中小型变频电机优化电磁设计软件开发

肖金凤　扶文静　潘文涛

摘 要：为抑制变频电源的高次谐波对变频调速异步电机的影响,提出从定转子槽配合的优化选择、转子槽形及气隙的优化设计、建立电机模糊自适应设计模型几方面进行变频调速异步电机的优化电磁设计；为提高现有变频调速异步电机电磁设计软件的实用性,利用Visual Basic 6.0,开发出变频调速异步电机的优化电磁设计软件,完成了一台7.5 kW变频调速异步电机的电磁设计。设计结果表明,设计的电机性能好,提出的优化电磁设计方法可行,开发的电磁设计软件输出性能良好,达到了设计要求,具有实用性。

关键词：变频调速异步电机；优化设计；电磁设计软件；模糊自适应；Visual Basic 6.0

中图分类号：TM343文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2009)03-148-03

Development of Optimal Electromagnetic Design Software of

Small and Medium Variable-Frequency Motor

XIAO Jinfeng,FU Wenjing,PAN Wentao

(School of Electrical Engineering,University of South China,Hengyang,421001,China)

Abstract：In order to restrain the influence of high frequency harmonics on the variable frequency source to inverter-driven induction motor,this paper presents the optimal electromagnetic design method of inverter-driven induction motor,such as optimal stator and rotor slot matching,optimal design of rotor slot type and airgap,constructing inverter-driven induction motor fuzzy self-adaptive design model.Using Visual Basic 6.0 as a tool,the optimal electromagnetic design software of inverter-driven induction motor is developed to improve practicability of optimal design Software,the 7.5 kW inverter-driven induction motor is designed by the electromagnetic design software.The result indicates that good performance of the motor,feasibility of the optimal design method and practicability of the optimal electromagnetic design,the performance of the software is excellent to accord with the request of design.

Keywords：inverter-driven induction motor;optimal design;electromagnetic design software;fuzzy self-adaptive ；Visual Basic 6.0

0 引 言

变频调速异步电机由变频装置供电,由于变频器的输出电压和电流中包含一系列的高次谐波,将使电机效率降低,温升升高,低速运行时产生转矩脉动,高速运行时产生较大的振动和噪声［1-4］。

变频调速异步电机的谐波抑制方法一直是传动领域中一个研究的热点问题［1-5］ 。

该文以抑制变频调速异步电机的谐波为目的,从改动和优化变频调速异步电机设计出发,提出了变频电机的优化电磁设计方法。文献［5］提出了变频调速异步电机自适应设计模型优化电磁设计方法,本文将模糊控制应用至电磁优化设计中,得到模糊自适应设计模型,可进一步提高设计电机的性能。

文献［6］研发的变频三相感应电动机设计CAD系统功能强大,操作方便,但该系统设计前需输入变频器控制参数,不同变频器参数不同,使设计的电机应用范围受到限制。该设计将利用Visual Basic 6.0开发变频调速异步电机的电磁设计软件,设计时只需从主窗口输入电机在额定状态下的主要性能参数,即可通过计算机自动优化,得到气隙、定转子槽形尺寸、电机损耗效率等输出性能参数。

1 优化电磁设计

1.1 定转子槽配合的优化选择

在变频异步电机槽数设计方面,定转子槽配合的约束得到放宽,考虑槽配合时,主要考虑避免一阶定、转子齿谐波产生的低阶力波(n=0,1,2,3,…),这些力波可能与定子的固有频率接近,发生共振［7］。

(1)削弱力波的槽配合

为削弱变频电机齿谐波产生的力波,要求槽配合满足表1要求。

表1 变频调速异步电机槽配合

避免力波次数槽配合要求

0Z1－Z2≠0,2p

1Z1－Z2≠±1,2p±1

2Z1－Z2≠±2,2p±2

3Z1－Z2≠±3,2p±3

表1中：Z1为定子槽数,Z2为转子槽数,p为电机极对数。

更高次力波引起的振动幅值小,一般中小型电机中可不予考虑。

(2) 对笼型电动机,定子槽数越多、谐波损耗越少、异步附加转矩越小,定子槽数大于转子槽数,还可以降低杂散损耗。

(3) 转子采用奇数槽,这样可以减少同步寄生转矩,避免起动时产生堵转。

(4) 采用5/6短矩系数可大大削弱5次谐波和7次谐波产生的附加转矩影响,对变频电机减少高次谐波影响起到十分重要的作用。

1.2 转子槽形优化设计

(1) 为了抑制高次谐波损耗的增加,异步电机转子应采用集肤效应小的特殊槽形,槽面积尽可能大,槽形宜浅不宜深,槽形总体上宽下窄；采用直槽而非斜槽转子结构以减少其负载损耗［8］。

