中小型變頻電機(jī)優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)軟件開發(fā)

O 引 言
    變頻調(diào)速異步電機(jī)由變頻裝置供電，由于變頻器的輸出電壓和電流中包含一系列的高次諧波，將使電機(jī)效率降低，溫升升高，低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲。
    變頻調(diào)速異步電機(jī)的諧波抑制方法一直是傳動(dòng)領(lǐng)域中一個(gè)研究的熱點(diǎn)問題。
    該文以抑制變頻調(diào)速異步電機(jī)的諧波為目的，從改動(dòng)和優(yōu)化變頻調(diào)速異步電機(jī)設(shè)計(jì)出發(fā)，提出了變頻電機(jī)的優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)提出了變頻調(diào)速異步電機(jī)自適應(yīng)設(shè)汁模型優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)方法，本文將模糊控制應(yīng)用至電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)中，得到模糊自適應(yīng)設(shè)計(jì)模型，可進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)電機(jī)的性能。
    文獻(xiàn)研發(fā)的變頻三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)功能強(qiáng)大，操作方便，但該系統(tǒng)設(shè)計(jì)前需輸入變頻器控制參數(shù)，不同變頻器參數(shù)不同，使設(shè)計(jì)的電機(jī)應(yīng)用范圍受到限制。該設(shè)計(jì)將利用Visual Basic6．0開發(fā)變頻調(diào)速異步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)時(shí)只需從主窗口輸入電機(jī)在額定狀態(tài)下的主要性能參數(shù)，即可通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)化，得到氣隙、定轉(zhuǎn)子槽形尺寸、電機(jī)損耗效率等輸出性能參數(shù)。

l 優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)
1．1 定轉(zhuǎn)子槽配合的優(yōu)化選擇
    在變頻異步電機(jī)槽數(shù)設(shè)計(jì)方面，定轉(zhuǎn)子槽配合的約束得到放寬，考慮槽配合時(shí)，主要考慮避免一階定、轉(zhuǎn)子齒諧波產(chǎn)生的低階力波(n=0，1，2，3，…)，這些力波可能與定子的固有頻率接近，發(fā)生共振。
    (1)削弱力波的槽配合
    為削弱變頻電機(jī)齒諧波產(chǎn)生的力波，要求槽配合滿足表1要求。

表1中：Z1為定子槽數(shù)，Z2為轉(zhuǎn)子槽數(shù)，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。
    更高次力波引起的振動(dòng)幅值小，一般中小型電機(jī)中可不予考慮。
    (2)對(duì)籠型電動(dòng)機(jī)，定子槽數(shù)越多、諧波損耗越少、異步附加轉(zhuǎn)矩越小，定子槽數(shù)大于轉(zhuǎn)子槽數(shù)，還可以降低雜散損耗。
    (3)轉(zhuǎn)子采用奇數(shù)槽，這樣可以減少同步寄生轉(zhuǎn)矩，避免起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。
    (4)采用5／6短矩系數(shù)可大大削弱5次諧波和7次諧波產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩影響，對(duì)變頻電機(jī)減少高次諧波影響起到十分重要的作用。
1．2 轉(zhuǎn)子槽形優(yōu)化設(shè)計(jì)
    (1)為了抑制高次諧波損耗的增加，異步電機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)采用集膚效應(yīng)小的特殊槽形，槽面積盡可能大，槽形宜淺不宜深，槽形總體上寬下窄；采用直槽而非斜槽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以減少其負(fù)載損耗。
    (2)采用磁性槽楔，不但能減小有效氣隙，降低空載電流，改善功率因數(shù)，還能降低氣隙諧波磁勢(shì)分量，減小諧波磁勢(shì)引起的附加損耗和其他不良影響。
    (3)在定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)相同的情況下，可選擇不同的轉(zhuǎn)子槽形、尺寸，進(jìn)行效率和功率因數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而確定高效優(yōu)化的最終電磁設(shè)計(jì)方案。
1．3 氣隙的優(yōu)化設(shè)計(jì)
    電機(jī)的氣隙增大，將使勵(lì)磁電流增加，電機(jī)功率因數(shù)下降，同時(shí)氣隙中的諧波磁場(chǎng)也將降低，附加損耗減少。另氣隙的增大可以使定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)配合部件的加工精度和同心度適當(dāng)降低，減小了加工的難度和時(shí)間。
    普通電機(jī)氣隙通常采用經(jīng)驗(yàn)公式：

