变频调速交流异步电机设计方法

文档序号:7266366阅读:887来源:国知局
专利名称:变频调速交流异步电机设计方法
技术领域
本发明属于对机电能量转换装置的设计领域,特别涉及变频调速交流异步电机设计。
传统的异步电机设计是以额定运行点(恒频恒压电源)作为设计点,且据Di2l=ξPn]]>作为主要尺寸设计依据,其中Di为定子内径,l为铁芯有效长度,P为输出功率,n为额定耗速,ξ为电机常数。该设计的特点是不考虑定子铜铁的最优比例,对定子外径没有限制。另一方面,由于要考虑电机的起动特征,通常将转子槽形设计成双鼠笼或深槽形,如

图1所示,其中(a)为双鼠笼槽形,(b)为深槽形,b1为槽上宽,b2为槽下宽,hb为槽高,(b1<b2,hb>>b2)。这两种槽形通过挤流效应增大转子电阻以提高起动转距,但同时增加了电机定转子体积和漏磁,降低了电机最大转矩、功率因数以及效率。由该设计制造出来的电机通常体积大、重量重、效率低。传统的异步电机主要尺寸设计公式为Di2l=ξPns---(1)]]>ξ=CKEKwBgAηcosθ---(2)]]>式中,C为常数,Di为定子内径,l为电机铁芯长度,P为输出功率,ns为额定同步转速,KE为电势系数,Kw为绕组系数,Bg为气隙磁密,A为定子线负荷,η为电机效率,cosθ为功率因数。
上述公式通过电机常数ξ将输出功率、同步转速与转子的体积联系起来。但据此无法确定定子的体积大小;并且,传统公式中的ξ只与电机气隙中的磁密Bg和定子线负荷A相联系,而与电机内部的磁场分布和电流分布无关。显然,这难以反映电机内部电磁关系。
自八十年代初以来,现代交流变频调速技术发明使得异步电机的供电电源发生了根本性变化。由于采用高频开关电力电子变频器以及相应的控制技术,使得异步电机可以方便地在变频变压下运行,从而使异步电机的运行条件有了一个很大的变化,例如,通过降低电源频率来得到异步电机足够大的起动转距,通过适当对变频器电源调频调压,电机可以工作在最小转差率运行点上,等等。由于这些特点,传统异步电机设计已远远不能与之相适应。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处,提出一种关于变频调速交流异步电机设计方法。采用该方法设计的变频调速交流异步电机,可充分利用变频器电源所有的变频变压供电条件,挖掘电机本身潜能,提高电机性能,降低其制造、运行成本。
本发明提出的一种变频调速交流异步电机设计方法,其特征在于,主要包括以下步骤1).通过变频调速技术,直接利用异步电机最大转矩作为起动转矩,从而可以在提高稳态运行性能的目标上对转子槽形进行优化设计,而不用为提高起动转矩将转子槽形设计成深槽或双鼠笼槽。
2).以定子外径代替定子内径作为主要尺寸设计参数,定子内外径之比作为优化变量,从而对定子铜铁比例进行优化,以提高电机功率密度。
3).在保证出力不变的情况下,可用最大效率和最大功率因数来代替额定效率和额定功率因素,从而进一步减小电机尺寸,减轻其重量和降低成本。
所说的转子槽形的优化设计是将转子槽设计成平行齿、浅槽形以得到均匀齿磁密,得到更小的漏磁通和更小转子电阻,进而提高电机效率和功率因数。
本发明的设计原理为当以电力电子变频器作为供电电源,异步电机的工作频率能得以方便改变,这样,随着工作频率的改变,电机的机械特性(转距——速度特性)就能平滑地左右移动,如图2所示。其中,n表示转速,T表示转矩,曲线1为在额定电压和额定频率下的机械特性,6为额定起动转矩,5为最大转矩,曲线2为在变频时的机械特性,7为此时的起动转矩,当匹配频率减小时,曲线2向4方向移动,当匹配频率增加时,曲线2向3方向移动。显然,随着匹配频率的减小,在起动点(n=0)的转矩就能得到增高。这种可平移的机械特性使得可以用电机最大转矩作为其起动转矩,而不用专门为电机的起动特性作专门设计,从而牺牲其运行特性。
