频率很高时交流变频电机设计分析

    董超奎，仵均科

    (西安微电机研究所，陕西  西安    710077)

  摘  要：提出了当频率很高时交流变频电机的设计方法，通过实例试算，指出了电机的设计特点。

  关键词：变频电机；异步电机；设计

1  引  言

    交流变频电机是通过改变电源频率，从而达到改变电机运行转速的同步电机或异步电机。从理论上讲，当电机极数一定时，交流电机的同步转速与频率严格成正比，也就足频率怎样改变，电机的转速也相应改变。但是对于已制造好的、特定的电机来讲，其频率变化总有一定范围。如果超出这一范围，电机的性能就要变坏，甚至无法运行。目前家用电器(如空调器)中使用的变频电机，其频率变化范围较窄，一般在15～150Hz之间。与普通工频50Hz相比，这一频率变化范围显得不大。本文主要研究当频率在很高、很宽范围变化时，交流变频异步电机的设计原理。当电机体积一定时，电机的输出功率与转速基本成正比。当变频电机频率在****时，电机的输出功率为****。文中通过具体的方案试算，指出了变频电机的一些设计特点。

2频率改变时电机的运行特点

    频率恒定的异步电机是按频率为某一给定值设计的，要求在实际使用中电机供电电源的频率在很小范围内变动，一般为正负百分之一，否则将引起电机性能发生很大的变化。变频电机工作的特点是电机工作时随着电源的频率变化电机均能给出满足使用要求的输出特性。由于实际中要求电机的转速随负载大小不断变化，因而就提出了采用变频电机。采用变频电机的优点是电机像传统交流电机一样结构简单、运行可靠、性能稳定、维护方便。加之目前变频器已成为市场认可的成熟商品，其性能与价格用户完全能够接受。这就使变频电机的使用变得极为方便。

    变频电机工作时要保持电压与频率的比值不变，即U／f=常数。对于已设计好的电机，只有保持己u／f=常数才能使在电源频率变化时电机的气隙磁密及定、转子铁心中的磁密基本不变。如果为恒转矩负载，则当频率改变时，输出电压、功率与频率成正比例变化。本文讨论的就是恒转矩负载时变频异步电机的设计特点。当负载为恒转矩时，电机的输出功率与转速(频率)成正比。

3电机的电磁设计

    变频电机在实际工作时频率是变化的，但在某一工作点上可认为其频率是恒定的。这样就可采用传统的异步电机电磁设计方法对变频电机进行电磁设计，但应考虑电流谐波成分增大使得损耗和温升有所增加。在频率变化时，可计算在不同频率下电机的稳态运行特性。本文进行了两个规格电机的电磁计算，基本技术数据及计算参数如下所述。

3．1  电机额定技术指标

两种规格电机的额定技术指标见表1，进行电磁计算时就以此指标为基准。

3．3电机电磁计算方案

两个规格电机的电磁计算方案见表3。表中给出了电机的电、磁负荷及转矩大小。计算表明，对特定电机，其电磁负苘选择要适当，即电磁负荷的比例要恰当，只有电磁负荷分配均匀了，电机的性能才能达到****。

3．4不同频率下电机的电气性能指标

表4给出了70YGD01电机在不同频率下的电气性能指标。从表中可以看出，当电机的频率、输入电压和输出功率成比例变化时，电机的磁负荷基本保持不变，电机的电负荷及性能略有变化。这就说明在恒转矩负载下，只要保持电源电压与频率的变化为恒定比例，电机就可输出满足使用要求的特性。

4电机的机械设计

电机在每分钟数万转的高速下运行时，用普通轴承因发热严重及损耗过大根本不行。本文电机的轴承采用空气动力轴承以减小高速运转时的摩擦力矩。从上面计算可以看出，在特定频率下，电机的电磁负荷较高，因此为保证电机在正常工作时温升不至于太高，电机的冷却必须采取有效措施。本文的电机机壳采用外循环强迫水冷，以降低电机温升。这样就保证了电机在高速下能正常工作。电机定子绕组采用耐高温环氧树脂胶灌封固化工艺，以增加绕组的耐热性和机械强度。

5  结  论

变频电机与普通非变频电机在设计及运行上是不同的。因此在制造及使用变频电机时要给予充分的考虑。一般来说，变频电机的设计要比普通的电机复杂。当采用变频器供电时，在某一特定频率下变频电机的输出特