隨著各種電力電子器件的不斷更新以及計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高，交流變頻調(diào)速得到了飛速發(fā)展，其優(yōu)良的調(diào)速性能、節(jié)能特性和較高的可靠性使其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，現(xiàn)正全面取代直流調(diào)速系統(tǒng)，而且逐步擴(kuò)大到定速系統(tǒng)中。目前交流調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)各領(lǐng)域，甚至家用電器等各方面得到全面的應(yīng)用。但作為變頻調(diào)速的執(zhí)行機(jī)異步電動(dòng)機(jī)，絕大多數(shù)系統(tǒng)仍采用普通的異步電機(jī)。就系統(tǒng)而言，采用變頻調(diào)速的目的是充分利用異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、安全可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，通過改變供電頻率的技術(shù)克服異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難、調(diào)速性能差的缺點(diǎn)。隨著變頻器及調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，目前，采用普通異步電動(dòng)機(jī)作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行元件已成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸，性能的提高越來越難。

　　研制適合變頻調(diào)速系統(tǒng)的變頻電機(jī)成為交流調(diào)速領(lǐng)域的比較重要的課題。但變頻異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)難度較大，因?yàn)椋阂皇钦{(diào)速系統(tǒng)所采用的模式各不相同，如SPWM、空間矢量、六階梯波、多重化技術(shù)等，而且每種模式還有許多變形，逆變器種類又有電壓型和電流型之分，因此變頻異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件可謂千差萬別。二是變頻方式運(yùn)行對(duì)異步電機(jī)的性能究竟有何影響，人們只知道變頻運(yùn)行將會(huì)改善起動(dòng)與調(diào)速性能，同時(shí)會(huì)使得電機(jī)損耗加大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加，散熱出現(xiàn)困難，電流、電壓、磁場(chǎng)諧波成分增加，但缺乏可靠的定量計(jì)算。本文給出了變頻運(yùn)行方式下異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的諧波電流、轉(zhuǎn)矩、損耗的定量計(jì)算公式，并把普通異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的6個(gè)約束條件降為變頻異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的3個(gè)，大大解放了變頻電機(jī)設(shè)計(jì)。

　　資金項(xiàng)目：安徽省教育廳自然科學(xué)基金資助（97L0005）。

　　1變頻運(yùn)行方式對(duì)異步電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的影響變頻運(yùn)行方式對(duì)異步電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的影響是多方面的，對(duì)這種影響的定量分析對(duì)于電機(jī)的設(shè)計(jì)是必要的。由于電流型逆變器與電壓型逆變器供電的交流調(diào)速系統(tǒng)有較大的差別，并考慮到后者是中小型交流調(diào)速系統(tǒng)的主流，因此這里分析的是電壓型逆變器供電時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)性能。

　　2.1異步電機(jī)諧波電流與磁勢(shì)變頻運(yùn)行時(shí)三相異步電機(jī)諧波電流可由公由于一般PWM波具有三相對(duì)稱性，變頻器輸出的是線電壓，故電機(jī)中不含有3的整數(shù)倍次電壓諧波、電流諧波（即使有，只要對(duì)稱空間，合成磁場(chǎng)亦為零）。因此在PWM波生成時(shí)，應(yīng)使PWM波具有對(duì)稱性是很重要的。

　　顯然，式（3）表示的是一個(gè)正弦分布、同步速為-im，極對(duì)數(shù)為0的空間基波反轉(zhuǎn)磁勢(shì)；轉(zhuǎn)差率為+-1/1n，產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

　　該磁勢(shì)是一個(gè)正弦分布、同步速為！的正轉(zhuǎn)空間基波磁勢(shì)，當(dāng)！

　　=1，=1時(shí)即為基頻電壓產(chǎn)生的基波電勢(shì)=3-2次空間基波磁勢(shì)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為%產(chǎn)生拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。

　　2.2異步附加轉(zhuǎn)矩由，但功率因素低、磁通小，使得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，因此，傳統(tǒng)異步機(jī)設(shè)計(jì)為了滿足恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的要求，使用深而窄的槽形或雙籠，極大限制了體積的減小，從而造成材料的浪費(fèi)，同時(shí)也增加了加工成本。

