肖金鳳　扶文靜　潘文濤

摘 要：為抑制變頻電源的高次諧波對變頻調(diào)速異步電機的影響,提出從定轉(zhuǎn)子槽配合的優(yōu)化選擇、轉(zhuǎn)子槽形及氣隙的優(yōu)化設(shè)計、建立電機模糊自適應(yīng)設(shè)計模型幾方面進行變頻調(diào)速異步電機的優(yōu)化電磁設(shè)計；為提高現(xiàn)有變頻調(diào)速異步電機電磁設(shè)計軟件的實用性,利用Visual Basic 6.0,開發(fā)出變頻調(diào)速異步電機的優(yōu)化電磁設(shè)計軟件,完成了一臺7.5 kW變頻調(diào)速異步電機的電磁設(shè)計。設(shè)計結(jié)果表明,設(shè)計的電機性能好,提出的優(yōu)化電磁設(shè)計方法可行,開發(fā)的電磁設(shè)計軟件輸出性能良好,達到了設(shè)計要求,具有實用性。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速異步電機；優(yōu)化設(shè)計；電磁設(shè)計軟件；模糊自適應(yīng)；Visual Basic 6.0

中圖分類號：TM343文獻標識碼：B

文章編號：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

變頻調(diào)速異步電機由變頻裝置供電,由于變頻器的輸出電壓和電流中包含一系列的高次諧波,將使電機效率降低,溫升升高,低速運行時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動,高速運行時產(chǎn)生較大的振動和噪聲［1-4］。

變頻調(diào)速異步電機的諧波抑制方法一直是傳動領(lǐng)域中一個研究的熱點問題［1-5］ 。

該文以抑制變頻調(diào)速異步電機的諧波為目的,從改動和優(yōu)化變頻調(diào)速異步電機設(shè)計出發(fā),提出了變頻電機的優(yōu)化電磁設(shè)計方法。文獻［5］提出了變頻調(diào)速異步電機自適應(yīng)設(shè)計模型優(yōu)化電磁設(shè)計方法,本文將模糊控制應(yīng)用至電磁優(yōu)化設(shè)計中,得到模糊自適應(yīng)設(shè)計模型,可進一步提高設(shè)計電機的性能。

文獻［6］研發(fā)的變頻三相感應(yīng)電動機設(shè)計CAD系統(tǒng)功能強大,操作方便,但該系統(tǒng)設(shè)計前需輸入變頻器控制參數(shù),不同變頻器參數(shù)不同,使設(shè)計的電機應(yīng)用范圍受到限制。該設(shè)計將利用Visual Basic 6.0開發(fā)變頻調(diào)速異步電機的電磁設(shè)計軟件,設(shè)計時只需從主窗口輸入電機在額定狀態(tài)下的主要性能參數(shù),即可通過計算機自動優(yōu)化,得到氣隙、定轉(zhuǎn)子槽形尺寸、電機損耗效率等輸出性能參數(shù)。

1 優(yōu)化電磁設(shè)計

1.1 定轉(zhuǎn)子槽配合的優(yōu)化選擇

在變頻異步電機槽數(shù)設(shè)計方面,定轉(zhuǎn)子槽配合的約束得到放寬,考慮槽配合時,主要考慮避免一階定、轉(zhuǎn)子齒諧波產(chǎn)生的低階力波(n=0,1,2,3,…),這些力波可能與定子的固有頻率接近,發(fā)生共振［7］。

(1)削弱力波的槽配合

為削弱變頻電機齒諧波產(chǎn)生的力波,要求槽配合滿足表1要求。

表1 變頻調(diào)速異步電機槽配合

避免力波次數(shù)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為定子槽數(shù),Z2為轉(zhuǎn)子槽數(shù),p為電機極對數(shù)。

更高次力波引起的振動幅值小,一般中小型電機中可不予考慮。

(2) 對籠型電動機,定子槽數(shù)越多、諧波損耗越少、異步附加轉(zhuǎn)矩越小,定子槽數(shù)大于轉(zhuǎn)子槽數(shù),還可以降低雜散損耗。

(3) 轉(zhuǎn)子采用奇數(shù)槽,這樣可以減少同步寄生轉(zhuǎn)矩,避免起動時產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。

(4) 采用5/6短矩系數(shù)可大大削弱5次諧波和7次諧波產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩影響,對變頻電機減少高次諧波影響起到十分重要的作用。

1.2 轉(zhuǎn)子槽形優(yōu)化設(shè)計

(1) 為了抑制高次諧波損耗的增加,異步電機轉(zhuǎn)子應(yīng)采用集膚效應(yīng)小的特殊槽形,槽面積盡可能大,槽形宜淺不宜深,槽形總體上寬下窄；采用直槽而非斜槽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以減少其負載損耗［8］。

(2) 采用磁性槽楔,不但能減小有效氣隙,降低空載電流,改善功率因數(shù),還能降低氣隙諧波磁勢分量,減小諧波磁勢引起的附加損耗和其他不良影響。

(3) 在定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)相同的情況下,可選擇不同的轉(zhuǎn)子槽形、尺寸,進行效率和功率因數(shù)優(yōu)化設(shè)計,從而確定高效優(yōu)化的最終電磁設(shè)計方案。

