CN1141774C - 变频调速交流异步电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于对机电能量转换装置的设计领域，该电机主要尺寸满足以下公式：式中，C_o为常数，D_o为定子外径，J₁为定子电密，x＝η·cosθK_w/K_E，λ＝D_i/D_o，f_o(λ)为与定子内部磁密和定子槽形有关的函数，K_cu为定子槽内导体面积所占的比例。本发明可充分利用变频器电源所有的变频变压供电条件，挖掘电机本身潜能，提高电机性能，降低其制造、运行成本。

Description

变频调速交流异步电机

本发明属于对机电能量转换装置的设计领域，特别涉及变频调速交流异步电机设计。

传统的异步电机设计是以额定运行点(恒频恒压电源)作为设计点，且据 $D_i^{2}l=\mathrm{\ξ}\frac{P}{n}$ 作为主要尺寸设计依据，其中D_i为定子内径，l为铁芯有效长度，P为输出功率，n为额定耗速，ξ为电机常数。该设计的特点是不考虑定子铜铁的最优比例，对定子外径没有限制。另一方面，由于要考虑电机的起动特征，通常将转子槽形设计成双鼠笼或深槽形，如图1所示，其中(a)为双鼠笼槽形，(b)为深槽形，b₁为槽上宽，b₂为槽下宽，h_b为槽高，(b₁＜b₂，h_b＞＞b₂)。这两种槽形通过挤流效应增大转子电阻以提高起动转距，但同时增加了电机定转子体积和漏磁，降低了电机最大转矩、功率因数以及效率。由该设计制造出来的电机通常体积大、重量重、效率低。传统的异步电机主要尺寸设计公式为： $D_i^{2}l=\mathrm{\ξ}\frac{P}{n_s}---\left(1\right)$ $\mathrm{\ξ}=\frac{{\mathrm{CK}}_E}{K_w{B}_g\mathrm{A\η}\cos \mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

式中，C为常数，Di为定子内径，l为电机铁芯长度，P为输出功率，n_s为额定同步转速，K_E为电势系数，K_w为绕组系数，Bg为气隙磁密，A为定子线负荷，η为电机效率，cosθ为功率因数。

上述公式通过电机常数ξ将输出功率、同步转速与转子的体积联系起来。但据此无法确定定子的体积大小；并且，传统公式中的ξ只与电机气隙中的磁密Bg和定子线负荷A相联系，而与电机内部的磁场分布和电流分布无关。显然，这难以反映电机内部电磁关系。

自八十年代初以来，现代交流变频调速技术发明使得异步电机的供电电源发生了根本性变化。由于采用高频开关电力电子变频器以及相应的控制技术，使得异步电机可以方便地在变频变压下运行，从而使异步电机的运行条件有了一个很大的变化，例如，通过降低电源频率来得到异步电机足够大的起动转距，通过适当对变频器电源调频调压，电机可以工作在最小转差率运行点上，等等。由于这些特点，传统异步电机设计已远远不能与之相适应。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种变频调速交流异步电机。可充分利用变频器电源所有的变频变压供电条件，挖掘电机本身潜能，提高电机性能，降低其制造、运行成本。

本发明提出的一种变频调速交流异步电机，其特征在于，该电机主要尺寸满足以下公式： $D_o^{3}l={\mathrm{\ξ}}_o\frac{P}{n_s}$ ${\mathrm{\ξ}}_o=\frac{1}{C_o{B}_g{J}_1{f}_o\left(\mathrm{\λ}\right)x{K}_{\mathrm{cu}}}$

式中，C_o为常数，D_o为定子外径，J₁为定子电密，x＝ηcosθK_w/K_E，λ＝D_i/D_o，f_o(λ)为与定子内部磁密和定子槽形有关的函数，K_cu为定子槽内导体面积所占的比例。

