变频电动机设计制造的应用

在历史进程中，交流电动机出现比变频调速装置要早，变频器基本上是针对已有的电动机来“配套”运行的。但是，在电动机和变频器之间存在着相互适应的问题。在变频调速日益普及的今天，结合变频工况的特点来设计制造专用电动机，可以获得更加合理的效果。

传统异步电动机的设计中特别需要考虑要使起动转矩足够大，以保证电机带载起动，并缩短起动过程。按照电机理论，增大起动时的转子电阻就可以增加电机的起动转矩，但在正常运行时，较大的转子电阻又会增加正常运行时的损耗。所以可以将转子设计成双鼠笼绕组或深槽结构：起动时磁场已按同步转速转动，转子绕组尚处低速，二者相对运动速度比较大，集肤效应显著，转子电流被“挤”到外鼠笼或深槽的近表面层，这样转子绕组的有效电阻增大，起动转矩增加；而在正常运转时，转子转速与磁场转速接近，二者相对运动速度比较小，集肤效应几乎消失，转子电流比较均匀地分布在整个转子绕组中，转子电阻恢复正常，损耗减小到正常值。这本来是很好的设计构思，但它又必然使转子的径向尺寸加大，定子尺寸也必然随之加大，整个电机的有效材料和结构材料都要增多。但这都已被认为是十分正常、无可挑剔的。

但是，在变频工况下，电动机依施加频率的逐渐提高而起动，磁场旋转速度随频率同步加快，转子也始终可以与当时的磁场转速接近，不产生明显效应；另一方面，电动机的转矩－转速曲线又是随着频率变化而向低速侧平移，在变频工况下，低频时的转矩向最大转矩靠近。也就是说，变频工况下电动机的起动转矩不是问题，不需要像传统电机那样靠增加转子电阻来提高起动的转矩，加上变频起动时转子绕组不存在明显的集肤效应。所以双鼠笼或深槽的结构对变频起动是不必要的。在同样功率下，变频工况专用电动机可以把转子槽形设计得浅扁一些，径向尺寸明显缩小，电机的整个尺寸和材料消耗都相应减少，电机效率反而提高。这是利用了变频工况有利的一面。

另一方面，变频工况下电机中会出现谐波电流和相应的谐波磁场。它们会引起谐波损耗而使电机发热增加，还可能出现谐波转矩，使电机在起动过程中出现附加振荡。这给电机设计提出新的要求：选择合理的定子与转子槽数，采取适当的斜槽措施，减少谐波转矩的影响。另外电机中的谐波又分成两种：一是由电流谐波激发出的时间谐波磁场；二是由绕组分布得不连续而形成的空间谐波磁场。如果通过仿真选择适当的方案，使两种谐波得到适当补偿也是值得探讨的。所以，严格地说，传统设计的电机在变频运行时需要考虑降容量运行；变频工况专用电动机设计制造时可以大大削弱谐波的影响。所以，权衡正、负两方面的影响，设计出适合变频工况专用电动机，可以得到扬正抑负的效果。