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中小型變頻電機優(yōu)化電磁設(shè)計軟件開發(fā)
O 引 言
變頻調(diào)速異步電機由變頻裝置供電，由于變頻器的輸出電壓和電流中包含一系列的高次諧波，將使電機效率降低，溫升升高，低速運行時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，高速運行時產(chǎn)生較大的振動和噪聲。
變頻調(diào)速異步電機的諧波抑制方法一直是傳動領(lǐng)域中一個研究的熱點問題。
該文以抑制變頻調(diào)速異步電機的諧波為目的，從改動和優(yōu)化變頻調(diào)速異步電機設(shè)計出發(fā)，提出了變頻電機的優(yōu)化電磁設(shè)計方法。文獻提出了變頻調(diào)速異步電機自適應(yīng)設(shè)汁模型優(yōu)化電磁設(shè)計方法，本文將模糊控制應(yīng)用至電磁優(yōu)化設(shè)計中，得到模糊自適應(yīng)設(shè)計模型，可進一步提高設(shè)計電機的性能。
文獻研發(fā)的變頻三相感應(yīng)電動機設(shè)計CAD系統(tǒng)功能強大，操作方便，但該系統(tǒng)設(shè)計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)計的電機應(yīng)用范圍受到限制。該設(shè)計將利用Visual Basic6．0開發(fā)變頻調(diào)速異步電機的電磁設(shè)計軟件，設(shè)計時只需從主窗口輸入電機在額定狀態(tài)下的主要性能參數(shù)，即可通過計算機自動優(yōu)化，得到氣隙、定轉(zhuǎn)子槽形尺寸、電機損耗效率等輸出性能參數(shù)。
l 優(yōu)化電磁設(shè)計
1．1 定轉(zhuǎn)子槽配合的優(yōu)化選擇
在變頻異步電機槽數(shù)設(shè)計方面，定轉(zhuǎn)子槽配合的約束得到放寬，考慮槽配合時，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為電機極對數(shù)。
更高次力波引起的振動幅值小，一般中小型電機中可不予考慮。
(2)對籠型電動機，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，避免起動時產(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，對變頻電機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
(1)為了抑制高次諧波損耗的增加，異步電機轉(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分量，減小諧波磁勢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，進行效率和功率因數(shù)優(yōu)化設(shè)計，從而確定高效優(yōu)化的最終電磁設(shè)計方案。
1．3 氣隙的優(yōu)化設(shè)計
電機的氣隙增大，將使勵磁電流增加，電機功率因數(shù)下降，同時氣隙中的諧波磁場也將降低，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降低，減小了加工的難度和時間。
普通電機氣隙通常采用經(jīng)驗公式：
其中：δ為電機的氣隙(mm)；Di為電機定子內(nèi)徑(cm)；p為電機極對數(shù)。
變頻電機氣隙應(yīng)比同容量普通電機氣隙稍大一些。
1．4 基于模糊自適應(yīng)設(shè)計模型的電磁優(yōu)化設(shè)計
文獻給出了變頻調(diào)速異步電機不同定子槽形的定子設(shè)計公式，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)速異步電機的設(shè)計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)計中的經(jīng)驗參數(shù)，而且使這些電密和磁密的設(shè)定與變頻調(diào)速系統(tǒng)中電機的運行性能建立密切關(guān)系。
文獻以此為基礎(chǔ)進行了基于自適應(yīng)模型的電磁優(yōu)化設(shè)計。在該自適應(yīng)模型中，定子內(nèi)外徑之比λ是不確定的，這個變量的選取對電機的性能會有很大的影響。該設(shè)計則將模糊控制應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計中，建立一變頻調(diào)速異步電機模糊自適應(yīng)模型，通過模糊自適應(yīng)過程不斷調(diào)整選取λ參數(shù)，以達到同時滿足定、轉(zhuǎn)子電磁負荷設(shè)定的目的。
變頻調(diào)速異步電機模糊自適應(yīng)設(shè)計流程見圖1。
2 變頻電機電磁設(shè)計軟件開發(fā)
本設(shè)計軟件是在Windows平臺上用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，全漢化顯示，界面友好，人機交互，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)計程序采用VB語言編寫。優(yōu)化電磁計算方法以文獻為基礎(chǔ)，并對其提出韻電磁計算方法進行改良，將模糊控制應(yīng)用至文獻提出的異步電機自適應(yīng)設(shè)計模型中，得到了異步電機模糊自適應(yīng)設(shè)計模型。
3 設(shè)計實例
現(xiàn)利用開發(fā)的變頻調(diào)速異步電機電磁設(shè)計軟件進行一7．5 kW變頻調(diào)速異步電機的電磁設(shè)計。
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。
點擊界面上的“計算”，軟件中將自動優(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)，然后進行整體優(yōu)化，得出最佳設(shè)計方案。
3．2 計算結(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氣隙稍大，增大0．026 mm。
(4)效率為92％，比設(shè)計要求的性能還要好。依據(jù)以上參數(shù)設(shè)計的變頻調(diào)速異步電機性能良好，滿足設(shè)計要求。
4 結(jié) 語
變頻調(diào)速異步電機應(yīng)用日益廣泛，其設(shè)計水平也越來越高。該文提出了變頻調(diào)速異步電機的優(yōu)化電磁設(shè)計方法，利用VB 6．0研制了變頻調(diào)速異步電機的電磁設(shè)計軟件。實例結(jié)果表明本文提出的電磁設(shè)計方法是有效、正確、先進的，開發(fā)出的電磁設(shè)計軟件設(shè)計準確、方便實用。