　　由逆變器供電給變頻電機(jī)設(shè)計(jì)帶來了解放，傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)6個(gè)約束條件，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流可不再考慮實(shí)際上比較大轉(zhuǎn)矩作為約束條件也沒有必要存在，因?yàn)樽鳛樽冾l器其電流過載能力十分有限，瞬時(shí)承受比較大轉(zhuǎn)矩能力一般也就在17倍額定轉(zhuǎn)矩，遠(yuǎn)小于普通電機(jī)的22~28倍。這樣，變頻電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮溫升、效率、功率因素。因此可以在以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化：轉(zhuǎn)子槽不需設(shè)計(jì)為深槽，可以對(duì)電機(jī)整體尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以減小體積和成本轉(zhuǎn)子槽形的優(yōu)化可以使轉(zhuǎn)子齒、軛節(jié)省空間；在降低電機(jī)整體尺寸、降低成本的基礎(chǔ)上，效率和功率因素均可設(shè)計(jì)得更高一些。

　　31極數(shù)與額定頻率的選擇電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由用戶給定的，是一個(gè)給定量。在速度一定的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)首先要確定電機(jī)的極數(shù)和額定頻率電機(jī)極數(shù)的多少與電機(jī)的基本尺寸、效率、功率因素有關(guān)，是電機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，在設(shè)計(jì)中是較早需要確定的。和普通電機(jī)設(shè)計(jì)不同，由于頻率可調(diào)，因此，極數(shù)的選擇便有了較大的靈活性，一般來說在轉(zhuǎn)速相同的前提下，極數(shù)少的電機(jī)效率高、功率因素高，但繞組端部較大，用銅量增加，漏抗增加，每極磁通增加，定子軛部增高、定子鐵芯外徑增大；極數(shù)多則相反。由于轉(zhuǎn)速是按用戶提出確定的，不同于普通電機(jī)設(shè)計(jì)，變頻電機(jī)可以通過改變供電頻率而改變同步轉(zhuǎn)速，從而可很方便保持額定速度不變。一般來說以極數(shù)在4 ~10極為宜。在電機(jī)極數(shù)確定之后，依下式即可確定額定頻率。值得一提的是額定頻率應(yīng)選在變頻器的輸出頻率范圍內(nèi)。

　　這里要指出的是，大多數(shù)交流電機(jī)調(diào)速運(yùn)行，是固定在某一轉(zhuǎn)速上運(yùn)行或大多數(shù)時(shí)間運(yùn)行于這一轉(zhuǎn)速上的。我們這里討論的是這種定速運(yùn)行的電機(jī)設(shè)計(jì)，而對(duì)于那些需在較為寬廣的速度范圍內(nèi)運(yùn)行的電機(jī)，其設(shè)計(jì)基本原理相同，設(shè)計(jì)也就是尋求在運(yùn)行范圍內(nèi)的性價(jià)比的優(yōu)化。當(dāng)然二者的目的不同，結(jié)果也就不同。正因?yàn)槿绱?，今后電機(jī)也將由過去的通用型為主逐3.2電磁負(fù)荷與氣隙的選擇電機(jī)的比較大效率出現(xiàn)在銅耗與鐵耗接近相等時(shí)，因此選擇電磁負(fù)荷應(yīng)適當(dāng)控制電、磁負(fù)荷的比值，比值過大或過小將導(dǎo)致效率或功率因素的減少。對(duì)于電壓型逆變器供電的電機(jī)，電、磁負(fù)荷之比可略選大一點(diǎn)，也就是在不過份降低功率因素的前提下，適當(dāng)增加定、轉(zhuǎn)子漏抗，以諧制諧波電流、轉(zhuǎn)矩等，考慮到轉(zhuǎn)子鐵芯采用的也是冷軋鋼片，實(shí)際設(shè)計(jì)中取0.72T，而"）320A/cm，對(duì)氣隙的選擇則仍是小一點(diǎn)為好，但由于變頻運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩沖擊與脈振較大，因此為避免鐵芯撞碰，氣隙仍應(yīng)稍大于普通電機(jī)。氣隙略大亦可適當(dāng)抑制磁場(chǎng)諧波。

