变频电机设计论文

摘要：科学技术的不断发展，电子技术的出现给现代社会中的各行业的发展都带来了机遇，变频技术作为电子电力技术中的重要组成成分，其在我们的日常生活中应用变得越来越广，并且随着技术的不断发展与完善，已经可以更好的服务于国家和社会。本文主要对于变频调速点击设计制造中产生的问题进行了分析，并提出了对应的解决对策。今天小编为大家推荐《变频电机设计论文(精选3篇)》仅供参考，希望能够帮助到大家。

变频电机设计论文 篇1：

粗轴变频调速电机设计

摘 要：设计一种轴径较粗、频率可变、转速可调的高精度电机，解决玻璃纤维设备的动力输出问题。从润滑设计、轴承侧隙设计和定子/转子形态设计三方面分析了工艺设计要点，表明油雾式润滑可充分润滑和降温；轴承侧隙的调整有助于降低预应力，从而提高精度；优化定子/转子槽结构，并将槽数量分别设定为30和26，可使磁通量密度更加均匀，承受更大应力。根据工艺设计要点进行结构设计，开展系统性检测，并配套在玻璃纤维设备投入市场，反响较好，产生了良好的社会效益和市场效益。

关键词：电机设计；主轴；变频；调速；气道；Maxwell

引言

电机原理是根据电磁感应定律，将电能转换为动能（主要是旋转动能）的装置，是各种工业设备或家用电器的动力源。在众多电机类型中，异步电动机具有结构简单、制造和维护方便、运行可靠等优点，被广泛应用于冶金、化工、矿山、轻工等机械设备中。

粗轴变频调速电机就是异步电动机中的一种，主要应用于玻璃纤维行业，是当前电机产业的新星[1-5]。顾名思义，这种电机具有转速可调的特点，其输出转速范围为600～4 200 r/min。电机主轴直径公差控制在0.005 mm内，主轴最外端跳动精度控制在0.005 mm以内，主轴上圆锥面配合接触面积在85%以上，是一种极高精度的电机。本文首先分析其工艺设计要点，其次进行结构设计，并给出了性能检测方法。

1 工艺设计要点

1.1 润滑设计

粗轴变频调速电机的输出转速为600～4 200 r/min，在如此高的转速下，电机轴承发热比较严重，如果仍然采用封闭式油脂润滑，轴承内部的润滑脂将很快被消耗掉。经过对多种润滑方式加以比较，确定采用油雾式润滑最为合适。油雾式润滑方式不仅对轴承润滑充分，还能利用压缩空气对轴承进行降温。这也是在电机前盖和后盖的设计过程中设计油雾进出气道的原因，因为这可引导油雾气体进入电机前盖和后盖，并经过前、后导油环对前、后轴承进行润滑。在前、后导油环上设置有导向孔，把油雾气体直接导向轴承滚动体，可使轴承得到更直接、更充分的润滑。

1.2 轴承侧隙设计

在通用电机中，一般采用波形弹垫给轴承施加预应力，减少轴承运转噪音，削减电机轴的轴向串动，以提高轴承的运转精度与平稳性。由于粗轴变频调速电机输出转速时常变化，因此对轴承的预应力要求很高。况且，由于该电机主要应用于玻璃纤维行业的拉丝设备上，故必须对电机整体性能和加工精度要求严格，将轴承侧隙控制在合理范围内，才能制造出合格的产品。

因此，创新设计了一种调整侧隙的装置。将数个弹簧周向均匀分布地安放在电机后盖中，同时严格控制弹簧在电机后盖中的放入深度。弹簧的另一端与后导油环的侧面相接触，通过后轴承座上的镙钉拧紧，使弹簧对后导油环产生推力。推力通过后导油环的另一端作用在后轴承上，从而产生预应力。预应力的大小可以通过后导油环的厚度来调整：当预应力偏大时，可以磨削后导油环的端面，减小后导油环的厚度来降低预应力。