1.3 氣隙的優(yōu)化設(shè)計

電機的氣隙增大,將使勵磁電流增加,電機功率因數(shù)下降,同時氣隙中的諧波磁場也將降低,附加損耗減少。另氣隙的增大可以使定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)配合部件的加工精度和同心度適當降低,減小了加工的難度和時間。

普通電機氣隙通常采用經(jīng)驗公式：

δ=Di11001+92p

其中:δ為電機的氣隙(mm)；Di為電機定子內(nèi)徑(cm)；p為電機極對數(shù)。

變頻電機氣隙應(yīng)比同容量普通電機氣隙稍大一些。

1.4 基于模糊自適應(yīng)設(shè)計模型的電磁優(yōu)化設(shè)計

文獻［5］給出了變頻調(diào)速異步電機不同定子槽形的定子設(shè)計公式,一旦給定定子電密、氣隙磁密、定子齒軛磁密(J1,Bg,Bt1,By1)等參數(shù),定子結(jié)構(gòu)和主要尺寸就完全確定,并隨槽形和定子內(nèi)外徑比值的改變而改變。這些公式使變頻調(diào)速異步電機的設(shè)計完全由其電密和磁密的設(shè)定值控制,不僅消去了傳統(tǒng)設(shè)計中的經(jīng)驗參數(shù),而且使這些電密和磁密的設(shè)定與變頻調(diào)速系統(tǒng)中電機的運行性能建立密切關(guān)系。

文獻［5］以此為基礎(chǔ)進行了基于自適應(yīng)模型的電磁優(yōu)化設(shè)計。在該自適應(yīng)模型中,定子內(nèi)外徑之比λ是不確定的,這個變量的選取對電機的性能會有很大的影響。該設(shè)計則將模糊控制應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計中,建立一變頻調(diào)速異步電機模糊自適應(yīng)模型,通過模糊自適應(yīng)過程不斷調(diào)整選取λ參數(shù),以達到同時滿足定、轉(zhuǎn)子電磁負荷設(shè)定的目的。

變頻調(diào)速異步電機模糊自適應(yīng)設(shè)計流程見圖1。

圖1 變頻調(diào)速異步電機模糊自適應(yīng)設(shè)計流程圖

2 變頻電機電磁設(shè)計軟件開發(fā)

本設(shè)計軟件是在Windows平臺上用VB 6.0開發(fā)的,適用于Windows 98以上的操作系統(tǒng),視窗化設(shè)計,全漢化顯示,界面友好,人機交互,提高了工作效率。

圖2所示為該軟件編寫的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 電磁設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)框圖

電磁設(shè)計程序采用VB語言編寫。優(yōu)化電磁計算方法以文獻［5,8,9］為基礎(chǔ),并對其提出的電磁計算方法進行改良,將模糊控制應(yīng)用至文獻［5］提出的異步電機自適應(yīng)設(shè)計模型中,得到了異步電機模糊自適應(yīng)設(shè)計模型。

3 設(shè)計實例

現(xiàn)利用開發(fā)的變頻調(diào)速異步電機電磁設(shè)計軟件進行一7.5 kW變頻調(diào)速異步電機的電磁設(shè)計。

3.1 數(shù)據(jù)輸入主體窗口

其主要額定參數(shù)輸入主體窗口見圖3。

圖3 額定參數(shù)輸入界面

點擊界面上的“計算”,軟件中將自動優(yōu)化,得出定子參數(shù),轉(zhuǎn)子參數(shù),電路參數(shù)、電流及損耗等參數(shù),然后進行整體優(yōu)化,得出最佳設(shè)計方案。

3.2 計算結(jié)果

定子參數(shù)如圖4所示,轉(zhuǎn)子參數(shù)如圖5所示,損耗及效率如圖6所示。

圖4 定子參數(shù)

圖5 轉(zhuǎn)子參數(shù)

設(shè)計結(jié)果：

(1) 定轉(zhuǎn)子槽配合為36/23；

(2) 轉(zhuǎn)子槽形選擇上寬下窄的平底槽；

(3) 氣隙比同容量普通電機氣隙稍大,增大0.026 mm。

(4) 效率為92%,比設(shè)計要求的性能還要好。

依據(jù)以上參數(shù)設(shè)計的變頻調(diào)速異步電機性能良好,滿足設(shè)計要求。

圖6 損耗及效率

4 結(jié) 語

變頻調(diào)速異步電機應(yīng)用日益廣泛,其設(shè)計水平也越來越高。該文提出了變頻調(diào)速異步電機的優(yōu)化電磁設(shè)計方法，利用VB 6.0研制了變頻調(diào)速異步電機的電磁設(shè)計軟件。實例結(jié)果表明本文提出的電磁設(shè)計方法是有效、正確、先進的,開發(fā)出的電磁設(shè)計軟件設(shè)計準確、方便實用。

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作者簡介 肖金鳳 女,1972出生,湖南衡陽人,碩士,副教授,碩士生導師。主要研究方向為電機及其控制、智能控制。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。