矿用变频调速电机的设计特点*

段淑贞，秦 斌，刘憬奇，姚 鹏

(1.山西防爆电机(集团)有限公司，山西长治 046011;2.上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海 200063)

0 引 言

变频调速异步电动机是21世纪电机行业发展的趋势之一。随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，变频器已经广泛应用于交流电动机的速度控制中，这种高性能的交流电动机调速系统已被广泛应用于多个领域。其最主要的特点是具有高效率的驱动性能和良好的控制特性。应用变频调速系统可以节省大量的电能，是实现节能高效、优质高产的现代化生产的主要技术手段之一。

相对而言，由于矿井内传动设备需求和使用场所的特点，矿用变频调速电动机对电机的电磁设计、绝缘结构设计、冷却结构设计等均提出了更高的要求。变频调速电动机是用正弦脉宽调制(SPWM)变频装置供电的电动机，两者构成变频调速系统。针对矿用变频调速电动机的新要求，本文从变频电源对电动机性能的影响及交流变频调速电机的原理入手，具体分析了矿用交流变频电机的设计特点。

1 电磁设计

1.1 普通变频调速电动机的电磁设计特点

对于一般用途的异步电动机来说，电磁设计主要考虑五大性能指标，即起动转矩、最大转矩(过载能力)、起动电流、效率和功率因数，同时，温升也是电动机不可缺少的指标之一。而变频电动机采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流方式起动。因此，过载能力和起动性能不需要过多考虑。但电动机在非正弦电压、电流下运行，高次谐波会引起电动机定子铜耗的增加，使电动机额外发热，效率降低，温升增加。为了改善电动机对变频器电源的适应能力，电磁计算时应尽可能地减少定子和转子电阻，以减小基波铜(铝)耗，弥补高次谐波引起的铜耗增加。另外，考虑到高次谐波会加深磁路饱和，变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态。综上所述，变频电动机在电磁计算时，电磁负荷要留有一定裕度来改善电动机对非正弦波电源的适应能力。

1.2 矿用变频调速电动机的电磁设计新特点

考虑到井下对电机隔爆结构及电机对其他安全性能的要求，矿用变频电动机在电磁计算时，电磁负荷要在普通用途的变频调速电动机的基础上增加一定的裕度。另外，根据矿用变频调速电动机对更有利于散热的要求，在电机电磁参数设计如定子导体材料参数的选择上，保证定子绕组每相串联导体数不变的前提下，尽量选择多的并绕根数和小线规。

2 绝缘结构设计

2.1 一般用途电动机在变频器供电时绝缘破坏的原因

一般用途电动机绕组的绝缘耐电压水平是针对正常运行电压而言的。在变频电源作用下，由脉宽调制(PWM)变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，出现浪涌电压和电晕现象，线圈匝间绝缘有时承受的电压要比正常高出数十倍，所以变频电机在设计时，必须特别考虑绝缘问题。防止绕组产生有害的电晕电压，防止因反复施加脉冲电压而引起绝缘老化，影响电机使用寿命。

2.2 改进措施

(1)山西防爆电机(集团)有限公司的变频电机选用耐电晕的专用漆包线和绕包线，选用耐电晕且容易被绝缘漆浸透的绝缘材料和低挥发性聚酯型无溶剂树脂。

(2)为了取得无气隙绝缘，在选用绝缘材料时，应注意选用容易放到电机绝缘结构中的各个部位、能充分填充绕组间空隙的绝缘材料。采用真空压力沉浸工艺，使浸渍树脂渗透到各个部位。

(3)耐电晕线在使用过程中，如果拉伸或受力，抗电晕性能都会大幅下降。因此，对于绕线、嵌线、绑扎等加工工艺必须严加管理，特别是在绕线、嵌线过程中防止损伤导线。嵌线过程应保证槽绝缘、层间绝缘、相间绝缘放到位，线圈端部应绑扎牢固，确保端部成为一个整体。

(4)矿用变频电机因为使用环境潮湿、恶劣，对绝缘材料、浸渍树脂及浸渍工艺都必须精工细作，确保矿用变频电机的防潮性能良好，满足防潮电机标准要求，并确保浸渍树脂有较长的储存期。