其中：δ為電機(jī)的氣隙(mm)；Di為電機(jī)定子內(nèi)徑(cm)；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。
    變頻電機(jī)氣隙應(yīng)比同容量普通電機(jī)氣隙稍大一些。
1．4 基于模糊自適應(yīng)設(shè)計(jì)模型的電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)
    文獻(xiàn)給出了變頻調(diào)速異步電機(jī)不同定子槽形的定子設(shè)計(jì)公式，一旦給定定子電密、氣隙磁密、定子齒軛磁密(J1，Bg，Bt1，By1)等參數(shù)，定子結(jié)構(gòu)和主要尺寸就完全確定，并隨槽形和定子內(nèi)外徑比值的改變而改變。這些公式使變頻調(diào)速異步電機(jī)的設(shè)計(jì)完全由其電密和磁密的設(shè)定值控制，不僅消去了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，而且使這些電密和磁密的設(shè)定與變頻調(diào)速系統(tǒng)中電機(jī)的運(yùn)行性能建立密切關(guān)系。
    文獻(xiàn)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了基于自適應(yīng)模型的電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)。在該自適應(yīng)模型中，定子內(nèi)外徑之比λ是不確定的，這個(gè)變量的選取對(duì)電機(jī)的性能會(huì)有很大的影響。該設(shè)計(jì)則將模糊控制應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，建立一變頻調(diào)速異步電機(jī)模糊自適應(yīng)模型，通過模糊自適應(yīng)過程不斷調(diào)整選取λ參數(shù)，以達(dá)到同時(shí)滿足定、轉(zhuǎn)子電磁負(fù)荷設(shè)定的目的。
    變頻調(diào)速異步電機(jī)模糊自適應(yīng)設(shè)計(jì)流程見圖1。

2 變頻電機(jī)電磁設(shè)計(jì)軟件開發(fā)
    本設(shè)計(jì)軟件是在Windows平臺(tái)上用VB 6．0開發(fā)的，適用于Windows 98以上的操作系統(tǒng)，視窗化設(shè)計(jì)，全漢化顯示，界面友好，人機(jī)交互，提高了工作效率。
    圖2所示為該軟件編寫的結(jié)構(gòu)框圖。

電磁設(shè)計(jì)程序采用VB語(yǔ)言編寫。優(yōu)化電磁計(jì)算方法以文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，并對(duì)其提出韻電磁計(jì)算方法進(jìn)行改良，將模糊控制應(yīng)用至文獻(xiàn)提出的異步電機(jī)自適應(yīng)設(shè)計(jì)模型中，得到了異步電機(jī)模糊自適應(yīng)設(shè)計(jì)模型。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例
    現(xiàn)利用開發(fā)的變頻調(diào)速異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行一7．5 kW變頻調(diào)速異步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)。
3．1 數(shù)據(jù)輸入主體窗口
    其主要額定參數(shù)輸入主體窗口見圖3。

點(diǎn)擊界面上的“計(jì)算”，軟件中將自動(dòng)優(yōu)化，得出定子參數(shù)，轉(zhuǎn)子參數(shù)，電路參數(shù)、電流及損耗等參數(shù)，然后進(jìn)行整體優(yōu)化，得出最佳設(shè)計(jì)方案。
3．2 計(jì)算結(jié)果
    定子參數(shù)如圖4所示，轉(zhuǎn)子參數(shù)如圖5所示，損耗及效率如圖6所示。

設(shè)計(jì)結(jié)果：
    (1)定轉(zhuǎn)子槽配合為36／23；
    (2)轉(zhuǎn)子槽形選擇上寬下窄的平底槽；
    (3)氣隙比同容量普通電機(jī)氣隙稍大，增大0．026 mm。
    (4)效率為92％，比設(shè)計(jì)要求的性能還要好。依據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速異步電機(jī)性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)
    變頻調(diào)速異步電機(jī)應(yīng)用日益廣泛，其設(shè)計(jì)水平也越來越高。該文提出了變頻調(diào)速異步電機(jī)的優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)方法，利用VB 6．0研制了變頻調(diào)速異步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)軟件。實(shí)例結(jié)果表明本文提出的電磁設(shè)計(jì)方法是有效、正確、先進(jìn)的，開發(fā)出的電磁設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)準(zhǔn)確、方便實(shí)用。