王泽军
佛山市朗特电机有限公司 528313
摘要：随着现代化水平的不断提高，电动机在各个生产领域都发挥着越来越重要的作用。然而传统电动机的结构较为复杂，不仅对运行条件有着更苛刻的要求，而且后期运行维护的压力也较大。笔者在本文中则介绍了一种异步变频电机的设计方法，其中主要包括性能指标、电磁设计以及结构设计，希望给业界电机的设计研发提供一些参考。
关键词：变频调速；电磁绕组；电动机设计
引言
由于变频异步电动机的工作模式与传统设备有所不同，因此其内部结构的设计中也需要进行相应的调整。比如在变频异步电机主要依靠变频器来实现调速，该元器件的运行频率与工频有一定的差额，很容易对设备的性能造成损害。此外变频异步电机的冷却方式和工作频率也对设备的正常运行有着重要的意义，在涉及过程中就必须兼顾这些问题。由此可见，针对三相变频异步电机的结构特点，从而制定出合理的设计方案。
一、变频电机两种性能指标
（一）恒转矩负载
通常而言，三相异步电机是借助于电源频率来控制调速，而根据设备机械特性的不同也可大致分为两种。恒转矩顾名思义，就是指设备的运行负载和转子的运行速度并无直接联系，其工作状态始终维持一致。这就需要设备对电压进行严格的控制，并且在低频率的工况下运转。比如传送带、搅拌机等设备，在运行过程中转矩是固定不变的，因此在运速变化的时候也不影响到复杂转矩。这主要是设备在50HZ以下的运行负载，设备的输出功率直接受到转速的影响。
（二）恒功率负载
恒功率负载则指的是电机输出功率维持不变，而随着运转速度的变化使转矩呈现出负相关的关系。这就意味着当恒功率负载下，设备的运行速度极低时电机的转矩趋近于无穷大。因此这种负载模式在临界点时将变为恒转矩负载，其大致分界点为50HZ。比如开卷机、数控机床等设备的生产中对运作频率要求较高，在设计中就大多需要采用恒功率负载，使运转频率始终大于基频。
二、变频电机的电磁设计
（一）控制电磁负荷
在调速过程中设备的运转速度和工频会有所出入，产生的谐波容易造成磁路饱和。这样一来电机就会出现空载的现象，进而对电机的生命周期造成一定的影响。尤其是在较低的运转速度下，这种现象发生的概率也将进一步增大。针对这一问题，在电磁设计中就必须将磁通密度控制在较小的范围内。这种设计方法不仅能够有效的降低设备运行的噪音，而且还可以促进设备的预热升温。比如在导电后收到电流热的影响会出现明显的升温，若是这个温升的值域较大，则说明产品的稳定性不足在投产使用后会迅速出现折旧老化。相反若温升始终保持在合理范围内，更有利于电动机的散热，使设备的工作性能更加突出。而这项参数也基本由电磁负荷决定，在设计阶段必须要针对具体的生产需求来选择合理的负荷值。
（二）降低转矩脉动
在电动机运行时，转矩围绕额定值出现上下波动，这种现象则称之为转矩脉动。而转矩脉动范围广，这说明该设备的稳定性不足。那么在转动的过程中，设备就会出现明显的振动。这不仅会消耗更多的电能，而且还会对运转速度造成一定的影响。而电动机的转矩脉动大多与谐波有关，这就要求设计人员选择漏抗更大的变频器。如此一来，设备内的谐波取值较小，对设备工作电流的影响也比较有限。比如在设计中利用转子槽形来控制谐波大小，从而将转矩变化控制在合理范围内。而且笔者发现，目前业界在设计中通常采用上宽下窄的设计方法，而且还可以通过槽数的多少来有效控制。但是转子槽数与转矩并非是单调变化的趋势，而是在数量增加的过程中转矩先降低然后在上升。所以，在设计的时候技术人员应该首先计算好漏抗的最佳范围，给转矩脉动控制提供可靠的依据。
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（三）调整设备功率