2.3 矿用变频调速电动机对绝缘结构的新要求

矿用变频电机，因为使用环境潮湿、恶劣，不仅要求对绝缘材料、浸渍树脂及浸渍工艺都要精工细作，还要确保矿用变频电机的防潮性能良好，满足防潮电机标准要求，并确保浸渍树脂有较长的储存期。因此，在绝缘结构的设计上增加了防潮和驱潮措施，并对绝缘漆的浸渍工艺进行了强化。

另外，相对于小功率变频电机，大功率矿用变频调速电动机线圈的匝数很少，线圈匝间承受的匝间电压要比小功率电机的匝间电压高很多倍甚至几十倍。此外，由于大功率矿用变频调速电动机的绕组电流大，它将会在绕组间产生很大的相互电磁作用力，绕组端部也将承受较大的电磁相互作用力，这些作用力使得绕组的导体间有发生相对位移的倾向。特别是由变频器供电时，与正弦波供电相比，电机的绝缘结构要承受更高的介电应力，尤其对接近电源引入处的绕组匝间绝缘产生重大影响，绝缘结构承受更高的介电应力。

针对这些大功率矿用变频调速电动机绝缘结构的特点，加强了绕组绝缘的机械强度和线圈绕组首尾匝的绝缘，研究与挑选了耐电晕的绝缘材料，以提高整个绝缘结构的耐冲击、耐电晕性能。

3 机械和冷却结构设计

设计应主要考虑非正弦电源对变频电机的振动、噪声、冷却方式等方面的影响。

3.1 电机振动、噪声问题及其解决措施

除电磁设计时选择已使用过的电磁噪声低的定、转子槽配合外，要充分考虑电动机构件及整体的刚性，如机座筒比普通电动机加厚，增加底脚孔处的刚度，尽量提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。

3.2 冷却问题的解决

根据矿井下水资源丰富的特点，首先确定了电机采用隔爆水冷的复合冷却结构，但在设计上采用了新的设计思路:如YBPSS500、YBPS400为了适应煤矿井下场地狭窄、工作环境复杂，设计了隔爆型复合冷却方式(见图1)，机座采用多层筒式结构，将传统的水冷机座外筒增焊了散热筋，并留有风冷通道，电动机的定子铁心通过传导方式由水直接冷却，转子内热量由内风扇传递到机座的风冷通道，通过散热片与冷水进行良好的热交换，通过外筒将热量扩散到周围的冷空气中。实践证明采用这种结构不但体积大大缩小，而且冷却效果有较大提高，具有体积小、振动小、噪声低、结构紧凑、整体钢性好、温升低等优点，最主要的特点是便于煤矿井下安装。

图1 复合冷却结构

对于低转速的变频电动机一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动。

4 轴电流的防止

由于变频电源的非正弦性，电动机内极易形成不对称磁路，从而产生轴电流。当不同高频分量所产生的电流叠加在一起时，轴电流大为增加。

4.1 普遍使用的简易轴承室绝缘及其缺点

在轴承室内膛粘贴绝缘材料(聚四氟乙烯薄膜)，在轴承与内外盖间加垫绝缘板，切断轴电流通路，这种使轴承绝缘结构在粘贴绝缘材料时需特殊工艺，且装配与拆卸过程中容易使涂层卷边。

4.2 使用绝缘轴承的优点

绝缘轴承可以完全有效地阻断轴电流的必经回路，电机可靠性提高，但缺点是成本较高，且大电机配套使用的轴承无备件、订货周期长。

4.3 新设计的夹层绝缘轴承室的特点

在轴承室内增加轴承衬套，轴承套与轴承衬套之间夹绝缘材料，在轴承与内外盖间加垫绝缘板，这种结构不容易损坏绝缘层，且轴承室内膛精度容易保证。

5 结语

山西防爆电机(集团)有限公司矿用变频电动机的制造已超过5年，市场前景良好。已生产的矿用变频电机有YBPSS500 1 140 V、YBPSS400 1 140 V、YBBPF900-10 6 000 V等十余种规格，使用结果表明:该公司生产的变频电机各项性能指标基本能够满足用户的使用要求，质量处于可控状态。

[1]电机工程手册编委会.电机工程手册[M].北京:机械工业出版社，1983.

[2]陈世坤.电机设计[M].北京:机械工业出版社，2000.