所说的电机的转子槽为平行齿，浅型、圆底槽形之一种，以得到均匀齿磁密，更小的漏磁通和更小转子电阻，进而提高电机效率和功率因数。

本发明的设计原理为：

当以电力电子变频器作为供电电源，异步电机的工作频率能得以方便改变，这样，随着工作频率的改变，电机的机械特性(转距——速度特性)就能平滑地左右移动，如图2所示。其中，n表示转速，T表示转矩，曲线1为在额定电压和额定频率下的机械特性，6为额定起动转矩，5为最大转矩，曲线2为在变频时的机械特性，7为此时的起动转矩，当匹配频率减小时，曲线2向4方向移动，当匹配频率增加时，曲线2向3方向移动。显然，随着匹配频率的减小，在起动点(n＝0)的转矩就能得到增高。这种可平移的机械特性使得可以用电机最大转矩作为其起动转矩，而不用专门为电机的起动特性作专门设计，从而牺牲其运行特性。

另一方面，当电机运行在某一工况时，通过对电力电子变频器电源调频调压，而使电机工作在最小转差率运行点上，使之损耗最小，效率最大，图3显示了该运行特点，曲线1′、2′和3′分别为在不同电压和频率下的机械特性，n₁、n₂和n₃分别为 $s_1=\frac{n_1-n_A}{n_A}$ 各自的空载转速，它们都可满足同一运行工况(A点转矩T_A和转速n_A)，但各转差率是不同的，它们的转差率分别为s₁、s₂、s₃：显然，s₁＞s₂＞s₃，即通过调节电压和频率到曲线(3)，改变机械特性曲线的斜率使运行点的转差率最小，而使涡流损耗最小，效率最大。 $s_2=\frac{n_2-n_A}{n_A}$ $s_3=\frac{n_3-n_A}{n_A}$

正因为上述运行条件不同于传统恒频恒压供电下的异步电机运行条件，使得异步电机设计策略发生变化。

本发明提出的变频调速交流异步电机主要尺寸设计公式为： $D_o^{3}l={\mathrm{\ξ}}_o\frac{P}{n_s}---\left(3\right)$ ${\mathrm{\ξ}}_o=\frac{1}{C_o{B}_g{J}_1{f}_o\left(\mathrm{\λ}\right)x{K}_{\mathrm{cu}}}---\left(4\right)$ 式中，C_o为常数，D_o为定子外径，J₁为定子电密，x＝η·cosθK_w/K_E，λ＝D_i/D_o，f_o(λ)为与定子内部磁密和定子槽形有关的函数，K_cu为定子槽内导体面积所占的比例。其特点是将定子外径D_o作为设计参数且以D_o ³形式出现，代替原公式中的D_i ²，以输出函数ξ_o(λ)代替原电机常数ξ，而使设计得到最大输出功率密度。

它与传统设计公式的区别在于：

1.它在形式上直接与定子尺寸相联系，从而使定子外径与电机铜铁比例得到优化。

2.ξ_o比ξ含有更丰富的电机内部信息，它不仅包括气隙磁密，还包括定子齿、轭的磁密。这意味着当利用该公式设计出定子的主要尺寸后，定子齿、轭和槽的尺寸也基本确定，这是与传统电机设计截然不同的地方。

3.公式中f_o(λ)称之为输出函数，可对f_o(λ)进行一维寻优，以找到令f_o(λ)最大值时的定子内外径比值λ＝D_i/D_o，即得到功率密度最大的电机设计，使电机体积得到优化。同样，也可对Bg、J₁以及f_o(λ)中的定子槽形参数和定子内部磁密等进行多维寻优，使电机的其它性能(如效率、功率因数等)得到优化。

本发明由于不用考虑电机本身的起动特性，转子槽可以进行优化设计，而得到更好的运行性能。图4给出本发明设计的转子槽形，如图4所示，b₁为槽上宽，b₂为槽下宽，h为槽高，它是一种平行齿、浅型、圆底槽形，b₁＞b₂且1＜h_b/b₂＜1.5。这样的设计使其转子导体有效电阻比传统异步电机转子的小，损耗减小，效率增加；另外，转子槽形比深槽设计得更宽、更短些，从而降低转子漏抗，增加最大转矩，以得到均匀齿磁密，更小的漏磁通和更小转子电阻，进而提高电机效率和功率因数。

