变频调速异步电机优化电磁设计

变频调速异步电机优化电磁设计

王浩宇

红塔辽宁烟草有限责任公司营口卷烟厂 辽宁省营口市 115000

摘要：随着我国社会主义市场经济的飞速发展，我国各行各业的发展水平都有了极大的提高，电力行业的发展也补例外，我们了解到，变频调速异步电机属于目前十分重要的一种电机类型，在很多方面都有着十分广泛的应用，在变频调速异步电机实际运行及应用过程中，为能够使其取得比较满意的效果，需要对其进行优化设计。因此，作为变频调速异步电机设计及维护人员，应当对变频调速异步电机优化的电磁设计加强认识，并且需要合理进行电磁设计，以保证电机的更好运行。基于此，本文主要对变频调速异步电机优化电磁设计做具体论述。

关键词：变频调速异步电机；电磁设计

引言

传统悬架通过热能耗散的方式减振，不仅会影响其减振器性能和寿命且不利于节能。随着能源短缺问题日渐突出，节能减排已经成为了急需解决的关键课题之一。相继出现的馈能型悬架成为了必然的选择，它是将振动能转化为电能并加以回收利用，有效地降低汽车能耗达到节约能源的目的。

1变频调速异步电机设计特点

变频调速异步电机设计特点主要涉及到以下几个内容：首先，对于变频调速异步电机而言，在对其工作电压、频率以及效率与额定值进行选择方面，应当遵循电机性能最合理的原则，不可被电网工频限制。其次，对于变频调速异步电机，通过改变其输入电压及频率，可使电机实现恒转矩调速，因而不会有转差率比较大的情况存在，因而对于工频下电机的启动，在性能方面的要求相对也就不是特别高。同时，在对于电机中的定子叠片槽形，在进行确定时需要考虑的因素主要就是漏抗大小，对于启动转矩对其所产生影响可以忽略。再次，在电机实际运行过程中，若转子磁通保持稳定不变，则其机械性能也就趋向于直线，因而在设计过程中电机最大转矩倍数对于漏抗大小也就不会产生太大限制。最后，对于变频调速异步电机中的调频系统而言，绕组阻抗参数对其所产生的影响比较大，因而在电机实际设计过程中，需要对两个方面的标准进行考虑，分别为电机与控制系统，主要就是要从技术及经济性两个方面进行考虑，从而使设计达到最理想效果，满足实际设计需求。

2变频调速异步电机的电磁优化设计

2.1能量回收电路设计

变频调速异步电机的电磁优化设计之一是能量回收电路设计。设计的馈能电路包含AC-DC同步整流器，分压模块，DC-DC变换器及储能模块，如图1所示。

图1能量回收电路原理简图

其中同步整流器采用六个可控IGBT代替了传统的整流二极管，降低损耗提高了转化效率。设计的分压模块利用分压判断模块产生的高低电平来控制Q7开断，将整流后电压分为多级电压。储能模块设计了两个不同的超级电容组，其根据不同的充电电压通过开关S1、S2切换充电。DC-DC变换器根据多级输入电压与充电电压进行升降压变换，当工作在升压模式时，Q8导通，Q9通过PWM闭环控制来调节其占空比，使输出电压逼近充电电压；当工作在降压模式时，Q9断开，通过PWM闭环控制Q8通断使输出电压满足充电要求。

2.2磁路分析

变频调速异步电机的电磁优化设计之二是磁路分析。磁路由三部分组成：(1)永磁体N极→内气隙→转子内侧齿部→转子轭部→转子内侧齿部→内气隙→永磁体S极→内定子轭部→永磁体N极；(2)转子外侧齿部→外气隙→外定子齿部→外定子轭部→外定子齿部→外气隙→转子外侧齿部→转子轭部→转子外侧齿部；(3)永磁体N极→内气隙→转子内侧齿部→转子轭部→转子外侧齿部→外气隙→外定子齿部→外定子轭部→外定子齿部→外气隙→转子外侧齿部→转子轭部→转子内侧齿部→内气隙→永磁体S极→内定子轭部→永磁体N极。其中，第(1)部分为内定子永磁体与转子内侧绕组产生磁场的耦合，第(2)部分为转子外侧绕组磁场与外定子绕组磁场的耦合，当转子内侧绕组极对数与外定子绕组极对数相同时，会出现第(3)部分的磁路走势，此时外定子绕组在转子内侧绕组产生的旋转磁场下感应出电动势，从而提升电机的性能。转子有隔磁层的电机由于隔磁层的存在，而不存在第(3)部分的磁路。