1.3 电机定子/转子设计

粗轴变频调速电机设计功率是5.5 kW，额定电压380 V，工频50 Hz下的额定转速为2 900 r/min。原定借用Y2-132S1-2电机冲片。由于电机主轴的输出端直径要求加大到标准电机的2倍之多，经过轴应力分析测算，分析得知需同时加大电机前、后轴承才能承受相应的应力，故转子冲片内径应相应加大。

转子冲片内径加大后，导致Y2-132S1-2电机冲片的磁通量密度大幅增加，而其毛坯外径只有116 mm，再减去转子槽深度，使得该冲片无法满足粗轴变频调速电机的使用，而若采用Y2-160M1-2冲片，又太浪费材料。

基于上述考虑，重新设计了新电机定、转子冲片槽形结构，使得在电机轴径加大的情况下，可以在10～70 Hz的频率下稳定变速。粗轴变频调速电机定、转子结构及磁通量密度云图如图1所示。其中，定子30槽，转子26槽，在额定转速下第0.005 s时的磁通量密度状态良好。

2 结构设计与检测

结合润滑、轴承侧隙和定转子形态三方面的电机工艺设计要点，进行电机结构设计，并给出检测内容。

2.1 结构设计

粗轴变频调速电机主要由1—电机主轴、2—前迷宫环、3—前轴承、4—电机前盖、5—定子、6—转子、7—平衡环、8—后轴承、9—弹簧、10—进气接口、13—圆螺母、14—止退垫圈、15—后迷宫环、16—后导油环、17—电机后盖、18—机座、11，19，23—内六角螺栓、12，20，24—弹垫、21—前导油环和22—前压盖组成。粗轴变频调速电机结构示意图如图2所示。

粗轴变频调速电机工作过程是：首先，经10—进气接口通入雾化的油体，对轴承进行润滑；其次，通入三相电至5—电机定子，产生感应磁场带动热套在1—电机主轴上的6—转子转动；最后，由1—电机主轴作为动力输出部分，把旋转动能输出。

2.2 电机检测

整机安装完成后，进行了四项检测：

首先，进行耐压和绝缘电阻的检测，以及380 V电压、50 Hz工频的常规检测，其中包括空载电流、空载功率损耗、起动电流、停车时间等。例如，空载功率损耗要控制在300 W左右，如果超过该值太多，说明电机的侧隙调节太紧，要减小后导油环的厚度。

其次，进行油路检测。检测油路回油口的出油量和前、后轴承的润滑状态。

再次，进行10～70 Hz的变频测试，包括各频率段的转速、电机的振动位移、噪音等，哪怕仅发现有一项不合格，也需马上进行调整。

最后，整机的各个主要尺寸和形位公差的检测。

通过以上对整机的系统性测试，可让用户放心使用。目前投诉率为零，表明产品质量得到了严格的保证。

3 结束语

本文设计的粗轴变频调速电机，经过工艺设计和结构设计，以及基于电机设计软件Maxwell的模拟等论证过程后，进行了样机的试生产工作。经公司电机测试部门测试和质检部门检验，产品质量完全满足了用户的使用要求和安装要求。产品已进行批量生产，并交付用户使用，目前投诉率为零。通过这次设计实践，提升了企业创新能力，将更好地参与市场竞争。期待本文可为电机设计行业人员提供启示和借鉴。

参考文献

唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京： 机械工业出版社， 2016.

成大先. 机械设计手册[M]. 北京： 化学工业出版社， 2016.

黄国治， 傅丰礼. 中小旋转电机设计手册[M]. 北京： 中国电力出版社， 2014.

张展. 实用机械传动装置设计手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2012.

叶玉驹， 焦永和， 张彤. 机械制图手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2012.