附图简要说明：

图1为传统异步电机转子槽形示意图。

图2为变频器供电下的异步电机机械特性示意图。

图3为不同电压和频率下的机械特性示意图。

图4为本发明设计的转子槽形示意图。

本发明设计的一种变频调速交流异步电机实施例如下表所示。

P2：22kw    P：4           f：50Hz      U：380V      CONN：Y    INS：B
	Eff：90.2％   Pf：0.89      TM：4.2      A1：339      ist：9.7   Tst：4.4
D1：260mm     Di1：169mm    g：0.5mm     Di2：70mm    L：220mm   Kfe：0.95
	Q1：48        W1：72        a1：2        Y1：11       N1：6      D1：0.95mm
Q2：44        Dr：123mm     be：5.9mm    he：45mm
	Hw：2.5mm     Si：0.35mm    Dip：0.08

mm
	Hs0：1.75      Hs1：0.9mm        Hs2：19.9       Bs0：3.49       Bs1：6.74        Bs2：9.34mm                               mm              mm              mm               mm
Hr0：0.5mm     Hr1：1.67         Hr2：26.5       Br0：1mm        Br1：6.55        Br2：2.76mm                 mm                             mm               mm
	X1：0.0608     X2：0.0297        Xm：2.16        R1：0.0237      R2：0.0225       Sn：0.0264
I1：41.7A      I2：346.4A        J1：4.84        J2：2.74        Im：15.4A        Im0：18.4A
	Bg：6497       Bt1：16173        By1：16484      Bt2：16053      By2：16708       Bg0：6634
Pcu：814.2     Pal：616.7W       Pfe：450.5W     Pfw：69.6W      Ps：440 WW

表中：P₂：输出功率                  P：极数f：额定工作频率                U：额定线电压CONN：三相联接方式             INS：绝缘等级Eff：额定工作效率              Pf：额定功率因数TM：最大转矩倍数               Al：线负荷ist：起动电流倍数              Tst：起动转矩倍数D1：定子外径                   Di1：定子内径g：气隙宽度                    Di2：转子内径L：铁芯长                      Kfe：叠片系数Q1：定子槽数                   W1：定子每相串联匝数a1：定子每相并联支路数         Y1：定子绕组节距N1：定子每根导体并绕根数       D1：定子导线直径Q2：转子槽数                   Dr：端环直径be：端环宽                     he：端环高Hw：槽锲厚度                   Si：槽绝缘厚Dip：导线绝缘厚Hs0：定子槽口高                Hs1：定子槽过渡高Hs2：定子槽主高                Bs0：定子槽口宽Bs1：定子上底宽                Bs2：定子下底宽Hr0：转子槽口高                Hr1：转子槽过渡高Hr2：转子槽主高                Br0：转子槽口宽Br1：转子上底宽                Br2：转子下底宽X1：定子漏抗标么值             X2：转子漏抗标么值Xm：激磁电抗标么值             R1：定子电阻标么值R2：转子电阻标么值             Sn：额定滑差I1：定子电流                   I2：转子电流J1：定子电密                   J2：转子电密Im：激磁电流                   Im0：空载激磁电流Bg：气隙磁密                   Bt1：定子齿磁密By1：定子轭磁密                Bt2：转子齿磁密By2：转子轭磁密                Bg0：空载气隙磁密Pcu：铜损                      Pal：铝损Pfe：铁损                      Pfw：机械损耗Ps：附加损耗

Claims (3)

1一种变频调速交流异步电机，其特征在于，该电机主要尺寸满足以下公式： $D_o^{3}l={\mathrm{\ξ}}_o\frac{P}{n_s}$ ${\mathrm{\ξ}}_o=\frac{1}{C_o{B}_g{J}_1{f}_o\left(\mathrm{\λ}\right)x{K}_{\mathrm{cu}}}$

式中，C_o为常数，D_o为定子外径，J₁为定子电密，x＝η·cosθK_w/K_E，λ＝D_i/D_o，f_o(λ)为与定子内部磁密和定子槽形有关的函数，K_cu为定子槽内导体面积所占的比例。

2.如权利要求1所述的变频调速交流异步电机，其特征在于，电机的转子槽为平行齿，浅型、圆底槽形之一种。

3.如权利要求2所述的变频调速交流异步电机，其特征在于，所说的转子槽形尺寸为b₁＞b₂且1＜h_b/b₂＜1.5，其中b₁为槽上宽，b₂为槽下宽，h_b为槽高。