2.3基于改进单纯形法的异步电机效率优化

变频调速异步电机的电磁优化设计之三是基于改进单纯形法的异步电机效率优化。在电机设计和制造方面，需要对定子和转子的铁耗、铜耗和附加损耗进行了总体优化。效率优化是一个非常复杂的问题，通常需要使用RMxprt等电磁设计软件直接输出性能指标值来判断优化的优劣计划。遗传算法（GA）直接对优化变量进行运算，而且优化过程中涉及的函数没有导数或函数连续性，使用方便。遗传算法的基本思想是用达尔文进化理论模拟相对稳定的自然条件下种群不同性状的自然选择，实现生物进化过程以适应环境，进而求解最优解。优化过程包括种群初始化、个体适应性评价和种群优化进化。在优化搜索前，遗传算法将需要求解的问题映射到解码空间，生成初始种群。编码后，为了实现优胜劣汰的原则，需要对每个个体的环境适应性进行评价，计算种群的个体适应度，判断是否满足优化准则。如果不满足，则在遗传算法的选择、交叉和变异操作后计算个体适应度，直到满足优化条件，输出最优个体。.遗传算法作为一种求解最优解的方法，容易出现早熟现象。这种求解思想也体现在其他算法中，如传统的多维直接搜索局部优化算法-单纯形法。将初始单纯形构成的优化方案组的结果与初步方案的结果进行比较，从优化方案集中剔除优化效果最差的优化方案。将剔除的方案集的均值加到最差解偏离方向的反方向，形成新的优化方案，并将其重新加入到优化方案集中。通过重复上述过程得到最优解。

2.4电机效率Map图绘制

变频调速异步电机的电磁优化设计之四是电机效率Map图绘制。ANSYS/MaxwellV17以后版本中，允许在后处理模块中增加UDO和效率Map图相关插件。1)麦克斯韦2D/工具箱/电气设计工具－Ｒ16.2/效率图显示;2)麦克斯韦2D/工具箱/电气设计工具－Ｒ16.2/电气设计工具。首先，要在Ｒesults中进行UDO设置。需注意，第五项斜槽系数必须填成－1，即计入最后一个计算周期的数据。然后，在Ｒesults中调出数据表，可以选取自已需要的数据查看，主要选择最大电流和最高电压，选择电动机模式。控制策略为最大转矩电流比模式。同时需要设置最后两个电角度周期的平均值、每个电角度周期采样点、横坐标转速值采样点及纵坐标转矩值采样点。设置最大转速、Map图转速和转矩点数。最大转速点设置略高于电机实际上工作转速的120%以上，电机最高电压也略高于工作电压，否则系统容易死机。

结语

总之，变频调速异步电机作为目前的一种新型电机，在实际生产实践中有着越来越广泛的应用，因而在实际应用中的要求也越来越越高，需要进一步提升其运行效率及质量，而这需要对变频调速异步电机进行优化设计。在当前变频调速异步电机的优化设计中，需要注重电磁优化设计，在合理进行电磁优化设计的基础上，使变频调速异步电机整体应用及运行得到更满意的效果，满足变频调速异步电机的应用需求及要求，使其价值更好实现。

参考文献

[1]邢帅帅.采用ODP结构变频调速异步电机设计[J].电气防爆，2019（05）：7-8+11.

[2]周首杰.基于单片机的PWM单相交流电机变频调速设计[J].物联网技术，2019，9（10）：55-57.

[3]于明星.基于稳态模型的笼型异步电机变频调速运行特性模拟[J].辽宁师专学报（自然科学版），2019，21（03）：6-11.