖动系统的各个领域，一直是直流传动占据优势，特别是要求高精度调速和可逆传动的场合，几乎全采用直流电动机。但从技术和应用来讲，直流电动机的机械式换向器是一个致命弱点，再加上直流电动机存在极限容量问题，使人们把注意力转向了交流电动机。随着各国能源成本不断上涨及大功率晶体管、集成电路等元器件价格不断下跌，直流调速电动机最终要被无换向器的交流电机及其调速技术所取代。变频调速电机系统是性能最好且最有发展前景的机电一体化产品，除必须具有变频调速器外，还必须具有与之配套的交流电动机才能实现无级调速。变频调速电动机主要用在额定频率及其以下的某一频率范围内作恒转矩驱动，在额定频率以上的某一频率范围内作恒功率驱动。
2设计原理
当改变电源频率f时，同步转速n1=6Of/P与频率成正比变化，电动机的转速n也随之改变。所以改变电源频率就可以平滑地调节感应电动机的车专速。异步电动机的电动势和电磁转矩公式分别为：
如果忽略定子阻抗压降，则定子端电压U1等于E1。当U1保持不变时，随着频率厂的升高，气隙磁通如将减少，致使电动机的电磁转矩八减少，同时电动机的最大转矩亦降低。反之，随着频率f的减少，将导致磁路饱和，励磁电流上升，铁损耗增加。 因此，变频调速时应根据被拖动机械的不同要求，选择不同的调速方式。
（1）恒转矩变频调速
对恒转矩变频调速，若保持输出转矩一定，就要求磁通丙不变，则
这种控制方式下，加到电动机上的电压必须随频率成正比改变。
（2）恒功率变频调速
对恒功率变频调速，若保持输出功率不变时，就要求电压保持恒定，则
Pn = C1 Tnf=CE1=常数
这种控制方式下，随着频率的增加，气隙磁通将下降，电机转矩随之降低。
3设计特点
由于变频调速器输出的是一系列脉冲电压波，尽管采用了SPWM正弦脉宽调制技术，力求使其波形接近正弦，但实际上和工频电网供电的正弦波比较，仍含有较多的谐波成分。因此，对电动机来言，即相当于由一非正弦电网供电的情况，使电机损耗增大，效率降低，温升增高，转矩降低，特别是在低频空载情况下尤为明显。普通电机在低频区运行，由于自扇冷的风扇冷却能力下降、电机温升问题不易解决；而在高频区运行时，转速超过5～6倍，·其结构件的刚度、强度也不能满足要求。因此，变频调速专用电动机开发的必要性就在于解决在变频调速情况下，普通Y系列电机胜任不了的问题。其设计特点如下：
（1）用SPWM装置额定频率供电时，变频调速电机的功率等级和安装尺寸的对应关系与基本系列电动机相同，这有利于用户的安装、维修、推广与使用。
（2）由于通常的自带风扇的冷却方式，在许多场合下将不适用于变频器供电的变频调速电动机，基速以下的恒转矩特性使电动机在低速时的电流和磁通都基本保持不变，然而此时的冷却风量却与转速的3次方成正比的减少，使散热发生困难。因此，变频调速电动机需采用外通风冷却，同时应充分考虑电机的温升裕度。如通过各种途径尽可能减少各种损耗，对电机内部空气的流场和温度场进行认真分析，减少温度分布的不均匀系数，提高线圈端部的散热能力。这样，变频调速电动机的轴向长度较普通电动机稍长。
（3）在以变频器供电的电机系统中，电机的输出电压及电流不再是具有恒定频率的正弦波，而是以非正弦的形式供电，从而增大了电机中电磁力波次数和强度。另外，电机已不在一个预期的工作状态上运行，而是在一定的频率范围内工作。这时在电机的运行过程中，就不可避免地会出现电磁力波频率与电机系统的某些固有频率重合而发生共振，从而使电机在运行中产生较大的振动和噪声。因此在电机设计中至少应充分考虑以下几点：
（a）因变频器的输出电流及电压中含有大量的高阶谐波分量，将明显增大电机噪声水平。电机设计时需减少电机中的气隙不平衡以及电磁激振力的大小来降低电机的噪声。这可以通过提高定子铁心内径及转子铁心外径的加工精度来减少偏差和提高同心度方法来实现。对100kw以下的笼形异步电动机，还可以通过斜槽来实现。
（b）由于电机在一个频率范围内工作，要使电机定子的主要阶模态的固有频率与电磁激振力的阶分量错开是十分困难的，但可以通过选择合理的槽配合、改进电机的绝缘结构和采用正弦绕组等以降低低阶空间谐波的幅值或者对定子的结构进行阻尼处理以增大电机定子各阶模态的阻尼，来降低电机定子在发生振动时的振幅，达到降低噪声的目的。
（c） 尽管SPWM装置输出的电压是一间断脉冲波，但由于电机电感的作用，定子电流波形还是连续的。为使定子电流平滑连续并趋于正弦波，在电机设计时可适当增加电机的电感（电抗），有利于削弱谐波电流损耗。
（4）由于变频电机的高速运行时，转速非常高，这对电机结构件的刚度、强度有较高的要求。电机设计时需对电机机座、端盖、转轴连接系统以及轴承进行分析，采取相应措施。如端盖采用带内、外散热筋结构，同时加强电机与独立风机连接部分的强度，来保证变频电动机高速运行良好的刚度。
4结束语
变频调速电动机是电机的一个新领域。对于这种电机来说，其由谐波及其频率变化范围带来的噪声、振动、过热及刚度是变频电机分析的关键。变频调速电机将在电机调速范畴中占据主导地位。
参考文献：
[1]李鹤轩李扬译.异步电动机的控制.北京：机械工业出版社， 2003.
[2]陈伯时，陈敏逊著.交流调速系统（第2版）.北京：机械工业出版社， 2015.
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