作者：徐立明 俞洪飞

变频电机设计论文 篇2：

浅谈变频调速电机设计制造中产生的问题及解决对策

摘 要：科学技术的不断发展，电子技术的出现给现代社会中的各行业的发展都带来了机遇，变频技术作为电子电力技术中的重要组成成分，其在我们的日常生活中应用变得越来越广，并且随着技术的不断发展与完善，已经可以更好的服务于国家和社会。本文主要对于变频调速点击设计制造中产生的问题进行了分析，并提出了对应的解决对策。

关键词：变频调速电机；设计制造；问题；解决对策

随着电力电子技术的飞速发展，变频调速已经逐渐取代了传统的变极调速、调压调速等调速技术，并且变频调速技术已经在现阶段被广泛的应用在矿产、纺织、家电以及运输行业中，在不断的应用过程中，变频调速作为以节能为主要目的的调速技术，其在使用过程中展现出了很好地优势，并且在应用的过程中实现了电机的软启动，还很好地减少了对于电网的冲击，更好的确保了对于系统的精准控制，而且也可以扩大调速的范围，更好的实现对于电机转速以及电压的提高。

1 变频调速电源对于电机造成的影响

在变频电源中，和传统电源不同的是其输出的波形是PWM以及PAM波形，交流正弦波并不能适应变频电源的需求，所以为了保证电机可以适合变频电源的需求，在交流异步电机的设计过程中，一般都是应用恒频恒压的方式进行设计。

1.1 电动机的效率以及升温造成的影响

由于不用形式的变频器在运行中都会产生不同程度的谐波电压以及电流，所以就导致电动机在非正弦电压以及电流的情况下并不能正弦的运行。在现阶段PWM是最为常用的变频器，其低次谐波为0，高次谐波为2μ+1，相较于载波频率大了大约一倍左右。在电动机的定子铜耗以及转子铜耗、铁耗都是使电动机出现额外发热的主要因素，严重降低了发热的效率以及输出的功率，高次谐波引起的损耗也十分严重，并且如果在普通的异步电动机运行的过程中，将变频输出变为非正弦的电源，还会导致设备的温度出现上升隐患。

1.2 电动机绝缘强度问题

在目前使用的电动机中，很多电动机都是使用PWM作为主要的控制方式，但是在使用的时候，电动机的载波频率可以达到几千赫兹到几万赫兹，所以就导致在运行的时候，电动机的定子绕组需要承受较大的电压上升率，就相当于在使用的时候，不断的对于电动机的定子绕组进行了反复的电压陡升冲击，持续下去就会导致电动机绕组受到不可修复的问题，影响电动机之间的匝间绝缘强度。而且在PWM变频器中还会产生矩形的斩波冲击电压，在叠加作用在电动机上就会给电动机的绝缘造成严重的冲击，这些威胁很可能会导致电动机的绝缘在不断的反复过程中出现严重的老化现象。

1.3 谐波电磁噪声与振动

在普通的一部电动机中应用变频器进行供电时，会结合电磁、通风以及机械等多方面因素，最后就会导致在电动机中引起振动以及噪声问题，是电动机使用过程变得更加复杂，而且在变频电源中各个谐波与电动机电磁部分的固有谐波之间会产生相互间的干涉，形成多种的电磁相互作用力，最后当电磁力波的频率域电动机之内的部件振动频率得到一致的时候，就会产生共鸣现象，增大噪音。

1.4 电动机对频繁起动、制动的适应能力

由于采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式起动，并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动，为实现频繁起动和制动创造了条件，因而电动机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下，给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。

1.5 低速时的冷却问题

因普通异步电动机的阻抗不尽理想，当电源频率较低时，电源中高次谐波所引起损耗显得较大。其次，自扇冷的普通异步电动机在转速较低时，却风量将与转速的，方成比例减少，这必将使电动机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加，而难以实现恒转矩输出。

2 调速电动机在设计时应采取的对策

由于变频变压对电动机电源的影响，使普通异步电动机在变频调速情况下不适宜运行，因此，为了使异步电动机能够在变频变压下运行，必须设计适合在异步电动机在变频变压下使用的变频调速电源。而能够在变频变压下运行的异步电机与传统的异步电动机在设计上有很大的不同。

