9.3变频电动机参数设计

由于不受起动性能的限制，变频电动机的设计可以更多地考虑定、转子的槽配合，槽形和槽的尺寸，漏抗和电阻减小等方面的问题，可使转子槽的有效面积加大，带来电动机效率和功率因数的增大、最大转矩的增加。

变频电动机极数的确定

由公式（1-s) =/m/60，在电动机的最大频率和转 速确定后，就可选定极对数，最大频率应在变频器输出频率的允许 范围之内。工程中变频电动机较多采用2对极，例如YVF2系列变频电动 机，多为4极电动机。极对数的多少与电动机的基本尺寸和电动机的漏抗有关，极对数少，定子绕组端部长度增大，漏抗增加；反之，极对数多，漏抗减小。因此，对电压型变频电动机，要适当选

择较少的极对数；对于电流塑变频电动机要适当选择较多的极对数。

变频电动机主要尺寸设计

按传统的异步电动机主要尺寸设计的数学公式

式中 h——定子的内径；

L——定子铁心长；

B,——气隙磁密；

P——额定输出功率；

V——电动机效率；

cos 9-- 功率因数；

K_e——电动势系数；

A：_w——定子绕组系数；

A—-电动机的线负荷。

对中小型异步电动机，C近似为一个常数，在设计中被称为电动机常数，该常数包含了电动机线负荷、气隙磁密、效率和功率因数等信息，在传统电动机设计中非常重要。按以h公式，在电动机容量和同步转速给定以后，电动机的定子内径和铁心有效长度的关系式就可以确定，再根据定子用铜量最小的原则，可确定△/X>ii的值为

L/Dn =：pcosa

式中艮——定子绕组短距比；
p——电动机极对数；
a——绕组端部连线角度。联合上列各式，可基本确定电动机的主要尺寸/^和L。采用传统的电动机设计方法来设计变频电动机时，主要从异步电动机的 整体特点出发，未考虑变频电动机的个体特征。而变频电动机由于采用了变频调速装置以后，电动机的性能和运行特点都发生了较大变化，电动机设计所考虑的重点也与普通异步电动机有差异。所以，在传统的异步电动机设计的基础上，也可从变频电动机的自身特性出发，对变频电动机进行优化设计。

槽形和阻抗设计

为了减少定子铜损耗，提高电动机的效率，希望定子电阻越小越好。变频调速电动机的定子槽形主要受电动机齿、轭部磁密的限 制，在磁密允许的前提F,尽可能地增大槽面积。但同时要抑制高 次谐波，主要办法是增加定子漏抗，以使电动机总漏抗增大。增加 定子漏抗的方法有：将定子槽形设计成“槽深而窄”、采用磁性槽契、增加定子每相绕组串联匝数等。

定、转子电阻的确定应改善电动机对非正弦电源波形的适应能力，为此，应尽可能减小定、转子的电阻。降低定子电阻既可减少 基波铜损耗，以弥补卨次谐波引起的铜损耗增加，又可减小低速时的定子电阻压降，使最大转矩有所上升。降低转子电阻不仅"J以减 少因基波和高次谐波所产生的转子铜损耗，还可在一定程度上抑制低速时的转矩脉动。考虑集肤效应时，定、转子的集肤效应系数可按下式近似计算：

对于圈式定子绕组，电阻的增加系数为

6_lk = 1 + 0• 107m²( 6/_k/6_s50)²/^e x 10⁸ (9-8)

£ ⁼ L/\/{, L\ +

式中m——沿定子槽高的排数；

/V„——并绕根数； b——导线宽度； b_s——定+槽宽；

h_A——槽中导线铜的总高度；

L\ 铁芯长；

式中仏、/e2—不考虑集肤效应时定、转子每相电阻；6ik. e2k——次谐波频率下考虑集肤效应对定、转子电阻影响的系数。

1.转子槽形设计

转子槽形对变频调速电动机性能影响很大，是电磁设计过程中的-项重要的工作。其选择可遵循以下原则：

(1)槽面积尽可能大变频电动机一般是采用低频起动，在低频K电动机具有相当大的起动转矩和小的起动电流。因此，不仅毋需增加转了•电阻来限制起动电流和增大起动转矩，反而应尽量减小转子电阻，以减少转子锎损耗，提高电动机的效率，这意味着槽面积尽可能大。

(2)槽形宜浅不宜深抑制高次谐波应增加电动机总漏感，但山于谐波频率很高，集肤效应显著，转子漏感在转子频率增加时急速下降。同时，高次谐波的转子频率很卨，转子漏感对高次谐波起不到抑制怍用•，而基波的转子频率很低，转子漏感较大。考虑到转l_e——端部半匝氏。

对转子导条，集肤效应对电阻的增加系数为

sh(2?) +sin(2〇

^e2k^ch(2C)-e〇s(2?)   ⁽⁹-⁹⁾

集肤效应对转子电抗的减小系数6xk为

3   sh(2?) -sin(2^)