(2) 采用磁性槽楔,不但能减小有效气隙,降低空载电流,改善功率因数,还能降低气隙谐波磁势分量,减小谐波磁势引起的附加损耗和其他不良影响。

(3) 在定、转子槽数相同的情况下,可选择不同的转子槽形、尺寸,进行效率和功率因数优化设计,从而确定高效优化的最终电磁设计方案。

1.3 气隙的优化设计

电机的气隙增大,将使励磁电流增加,电机功率因数下降,同时气隙中的谐波磁场也将降低,附加损耗减少。另气隙的增大可以使定转子结构配合部件的加工精度和同心度适当降低,减小了加工的难度和时间。

普通电机气隙通常采用经验公式：

δ=Di11001+92p

其中:δ为电机的气隙(mm)；Di为电机定子内径(cm)；p为电机极对数。

变频电机气隙应比同容量普通电机气隙稍大一些。

1.4 基于模糊自适应设计模型的电磁优化设计

文献［5］给出了变频调速异步电机不同定子槽形的定子设计公式,一旦给定定子电密、气隙磁密、定子齿轭磁密(J1,Bg,Bt1,By1)等参数,定子结构和主要尺寸就完全确定,并随槽形和定子内外径比值的改变而改变。这些公式使变频调速异步电机的设计完全由其电密和磁密的设定值控制,不仅消去了传统设计中的经验参数,而且使这些电密和磁密的设定与变频调速系统中电机的运行性能建立密切关系。

文献［5］以此为基础进行了基于自适应模型的电磁优化设计。在该自适应模型中,定子内外径之比λ是不确定的,这个变量的选取对电机的性能会有很大的影响。该设计则将模糊控制应用到系统设计中,建立一变频调速异步电机模糊自适应模型,通过模糊自适应过程不断调整选取λ参数,以达到同时满足定、转子电磁负荷设定的目的。

变频调速异步电机模糊自适应设计流程见图1。

图1 变频调速异步电机模糊自适应设计流程图

2 变频电机电磁设计软件开发

本设计软件是在Windows平台上用VB 6.0开发的,适用于Windows 98以上的操作系统,视窗化设计,全汉化显示,界面友好,人机交互,提高了工作效率。

图2所示为该软件编写的结构框图。

图2 电磁设计软件结构框图

电磁设计程序采用VB语言编写。优化电磁计算方法以文献［5,8,9］为基础,并对其提出的电磁计算方法进行改良,将模糊控制应用至文献［5］提出的异步电机自适应设计模型中,得到了异步电机模糊自适应设计模型。

3 设计实例

现利用开发的变频调速异步电机电磁设计软件进行一7.5 kW变频调速异步电机的电磁设计。

3.1 数据输入主体窗口

其主要额定参数输入主体窗口见图3。

图3 额定参数输入界面

点击界面上的“计算”,软件中将自动优化,得出定子参数,转子参数,电路参数、电流及损耗等参数,然后进行整体优化,得出最佳设计方案。

3.2 计算结果

定子参数如图4所示,转子参数如图5所示,损耗及效率如图6所示。

图4 定子参数

图5 转子参数

设计结果：

(1) 定转子槽配合为36/23；

(2) 转子槽形选择上宽下窄的平底槽；

(3) 气隙比同容量普通电机气隙稍大,增大0.026 mm。

(4) 效率为92%,比设计要求的性能还要好。

依据以上参数设计的变频调速异步电机性能良好,满足设计要求。

图6 损耗及效率

4 结 语

变频调速异步电机应用日益广泛,其设计水平也越来越高。该文提出了变频调速异步电机的优化电磁设计方法，利用VB 6.0研制了变频调速异步电机的电磁设计软件。实例结果表明本文提出的电磁设计方法是有效、正确、先进的,开发出的电磁设计软件设计准确、方便实用。

参考文献

［1］刘吉仿,李伟力,程树康.异步变频电机发展综述［J］.微电机,2007,40(6):76-79.

［2］魏华雄.SPWM逆变供电下感应电机谐波分析及仿真［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学,2004.

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［5］邬向东,赵争鸣,孟朔,等.大中型变频调速高效电动机的优化电磁设计［J］.电工技术杂志,2003(3)：42-44,69.

［6］李辉,韩力,王亚峰,等.变频三相感应电动机设计及其CAD系统开发［A］.四川省电工技术学会电机专业委员会二00一年第十三届学术年会.2000.

［7］李莉,刘玉庆.变频调速异步电机槽配合的探讨［Ｊ］.电机技术,2001(4):6-8.

［8］何春波,刘生.变频调速异步电动机转子槽优化设计［J］.防爆电机,2007,42(1):44-48.

［9］关慧,赵争鸣,孟朔,等.变频调速异步电机的优化设计(英文) ［J］.中国电机工程学报,2004(7)：194-199.

作者简介 肖金凤 女,1972出生,湖南衡阳人,硕士,副教授,硕士生导师。主要研究方向为电机及其控制、智能控制。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。