2.1 设计

在恒频恒压供电的普通异步电动机中，电磁设计主要是性能参数和过载能力起动性的效率和功率的决定因素。而在变频变压调速的异步电动机中，因临界转差率与电源频率成反比，所以，选择正确的转子电阻和转子漏抗就可以降低频率，对此，应考虑采取：（1）尽可能地减小定子和转子电阻。减少定子电阻既可降低基波铜耗，以弥补高次谐波引起的铜耗增加，又可减小低速时定子电阻压降，使最大转矩有所上升。调频电机需通过采用较大电阻值来获得足够的起动转矩。因此，降低转子电阻不仅可以减少由基波和高次谐波所产生的转子铜耗，还可以在一定程度上抑制低速时的转矩脉动。（2）为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。在恒功率调速区域，最大转矩将随电源频率的增加而降低，有可能使电动机难以维持恒功率运行。因此，电动机漏抗的大小要兼顾整个调速范围内阻抗匹配的合理性。（3）变频调速异步电动机的主磁路一般应设计成不饱合状态。一方面是考虑高次谐波会加深磁路饱合，另一方面则是考虑在低频时，为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。

2.2 结构设计

（1）绝缘等级一般应为F级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。（2）对电机的振动噪声问题，除在电磁设计方面选择合适的定子转子槽配合外，更要充分考虑电动机结构件及整体的刚性，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。（3）考虑变频调速电动机与普通电动机互换性问题。（4）充分考虑低速时的冷却问题。在设计时一般依据转速的控制范围不同而采取相应的降容措施。

2.3 变频调速异步电动机在制造时采取的对策

（1）绝缘处理。在对于电动机进行设计的时候，为了保证制造的电动机可以符合绝缘系统的耐热等级，可以在每相线圈进行首末匝绕线的时候进行加包的补强绝缘处理。（2）保证零部件加工尺寸的精度。在电动机设计的时候，为了减少电动机的振动以及噪声，要尽可能的对于电动机的内部零件设计进行仔细的掌控，保证尺寸以及精度符合设计的需求，消除不平衡感。

3 结论

变频调速作为现阶段最主要的科技与电力电子技术产物，不仅有效地改善了对于电力资源的浪费，还很好地确保了对于人们生活环境以及水平的提高。随着变频技术的改善，在很大程度上解决了各个领域中存在的问题。变频电机通过在对于设计以及制造中产生问题的分析，不仅在一定程度上将问题得到了科学合理的解决，而且在问题的不断解决过程中，变频调速的技术也得到了一定程度的发展，使其可以更好的适应现代社会的需求。所以在变频调速技术的不断应用过程中，要不断地对于其进行完善改造，只有更好的提高了变频调速的技术水平，才能更好地为我国的经济技术发展做出贡献。

参考文献

[1]赖俊良，宋佳文.对变频调速异步电机设计与制造技术的探讨[J].中国新技术新产品，2015（12）.

[2]唐小伟.异步电机变频调速系统的优化设计与试验研究[D].湖南工业大学，2014.

作者：马中原

变频电机设计论文 篇3：

变频器驱动下的异步电机设计与分析

摘要：牵引用异步感应电机的逆变电源对电磁性能和热性能都有重要影響。此外，异步感应电机与轨道交通车辆牵引传动相比，有不同的设计策略常用的标准机器。一般来说，这些机器的设计要求高的电磁和热应力。因此，在初始设计时必须考虑逆变器引起的附加损耗。在热工设计中，需要预先计算各工况点的附加损耗。额外的损失取决于机器的特性以及逆变器的工作模式。直流链电压和开关频率对附加损耗有较大影响。本文提出了建模和预计算的一个重要观点，并与不同已建机械的详细测量结果进行了比较。此外，额外损耗的预计算使得确定一个优化的开关模式，以最小化系统的逆变器和感应电机的损耗。

关键词：变频器;开关模式;异步电机

1 变频器驱动下的异步电机设计概述

由于异步电动机具有广泛的应用前景，因此有许多控制异步电动机的方法。电力异步电动机的主要控制方法有： 脉宽调制（PWM）、特定次数谐波的消除、正弦脉宽调制（SPWM）和空间矢量脉宽调制（SVPWM）。在基于脉冲宽度调制的控制方法的优点中，人们可以记住： 易于实现，对系统线性没有影响，并且与控制器兼容。尽管有这些优点，人们可以注意到，通过文献分析，到目前为止，有许多努力发展新的战略，以改善控制电子功率转换器用于异步电动机控制。由于这个原因，这个领域的研究还远远没有完成。与异步电动机控制相关的电压型逆变器的一个重要问题是与电力电子装置中的开关损耗有关，而开关损耗决定了电气能量转换效率的减少。