〜⁼元   ^(9-10)

/ (1)〇1

以上两式中，C = 〇• 198/1_B/Vy ^

式中“——转子导体等效高度；

外——归算温度下转子导体的电阻率；

C0_2k——A次谐波的转差频率。

对/c次谐波，定、转子电阻按下式计算：

尺lk ⁼冬lk尺丨，

^2k = ^2k^2

式中仏、r₂—不考虑集肤效应时定、转子每相电阻；

ei_k> ?2k——a次谐波频率下考虑集肤效应对定、转子电阻 影响的系数。

1.转子槽形设计

转子槽形对变频调速电动机性能影响很大，是电磁设计过程中 的-项重要的工作。其选择可遵循以下原则：

槽面积尽可能大变频电动机一般是釆用低频起动，在低 频K电动机具有相当大的起动转矩和小的起动电流。因此，不仅毋 需增加转了•电阻来限制起动电流和增大起动转矩，反而应尽量减小 转子电阻，以减少转子铜损耗，提高电动机的效率，这意味着槽面 积尽可能大。

槽形宜浅不宜深抑制高次谐波应增加电动机总漏感，但 山于谐波频率很高，集肤效应显著，转子漏感在转子频率增加时急 速下降。同时，高次谐波的转子频率很卨，转子漏感对高次谐波起 不到抑制怍用；而基波的转子频率很低，转子漏感较大。考虑到转f•锥波漏抗(磁通运行时电动机的最大转矩成正比，因此要尽可 能减少转子漏感。所以转r•槽形宜浅不宜深，且应尽量避免将转子槽设计成瘦k形。

m形总体k足上宽下窄这"丨获得运行性能良好的平行f又I,而fL可以降低高次谐波的集肤效应作用。在具体选择槽形尺寸吋，应综合考虑转t槽形各部分尺寸对电动机性能的影响。

如变化转f槽上底可使齿宽和槽面积改变，主要起到调节 电磁负荷的比例和改变槽形宽高比的作用，在其他尺寸不变的条件 下，随着&的增加，槽漏抗减小，这是减小槽漏抗的最好途径。 而EL随着的增大，转子铜损耗先减小后增大，效率先上升后下降；而转7•槽K底6₂增大时，转子面积却增长不多，从而使转子 齿、轭部的磁密很快增加，但6₂能同时增大起动转矩，降低起动电流，对电动机起动性能的改善有益。

半闭口槽槽口漏磁导率/l〇2//^)不受转子频率 及集肤效应的影响，因此增大Au对提高转f各谐波作用下的漏抗，抑制高次谐波很有效。但要同时注意到此时基波漏抗也在增大。所 以槽口宽6〇2不能过小，更不能为零（即闭「-1槽），而应该釆用半闭 口槽。同时，变频电动机的电磁性能对转？槽口尺寸6〇2和心2反应 比较敏感，特别在考虑到谐波影响时，其关系更为复杂，电动机的多项性能如效率和功率因数往往不能同时兼顾，这需要在设计时综合考虑。

转子采用直槽为了避免由于扭斜漏磁通产生的谐波损耗，通常转子不采用斜槽。对普通异步电动机来说，把笼形转子做成斜槽，其目的是为了削弱有害的附加转矩，降低电磁噪声。然而在变频电动机中，附加转矩和电磁噪声主要是由各次谐波的作用产生的。斜槽此时几乎无济于事，反而会造成漏磁增加，磁场扭转损 耗明显加大，所以不采用斜槽。此外，变频采用低频起动，也不需 要采用斜槽来改善起动性能。试验证明，大中型电动机转子直槽损 耗比斜槽要小得多，而且对于500kW以长度较长的电动机，采用斜一•个定-f槽距会在笼条之间会产生较大的横向电流。根据以上原则，变频电动机无论M低压小容量还是高压大容。

采用不同的槽形对变频电动机设计的结果是有影响的，特别是对电动机进行优化设计时，不同的槽形对电动机的效率和功率因数的影响也各不相同。所以在转子槽形选择的自由度较大时，应合理选择对电动机设计目标最有利的槽形。

1.定转？绕组漏抗的确定

普通异步电动机漏抗的大小对电动机性能影响是非常大的，它主要体现在电动机的起动电流、起动转矩、最大转矩和功率因数上。但在变频电动机中，由于不存在起动问题，因此对电动机漏抗的大小要求也有所变化。对电压型逆变器而言，为抑制电流中的高次谐波要适当增加电动机的电感量。但是，转子槽漏抗较大的槽形，集肤效应也大，故高次谐波的铜损耗也增大。而且，具有较大转子电感的电动机，在恒功率调速区域，最大转矩将随电源频率的增加而降低，有可能使电动机难以维持恒功率运行。另外，漏电感过大会导致逆变器的凋压范围增加以及电动机体积变大，成本增加。因此电动机漏感的大小要照顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性以及逆变器的技术指标。对采用双极性的SPWM逆变器时，若要求电动机在额定运行时。