中小型變頻電機優(yōu)化電磁設(shè)計軟件開發(fā)
O 引 言
變頻調(diào)速異步電機由變頻裝置供電，由于變頻器的輸出電壓和電流中包含一系列的高次諧波，將使電機效率降低，溫升升高，低速運行時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，高速運行時產(chǎn)生較大的振動和噪聲。
變頻調(diào)速異步電機的諧波抑制方法一直是傳動領(lǐng)域中一個研究的熱點問題。
該文以抑制變頻調(diào)速異步電機的諧波為目的，從改動和優(yōu)化變頻調(diào)速異步電機設(shè)計出發(fā)，提出了變頻電機的優(yōu)化電磁設(shè)計方法。文獻提出了變頻調(diào)速異步電機自適應(yīng)設(shè)汁模型優(yōu)化電磁設(shè)計方法，本文將模糊控制應(yīng)用至電磁優(yōu)化設(shè)計中，得到模糊自適應(yīng)設(shè)計模型，可進一步提高設(shè)計電機的性能。
文獻研發(fā)的變頻三相感應(yīng)電動機設(shè)計CAD系統(tǒng)功能強大，操作方便，但該系統(tǒng)設(shè)計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)計的電機應(yīng)用范圍受到限制。該設(shè)計將利用Visual Basic6．0開發(fā)變頻調(diào)速異步電機的電磁設(shè)計軟件，設(shè)計時只需從主窗口輸入電機在額定狀態(tài)下的主要性能參數(shù)，即可通過計算機自動優(yōu)化，得到氣隙、定轉(zhuǎn)子槽形尺寸、電機損耗效率等輸出性能參數(shù)。
l 優(yōu)化電磁設(shè)計
1．1 定轉(zhuǎn)子槽配合的優(yōu)化選擇
在變頻異步電機槽數(shù)設(shè)計方面，定轉(zhuǎn)子槽配合的約束得到放寬，考慮槽配合時，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為電機極對數(shù)。
更高次力波引起的振動幅值小，一般中小型電機中可不予考慮。
(2)對籠型電動機，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，避免起動時產(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，對變頻電機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
(1)為了抑制高次諧波損耗的增加，異步電機轉(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分量，減小諧波磁勢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，進行效率和功率因數(shù)優(yōu)化設(shè)計，從而確定高效優(yōu)化的最終電磁設(shè)計方案。
1．3 氣隙的優(yōu)化設(shè)計
電機的氣隙增大，將使勵磁電流增加，電機功率因數(shù)下降，同時氣隙中的諧波磁場也將降低，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降低，減小了加工的難度和時間。
普通電機氣隙通常采用經(jīng)驗公式：
其中：δ為電機的氣隙(mm)；Di為電機定子內(nèi)徑(cm)；p為電機極對數(shù)。
變頻電機氣隙應(yīng)比同容量普通電機氣隙稍大一些。
1．4 基于模糊自適應(yīng)設(shè)計模型的電磁優(yōu)化設(shè)計
文獻給出了變頻調(diào)速異步電機不同定子槽形的定子設(shè)計公式，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)速異步電機的設(shè)計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)計中的經(jīng)驗參數(shù)，而且使這些電密和磁密的設(shè)定與變頻調(diào)速系統(tǒng)中電機的運行性能建立密切關(guān)系。
文獻以此為基礎(chǔ)進行了基于自適應(yīng)模型的電磁優(yōu)化設(shè)計。在該自適應(yīng)模型中，定子內(nèi)外徑之比λ是不確定的，這個變量的選取對電機的性能會有很大的影響。該設(shè)計則將模糊控制應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計中，建立一變頻調(diào)速異步電機模糊自適應(yīng)模型，通過模糊自適應(yīng)過程不斷調(diào)整選取λ參數(shù)，以達到同時滿足定、轉(zhuǎn)子電磁負荷設(shè)定的目的。
變頻調(diào)速異步電機模糊自適應(yīng)設(shè)計流程見圖1。
2 變頻電機電磁設(shè)計軟件開發(fā)
本設(shè)計軟件是在Windows平臺上用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，全漢化顯示，界面友好，人機交互，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)計程序采用VB語言編寫。優(yōu)化電磁計算方法以文獻為基礎(chǔ)，并對其提出韻電磁計算方法進行改良，將模糊控制應(yīng)用至文獻提出的異步電機自適應(yīng)設(shè)計模型中，得到了異步電機模糊自適應(yīng)設(shè)計模型。
3 設(shè)計實例
現(xiàn)利用開發(fā)的變頻調(diào)速異步電機電磁設(shè)計軟件進行一7．5 kW變頻調(diào)速異步電機的電磁設(shè)計。
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。
點擊界面上的“計算”，軟件中將自動優(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)，然后進行整體優(yōu)化，得出最佳設(shè)計方案。
3．2 計算結(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氣隙稍大，增大0．026 mm。
(4)效率為92％，比設(shè)計要求的性能還要好。依據(jù)以上參數(shù)設(shè)計的變頻調(diào)速異步電機性能良好，滿足設(shè)計要求。
4 結(jié) 語
變頻調(diào)速異步電機應(yīng)用日益廣泛，其設(shè)計水平也越來越高。該文提出了變頻調(diào)速異步電機的優(yōu)化電磁設(shè)計方法，利用VB 6．0研制了變頻調(diào)速異步電機的電磁設(shè)計軟件。實例結(jié)果表明本文提出的電磁設(shè)計方法是有效、正確、先進的，開發(fā)出的電磁設(shè)計軟件設(shè)計準確、方便實用。