另一方面,当电机运行在某一工况时,通过对电力电子变频器电源调频调压,而使电机工作在最小转差率运行点上,使之损耗最小,效率最大,图3显示了该运行特点,曲线1′、2′和3′分别为在不同电压和频率下的机械特性,n1、n2和n3分别为各自的空载转速,s1=n1-nAnA]]>它们都可满足同一运行工况(A点转矩TA和转速nA),但各转差率是不同的,它们的转差率分别为s1、s2、s3显然,s1>s2>s3,即通过调节电压和频率到曲线(3),改变机械特性曲线的斜率使运行点的转差率最小,而使涡流损耗最小,效率最大。s2=n2-nAnA]]>s3=n3-nAnA]]>正因为上述运行条件不同于传统恒频恒压供电下的异步电机运行条件,使得异步电机设计策略发生变化。
本发明提出的变频调速交流异步电机主要尺寸设计公式为Do3l=ξoPns---(3)]]>ξo=1CoBgJ1fo(λ)xKcu---(4)]]>式中,Co为常数,Do为定子外径,J1为定子电密,x=η·cosθKw/KE,λ=Di/Do,fo(λ)为与定子内部磁密和定子槽形有关的函数,Kcu为定子槽内导体面积所占的比例。其特点是将定子外径Do作为设计参数且以Do3形式出现,代替原公式中的Di2,以输出函数ξo(λ)代替原电机常数ξ,而使设计得到最大输出功率密度。
它与传统设计公式的区别在于1.它在形式上直接与定子尺寸相联系,从而使定子外径与电机铜铁比例得到优化。
2.ξo比ξ含有更丰富的电机内部信息,它不仅包括气隙磁密,还包括定子齿、轭的磁密。这意味着当利用该公式设计出定子的主要尺寸后,定子齿、轭和槽的尺寸也基本确定,这是与传统电机设计截然不同的地方。
3.公式中fo(λ)称之为输出函数,可对fo(λ)进行一维寻优,以找到令fo(λ)最大值时的定子内外径比值λ=Di/Do,即得到功率密度最大的电机设计,使电机体积得到优化。同样,也可对Bg、J1以及fo(λ)中的定子槽形参数和定子内部磁密等进行多维寻优,使电机的其它性能(如效率、功率因数等)得到优化。
本发明由于不用考虑电机本身的起动特性,转子槽可以进行优化设计,而得到更好的运行性能。图4给出本发明设计的转子槽形,如图4所示,b1为槽上宽,b2为槽下宽,hb为槽高,它是一种平行齿、浅型、圆底槽形,b1>b2且1<hb/b2<1.5。这样的设计使其转子导体有效电阻比传统异步电机转子的小,损耗减小,效率增加;另外,转子槽形比深槽设计得更宽、更短些,从而降低转子漏抗,增加最大转矩,以得到均匀齿磁密,更小的漏磁通和更小转子电阻,进而提高电机效率和功率因数。
附图简要说明图1为传统异步电机转子槽形示意图。
图2为变频器供电下的异步电机机械特性示意图。
图3为不同电压和频率下的机械特性示意图。
图4为本发明设计的转子槽形示意图。
本发明设计的一种变频调速交流异步电机实施例如下表所示。P222kw P4 f50HzU380VCONNYINSBEff90.2%Pf:0.89TM4.2A1339ist9.7 Tst4.4D1260mm Di1169mm g0.5mm Di270mm L220mm Kfe0.95Q148 W172 a12 Y111 N16 D10.95mmQ244 Dr123mm be5.9mm he45mmHw2.5mm Si0.35mm Dip0.08