　　3.3槽形的選擇由于變頻起動(dòng)時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大而起動(dòng)電流可控制較小，設(shè)計(jì)中可首選轉(zhuǎn)子平行槽，這樣可使轉(zhuǎn)子磁路更加合理，減少槽深，增大轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的截面，減少損耗，改善電機(jī)的輸出特性和提高運(yùn)行性能，這一點(diǎn)在普通電機(jī)設(shè)計(jì)中是做不到的。同時(shí)，對(duì)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)子是否需要斜槽有不同的看法。普通異步電機(jī)斜槽的目的是對(duì)寄生于基本磁場(chǎng)的齒諧波予以削弱，克服齒諧波產(chǎn)生的同步附加轉(zhuǎn)矩對(duì)起動(dòng)的影響；削弱齒諧波產(chǎn)生的附加損耗等不利影響。各類變頻調(diào)速運(yùn)行模式都絲毫不能削弱齒諧波，但采用變頻技術(shù)之降壓。頻/之后，同步附加轉(zhuǎn)矩對(duì)起動(dòng)的影響已甚小，從這一點(diǎn)來說也可不采用斜槽，但齒諧波造成的不利影響還有如損耗加大、電機(jī)噪音加大等，綜合考慮還是宜采用斜槽。

　　3.4電機(jī)的溫升與散熱變頻電機(jī)盡管有較大的諧波電流、諧波轉(zhuǎn)矩，會(huì)帶來附加損耗的增加，但只要在設(shè)計(jì)中留有一定的裕量，減少基本鐵耗與銅耗，在主要尺寸降低的同時(shí)，效率不會(huì)低于普通電機(jī)。盡管如此，由于其額定頻率較低，對(duì)一般自扇冷的電機(jī)來說，轉(zhuǎn)速愈低，散熱效果愈差，溫升與散熱的矛盾就越大。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，額定運(yùn)行速度較低的電機(jī)應(yīng)采用強(qiáng)化散熱措施，額定轉(zhuǎn)速在500r/min以下的電機(jī)應(yīng)采用獨(dú)立的風(fēng)機(jī)。

　　3.5設(shè)計(jì)結(jié)果基于以上各方面考慮，我們?cè)O(shè)計(jì)了一臺(tái)額定功率與額定頻率為7. 5KW、25Hz的變頻異步電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為720r/min，4極。相對(duì)于同樣額定轉(zhuǎn)速的50Hz普通異步電動(dòng)機(jī)來說，額定效率增加1個(gè)百分點(diǎn)，功率因素增加3個(gè)百分點(diǎn)，總體積有所下降，制造成本降低。

　　4結(jié)語(yǔ)目前，國(guó)外各大公司非常注重變頻電機(jī)的開發(fā)與生產(chǎn)，并與變頻器配套，發(fā)展迅速，以日本東芝為例，推出200KVA以下的變頻電機(jī)就有8個(gè)系列（通用、精密、單相、主軸、高速、機(jī)電一體化及經(jīng)濟(jì)型/.因此，發(fā)展變頻調(diào)速電機(jī)，用各種專用電機(jī)來取代原有的通用電機(jī)以替代進(jìn)口已成為我國(guó)機(jī)電行業(yè)的十五“期間的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整重點(diǎn)。在我國(guó)由于對(duì)變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)理論缺乏研究，至今沒有成熟的變頻電機(jī)產(chǎn)品。正是在這一背景下，我們開展了對(duì)變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討。由于變頻電機(jī)設(shè)計(jì)的約束條件相比于傳統(tǒng)異步電機(jī)來說減少一半，因此，給電機(jī)設(shè)計(jì)留下了豐富的空間，相信在此基礎(chǔ)上，我國(guó)變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)會(huì)很快得以發(fā)展。