功率因数也是变频电机的一大性能指标，与设备的运行效率有着直接的关联。以往部分企业在电机设计中往往更注重启动性能，但最终所取得的成果却有些差强人意。因此，笔者建议在设计过程中应该着眼于设备效率的提高，必要时甚至可以放松对启动性能的要求。比如，设计人员可以降低定子和转子的电阻值，从而得到正常工况下的最大转矩。不仅如此，定子电阻值变小后设备铜耗也将得到控制，避免绕组在电流热的影响下出现大量的损耗。尤其是三相变频电机的谐波较大，一般铜耗现象也比较明显，进行合理的控制是十分必要的。
三、变频电机的结构设计
（一）绝缘部分优化
变频电动机内部线路较为复杂，在设计过程中不仅要考虑到对地绝缘问题，而且还需要而且还需要兼顾线间绝缘。根据行业规范相关要求，变频电机的绝缘等级必须不低于F级，以此来确保设备的安全运行。首先，要做好电动机的对地绝缘处理。技术人员应该保持绝缘电阻值能够达到5MΩ以上，若达不到这个标准则可能出现生产事故。其次，线匝绝缘也是电机设计中十分重要的内容。在绕组线缆的选择中应该使用质量更好的产品，尤其是首匝和末匝部分在运行过程中会出现较大的升温。若高温令线缆的外漆脱落，则可能造成短路影响到正产生产，甚至还可能会造成人员伤亡。因此，在设计中要求使用能够承受105℃以上的高温，确保电机的稳定性。最后，在导线的使用上也需要满足出色的抗软化击穿性能。这不仅有利于设备寿命的延长，而且还能够显著提升电机的耐热表现。
（二）散热方式创新
自带风扇是变频异步电机的特征之一，这也决定了其设计方法与传统设备有所不同。比如在恒转矩负载下，随着电机转动速度的降低风扇的运转也将受到阻碍。这样一来就使得电机的散热得不到保障，极容易造成内部元器件的损伤。为了更好地实现电机的散热，笔者建议在设计中采用独立电源设计。这种设计思路将风扇与转子的速率相分离，能够保障风扇在任何时候都能够有效地工作，从而实现通风降温的目的。但是这一设计方法对现场的要求较高，需要技术人员在设备现场新增电力设备和线路。此外，部分外壳防护等级高的设备甚至可以采用双独立风机设计，使散热降温表现更加突出。
（三）轴承接地设计
在变频电机设计中，若是磁路不对称则会在主轴内产生电流，对设备的安全运行带来负面的影响。而且在其它元器件分量的共同作用下，电流大小将会得到进一步增强。一方面在这股电流的作用下轴承附件的元器件会遭到破坏，从而使设备停止运转；另一方面也容易威胁到现场人员的人身安全，从而造成更大的经济损失。因此，在轴承的设计中也需要考虑到绝缘问题。一般来说轴承的绝缘处理大多为接地的方式，这种设计方法不仅绝缘效果好，而且成本也比较低。技术人员在设计中可以使轴伸端接地，而非轴伸端利用高电阻来绝缘。比如添加绝缘层、绝缘套等方法，在安装后进行加固也能够达到较好的绝缘效果。
结语
综上所述，随着现代化生产方式的普及，电动机在各行各业有有着广泛地使用。相比于传统电机设备，三相变频电动机内部结构更加简单，能够有效降低设备的生产成本。在设计过程中，应该主要针对电磁与结构两个部分进行，处理好控制电磁负荷、降低转矩脉动、调整设备功率、绝缘部分优化、散热方式创新以及轴承部分接地等。不仅要提高设备的工作效率，也要保证运行的安全稳定。
参考文献
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论文作者:王泽军
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：转矩论文; 设备论文; 电机论文; 负载论文; 电动机论文; 过程中论文; 电磁论文; 《建筑学研究前沿》2018年第20期论文;