mmHs01.75Hs10.9mmHs219.9Bs03.49Bs16.74Bs29.34mm mm mm mm mmHr00.5mm Hr11.67 Hr226.5Br01mm Br16.55Br22.76mmmmmm mmX10.0608 X20.0297Xm2.16 R10.0237 R20.0225 Sn0.0264I141.7AI2346.4AJ14.84 J22.74 Im15.4AIm018.4ABg6497 Bt116173By116484 Bt216053 By216708 Bg06634Pcu814.2 Pa1616.7W Pfe450.5W Pfw69.6W Ps440WW表中P2输出功率 P极数f额定工作频率 U额定线电压CONN三相联接方式 INS绝缘等级Eff额定工作效率 Pf额定功率因数TM最大转矩倍数A1线负荷ist起动电流倍数 Tst起动转矩倍数D1定子外径Di1定子内径g气隙宽度 Di2转子内径L铁芯长 Kfe叠片系数Q1定子槽数W1定子每相串联匝数a1定子每相并联支路数 Y1定子绕组节距N1定子每根导体并绕根数D1定子导线直径Q2转子槽数Dr端环直径be端环宽 he端环高Hw槽锲厚度Si槽绝缘厚Dip导线绝缘厚Hs0定子槽口高 Hs1定子槽过渡高Hs2定子槽主高 Bs0定子槽口宽Bs1定子上底宽 Bs2定子下底宽Hr0转子槽口高 Hr1转子槽过渡高Hr2转子槽主高 Br0转子槽口宽Br1转子上底宽 Br2转子下底宽X1定子漏抗标么值 X2转子漏抗标么值Xm激磁电抗标么值 R1定子电阻标么值R2转子电阻标么值 Sn额定滑差I1定子电流I2转子电流J1定子电密J2转子电密Im激磁电流Im0空载激磁电流Bg气隙磁密Bt1定子齿磁密By1定子轭磁密 Bt2转子齿磁密By2转子轭磁密 Bg0空载气隙磁密Pcu铜损 Pal铝损Pfe铁损 Pfw机械损耗Ps附加损耗
权利要求
1.一种变频调速交流异步电机设计方法,其特征在于,主要包括以下步骤1).直接利用其最大转矩作为起动转矩,从而可以在提高稳态运行性能的目标上对转子槽形进行优化设计。2).以定子外径代替定子内径作为主要尺寸设计尺寸,定子内外径之比作为优化变量,从而对定子铜铁比例进行优化,以提高电机能量密度。3).在保证出力不变的情况下,用最大效率和最大功率因数来代替额定效率和额定功率因素,进而减小电机尺寸,减轻其重量和降低成本。
2.如权利要求1所述的变频调速交流异步电机设计方法,其特征在于,所说的异步电机主要尺寸设计公式为Do3l=ξoPns]]>ξo=1CoBgJ1fo(λ)xKcu]]>式中,Co为常数,Do为定子外径,J1为定子电密,x=η·cosθKw/KE,λ=Di/Do,fo(λ)为与定子内部磁密和定子槽形有关的函数,Kcu为定子槽内导体面积所占的比例。
3.如权利要求1所述的变频调速交流异步电机设计方法,其特征在于,所说的转子槽形的优化设计是将转子槽设计成平行齿,浅型、圆底槽形,以得到均匀齿磁密,更小的漏磁通和更小转子电阻,进而提高电机效率和功率因数。
4.如权利要求3所述的变频调速交流异步电机设计方法,其特征在于,所说的转子槽形尺寸为b1>b2且1<hb/b2<1.5,其中b1为槽上宽,b2为槽下宽,hb为槽高。
全文摘要
本发明属于对机电能量转换装置的设计领域,本方法主要包括以下步骤:直接利用其最大转矩作为起动转矩;以定子外径代替定子内径作为主要尺寸设计尺寸,定子内外径之比作为优化变量;在保证出力不变的情况下,用最大效率和最大功率因数来代替额定效率和额定功率因素。本发明可充分利用变频器电源所有的变频变压供电条件,挖掘电机本身潜能,提高电机性能,降低其制造、运行成本。
文档编号H02K1/22GK1271201SQ0010015
公开日2000年10月25日 申请日期2000年1月14日 优先权日2000年1月14日
发明者赵争鸣, 孟朔, 袁立强 申请人:清华大学
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