逆变器供电感应电机附加损耗的评估是多年来的一个重要课题，但是损耗的研究主要集中在常用的标准电机上。与工业用电机相比，牵引传动用感应电机的设计和制造周期大都有很大的不同。因此，准确建模和预估逆变器造成的额外损耗是非常重要的任务，特别是在初步设计和投标阶段。在这些设计阶段，许多细节都机器和变频器，特别是操作和开关策略没有具体说明。因此，非常详细的分析方法，如多域耦合有限元分析是不可取的。相比之下，为了满足要求，将使用分析计算。本文的计算基于高次谐波的机械模型，并对牵引变流器进行了仿真。利用感应电机的等效电路对逆变器施加的端电压的每个高次谐波分量计算电流消耗的高次谐波分量。随后，铁和功率损耗的评估依赖于运行条件，特别是考虑到各种开关策略的逆变器。根据现有设备的详细测量数据，提出了一种适用于新设备初步设计的快速可靠的附加损耗计算方法。

2 变频器驱动下的异步电机设计方案及理论分析

2.1 等效电路分析

施加在电机上的电压和因此消耗的电流总是非正弦的，主要的基波分量是 u 1，i 1和各种高次谐波分量。伊克河。在同步脉冲图案的情况下，谐波序由 k = 1 + 6g，g ∈ z 确定。相比之下，异步脉冲模式导致谐波序列：

不是整数，而是与开关频率 和基频  有关。基于电压和电流的傅里叶级数展开，每个谐波级数 k 的等效电路如图所示。通过基波滑移 计算得到高次谐波的滑移值 ：

在额定工况下，基波滑移 引起高次谐波  的滑移值。因此，高次谐波将产生额外的损耗，这些损耗近似独立于实际运行点。根据以下关于功耗和铁耗的建议，进一步计算了各等效电路的参数。

有关附加损耗的最重要组成部分是由于定子和转子绕组导体中较高的电流谐波引起的功率损耗。由于这些电流分量的频率较高，必须详细考虑电流位移效应。根据众所周知的表面深度：

根据圆周频率 ω 和电导率 γ的关系，定义了考虑导体绝缘的修正折减缝隙高 ξ 为：

其中  分别表示导体的高度以及导体的总宽度和槽的宽度。此外，复杂的参数 ζ 被定义为

集肤效应对沿定子和转子叠片堆长度方向的槽导体阻抗有显著影响。特别是对于定子，也必须考虑端部绕组区域内的电流位移。牵引传动的异步感应电机总是装有开口的定子槽，以便携带成型绕组线圈。此外，在大多数情况下，牵引传动的异步感应电动机都装有非偏置的半开槽，其中包含矩形或微梯形槽导体。因此，预先计算额外的损失必须牢记与工业使用的机器相比的一些基本差异。

对于定子槽的开启，通常，在上层和下层都有相等数目的矩形导体，这就导致开槽导体的数目为偶数。利用直流电阻 R0和直流电感 L0[5] ，给出了 n 个矩形槽导体的复阻抗：

分解成实部和虚部就产生了：

依赖于与端部绕组连接的槽导线的布置，电阻和电感的平均值被描述为：

其中，加权系数分别在每一层中引入无 n/2槽导体或带有 n/2槽导体的换位，为：

利用直流电阻 R0，给出了矩形槽导体的复阻抗：

其中  分别表示槽口的宽度以及导体的宽度和高度。对于高次谐波的附加损耗，端部绕组区域各种设计的影响可以忽略不计。额外损耗的另一个重要组成部分是由高次谐波引起的铁损耗，尤其是在定子和转子中，基本上，铁损耗可分为涡流损耗 Ped、磁滞损耗 Physt 和过剩损耗 Pexc 。这三种铁损耗密度中的每一种都有它自己对频率和磁通量的依赖性：

