吴菲菲 厉彦玉 刘中伟

(1.临沂市河东区水利工程保障中心，山东 临沂 276029;2.临沂市河东区水务局，山东 临沂 276029)

1 研究背景

为提高城区低洼地区的排涝能力，临沂市实施开源路泵站、解放路泵站、书圣路泵站、水田路泵站4项工程建设，4大排水泵站分别位于城区的东南西北四个方位。北面是位于书圣路与柳青河交会处的书圣路泵站，南面是位于陶然路与开源路交会处的开源路泵站，东面是位于涑河南街与青杨路桥交会处的水田路泵站，西面是位于滨河西路与解放路立交交会处绿化带内的解放路泵站。泵站建成后大量的变频调速电机会大量使用，然而原有的高耗能、低效能电机的长期使用必然会造成造成巨大的用电损失，因此，对变频调速异步电机结构的进一步优化设计对水利设施电机设备提效降耗具有重要意义。

由于影响变频调速异步电机效率的主要因素是其内部存在的高次谐波。因此，变频调速转异步电机的结构设计的主要出发点要最大限度地抑制谐波，降低电机损耗，这需要从电机的定子结构和转子结构两方面进行设计。

2 定子结构设计

2.1 定子槽型尺寸设计

变频调速异步电机定子结构设计的一个重要内容是定子槽型尺寸的设计。无论电机处于空载、满载，还是其他运行状态，电机的谐波电流几乎是保持不变的，这是由于流入电机的谐波电流并不受电机的负荷或转速大小影响，而是由谐波电压以及电机回路的参数决定的。因此，从电机本体而言，较大的定子漏抗，可以有效地抑制电流谐波，提高电机功率因数。

电机定子漏抗可以反映电磁负荷，并受到绕组参数和定子槽型结构的影响。变频调速异步电机漏电抗的计算公式为

其中∑λ为电机的比漏磁导。由此可知，通过增加定子绕组匝数和将定子槽设计成深而窄的结构的方法可以增加定子漏抗。

以往的定子槽型结构设计中，是在假设硅钢片具有良好导磁性的基础上，综合考虑定子磁密和机械强度等相关参数，对电机槽型尺寸进行选择。这种基于磁路分析的方法无法准确考虑磁路饱和及谐波磁场的影响，也无法分析某一特定槽尺寸对电机损耗的影响。本文采用场路耦合有限元的损耗分析方法，建立变频调速异步电机的损耗计算模型，详细讨论定子槽口宽度、槽口高度、槽肩角、槽宽、槽高以及槽半径6个槽型尺寸对电机损耗的影响，进而指导电机定子槽型设计[1]。

梨形槽为中小型电机中最常用的定子槽型[1](见图1)。其中，b01为槽口宽度、hs0为槽口高度、α为槽肩角、bs1为槽宽、hs12为槽高、Rs为槽半径。

图1 变频调速异步电机定子槽结构

针对以上槽型尺寸，利用前面介绍的损耗计算方法，并结合变频调速异步电机的场路有限元模型，得到电机空载损耗随不同槽型尺寸的变化曲线(见图2)。

图2 电机空载损耗随不同槽型尺寸的变化曲线

通过曲线可以直观看出，槽高、槽半径以及槽宽对损耗影响较大，随着三者的增大，电机空载损耗明显增加；槽肩角、槽口宽度以及槽口高度则对损耗的影响较小，电机损耗随三者的变化并不明显。

2.2 绕组形式选择

变频调速异步电机定子结构设计的另一个重要方面是绕组形式的选择。对于中小型变频调速转子异步电机而言，其定子绕组应采用短矩或分布绕组，绕组节距一般取5/6极距，能削弱5次与7次相带谐波磁动势，减小基波和谐波铜损耗。对于大功率高转速的变频调速异步电机，应该考虑把定子绕组接成六相双Y偏30°绕组[2]，这种绕组形式可以完全消除所有的6k±1(k为奇数)次谐波，同时采用节距为11/12极距的短距绕组来消除11次、13次谐波，进而达到消除所有对电机影响较大的谐波的目的。此外，为了减小谐波引起的集肤效应影响，变频调速异步电机的绕组应采用扁平导体水平布置，并用多根互相绝缘的导体并联。

3 转子结构设计

传统异步电机的转子槽型设计主要考虑电机的启动性能，转子槽深而窄，可以有效提高电机的启动转矩。由于变频调速异步电机采用变频控制，启动参数灵活可调，因此对其进行转子槽型设计时不用考虑电机启动性能参数的大小。

变频调速异步电机的谐波影响明显，为降低转子损耗，转子槽型设计上需要考虑集肤效应的影响。在转子磁密允许的情况下尽可能地增大槽面积，槽宜浅不宜深，槽型总体上设计成上宽下窄的矮胖形结构(见图3)。

图3 变频调速异步电机转子槽结构

转子斜槽为一般异步电机设计中较为常用的方式，斜槽一方面可以降低由于齿谐波产生的定转子谐波铜耗，另一方面由于铁芯轴向饱和程度增加会导致电机铁耗增加[3]。因此，当转子斜槽达到一定的斜槽度时，在使齿谐波铜耗得到有效降低的同时，还能确保电机损耗降到最小，这个斜槽度称之为最佳的斜槽度。本文针对变频调速异步电机，利用有限元方法分析不同转子斜槽度对损耗的影响，得到电机的空载损耗及负载损耗随不同斜槽度的变化曲线(见图4)。

图4 电机空载及负载损耗随斜槽度的变化曲线

从图4中可以看出，转子斜槽为0.8倍齿距时，电机空载损耗和负载损耗均最小，其原因是由于转子斜槽后转子导条齿谐波电势减小，定转子谐波铜耗都随之降低。此外，谐波磁场沿轴向分布的不均匀程度决定了转子谐波铁耗的大下，其受到转子电流和转子斜槽度共同影响。在相同的转子电流下，虽然谐波磁场的不均匀程度会随着转子斜槽度的增加而增加，但随着斜槽度的增加，转子谐波电流并非保持不变，而是会相应减小，这会进一步削弱转子磁场的去磁作用，导致铁耗降低。

变频调速异步电机中的高频脉冲波，会使得转子轴与轴承之间产生较大的轴电压，并且零点漂移电压中含有的高次谐波会使轴电流增大。当轴承电压超过一定值时，会使轴承放电，引起电弧，加速轴承磨损。因此，在进行变频调速异步电机的转子结构设计时，还必须考虑轴和轴承的选择及保护问题。为了尽可能地降价轴电压，除了抑制电源谐波以外，还可以采取电机负荷侧轴承接地、非负荷侧轴承绝缘的方法，同时也可采用接地电刷将转子轴接地[4]。

4 实验结论

基于以上分析，设计并加工完成了变频调速异步电机，样机实物见图5。

图5 变频调速异步电机转子及样机

通过对电机的实验测试(见图6)，得到电机的主要性能参数(见表1)。

图6 变频调速异步电机实验测试

表1 变频调速异步电机主要性能参数

从表1可以看出，通过优化设计，变频调速异步电机表现出了优于传统异步电机或变频电机的机械性能，尤其是在效率上有了明显提高。电机系统效能的提高对响应国家节能降耗、节约能源和节省电费开支具有重要意义。