由于必须考虑较小滞环的出现，逆变器采用的脉冲形式对滞环损耗有影响[13]。此外，磁滞损耗还受到基波导致的饱和度的影响。基波的磁化电感可以根据整机在恒定磁场或弱磁区内各工作点的磁特性来计算。此外，由基波引起的饱和定义了一个代表高次谐波磁化电流的适当的差动励磁电感。铁损的实际值是从几何数据以及已知的材料相关系数已利用层压板得到的。根据定子齿和轭、转子齿和轭等四个主要铁区，从上述功率损耗密度和各区域的铁质量来估算这些区域的铁损总量。

2.2与实际测量值的比较

图1描绘了在恒定直流链电压下，典型牵引机的逆变器引起的附加损耗与开关频率的关系的测量数据。因此，图2和图3描述了在逆变器的不同开关频率下，逆变器在直流链路电压恒定值下引起的附加损耗的仿真数据。图2和图3的比较表明，尤其是转子的功率损耗受开关频率的影响很大。此外，随着开关频率的不同，机器内附加损耗的相对分布也发生了强烈的变化。

测量结果表明，逆变器的开关频率对高次谐波分量引起的附加损耗影响很大。另一方面，逆变器开关频率的增加会导致额外的损耗，从而导致逆变器的热设计问题。此外，由于这些损耗近似地取决于直流链路电压的二次方程，所以谐波分量直流链路电压强烈影响总额外损失。与高次谐波等效电路的计算结果进行了比较，两者吻合较好。正如预期的那样，由高次谐波引起的额外损耗中最主要的部分来自于转子内部的功率损耗。附加损耗的所有三个主要成分都随着基频的增加而增加，增加值大约等于恒定磁场区最高频率的一半。随着基频的增大，基频值逐渐减小到较小的值。最后，所有三部分在磁场弱化区域内近似为常数。弱磁区附加损耗的大小和特性主要受到逆变器脉冲波形的影响。

2.3系统设计与优化

因此，为了获得系统在损耗和效率方面的最优性能，电机和逆变器的优化都有重要的研究领域。除了优化损耗外，还应考虑脉冲模式的其他影响，例如介电应力和辐射噪声。为了减少逆变器的附加损耗，特别是逆变器的开关模式和直流环节电压应分别选择。图5描绘了逆变器在频率以下与开关频率的关系所引起的附加损耗6 kHz直流链路电压的不同值。一般来说，开关频率越高，由逆变器引起的总额外损耗越低。附加损耗在定子损耗和转子损耗中的分布以及在功率损耗和铁损耗中的分布取决于上面提到的开关模式。此外，额外的损耗取决于工作点，因此最佳切换模式取决于各自的工作点。

逆变器的损耗主要分为导通损耗和开关损耗，开关损耗主要受开关模式的影响。为了描述逆变器的损耗，开关模式主要是拥有属性开关频率。因此，将逆变器的开关损耗与机器的附加损耗进行比较，可以得到系统中损耗最小的开关频率。

3 小结

综上所述，针对供电电压源逆变器非正弦电压和电流引起的附加损耗，轨道交通车辆牵引传动用异步感应电机必须与标准感应电机区别对待。为此，本文还对逆变器引起的额外功率和铁损的建模和預计算进行了讨论，以便更准确地初步设计这类电机。仿真额外的损失所造成的逆变器，使一个详细的研究系统效率。因此，通过比较逆变器在恒定磁场区和弱磁区的不同开关模式，可以评估感应电机和逆变器系统的最小损耗。此外，还分析了恒定电场区域施加可变直流环节电压的后果。

参考文献：

[1]陈铁红. 变频器驱动下的异步电机设计研究[J]. 决策探索（中），2019，（07）：73-74.

[2]李琳琳，张道洋，詹学健. 变频器驱动下的异步电机设计与分析[J]. 低碳世界，2015，（32）：158-159.

[3]况燕. 浅析变频器驱动下的异步电机设计[J]. 科技风，2014，（20）：97.

[4]刘宝佳. 变频器驱动下的异步电机设计与分析[J]. 黑龙江科学，2014，5（06）：131.

[5]关慧. 变频器驱动下的异步电机设计与分析[D].清华大学，2005.

作者：陈华