逆变器供电异步电机的设计难点及对策

逆变器供电异步电动机的设计难点及对策

摘要：本文从分析逆变器供电对异步电动机不利影响着手，着重从定转子槽、绝缘结构、转子结构、轴承等几个方面探讨了逆变器供电异步电动机的特点和设计难点，并提出了相应的对策。

关键词：逆变器、异步电动机、设计难点、对策

0 引言

由于逆变器输出电压的频率可调，从而可顺利实现异步电动机的调速。但是由于逆变器输出的电源品质还不能令人满意，不论是电流源型逆变器、电压源型逆变器，还是脉宽调制逆变器，其输出的电流或电压中均含有大量的高次谐波，与工频电网的正弦波具有很大的差别，再加上运行频率的不断变化，等等这些都给异步电动机的运行产生一系列不利影响，产生了一系列特殊问题。

由于逆变器供给异步电机的电流（对电流源型逆变器）或电压（对电压源型逆变器）中含有的大量高次谐波，会使电机定、转子电流和高次谐波铁损增加，从而使电机的效率下降、温升增加；会在电动机定子绝缘中产生电晕，从而影响定子绝缘系统的可靠性；会产生转矩脉动，使电动机运行不平稳；会大大增大流过电动机轴承的轴电流，引起轴承电蚀损坏；同时，为实现现代工业对异步电动机高转速、大容量、小形化、轻量化的要求，逆变器变频调速可使异步电动机工作转速远远高于其同步转速，也高于常规轴承的极限转速，对电机结构件(特别是转子结构件)的机械强度提出了更高的要求，对轴承及其润滑系统带来了新的困难。这些问题都给异步电动机的设计带来了困难，如果不针对逆变器供电的特殊性对电动机进行适宜的设计，将会使电动机的运行状况异常恶劣，直接影响电动机的运行性能及可靠性。

1定子槽和定子绕组

根据逆变器电源类型的不同，需要异步电动机具有不同的定子漏抗值。对于电压型逆变器供电的异步电动机，为了减少逆变器换向过程中的电流冲击，应尽量将电动机的定子漏抗设计得大一些（在有些系统中还采用在电动机和逆变器之间串联限流电抗器的方法来进一步加大漏抗，也可当频率升高到一定时再将该电抗器短接，比如50HZ），以削弱谐波对电动机和逆变器所带来的不利影响。同时，将转子的超瞬变漏抗设计得大一些。为了减小气隙长度，又能增大定子漏抗，同时为了在小气隙下改善轴向通风冷却的效果，通常将槽形设计成图1所示的深而窄的形状，把轴向通风沟设计在槽口部分以增加槽深，加大漏抗，并使用磁性槽楔。

对于电流型逆变器供电的电动机，为了减小定子漏抗，通常使槽形浅而宽，采用开口槽，而不采用磁性槽楔。

定子绕组尽可能做成集肤效应小的双根或多根互相绝缘的矩形导体（平铺、即窄边对着槽壁，如图1）以减少高次谐波电流所产生的附加损耗。

图1 定子槽形

另外，为减少循环电流（即一个定子槽中并联放置的各导线之间产生的均衡电流），较好方法是增加线圈串联的匝数，以便在一定程度上来加长电流的通路。只要在选择线圈匝数时有可能留有一定的自由度，在确定线圈时，就可能将该类型的附加损耗减至最小。

2转子槽和导条

转子槽形选择时，考虑到变频异步电动机，总是运行在较高的频率下，又可采用低频起动，实际上起动时的集肤效应很小，这时转子绕组有效电阻的增加和漏电感的减小已不明显，利用集肤效应提高起动转矩作用不大，所以没有必要为获得好的起动转矩，象通常工频电源供电类型异步电动机那样设计转子槽形和转子导条。也无需用增加转子绕组有效电阻的办法来限制起动电流。相反为了减少转子基波损耗以及转子谐波损耗应尽可能在转差控制技术和控制精度允许的情况下，减小转子电阻。因此，在转子齿磁密和冲片机械强度允许的条件下，尽可能增大转子导条尺寸。

由于高次谐波电流在转子导条中集肤效应效应明显，其损耗的增加在转子铜损中表现比较明显。据有关文献介绍，电压和电流谐波在转子绕组中的额外发热可达到10～38%。

设计转子槽形和转子导条时，尤其要减少导条本身的谐波电流损耗。高频谐波电流会因集肤效应而出现在转子导条的顶部，如果不为适应变频电源而特别设计转子导条和转子槽，它们就会

引起局部发热和在电机转轴上产生大的转矩脉动。为了尽力抑制高次谐波损耗的增加，要应用特殊的转子槽形设计，选择集肤效应小的宽而浅的矩形或梯形导体形状及槽形。同时，导体的材质也要做适当的选择，使逆变器产生的定子谐波电流产生的附加损耗和转矩脉动等不良影响减到最小。

图2 不同的转子槽形设计

图2中第1种槽形为宽而浅的矩形槽，槽侧面平行，适合于棒形绕组，采用矩形导条。这种宽而浅的槽形，可以减小损耗和增大最大转矩，可以确保将转子附加损耗限制在一个适中的程度。这种槽形因其结构简单而被大量采用，在逆变器电源条件下的试验及运行经验，都表明采用了这种槽形的电动机也很少会因之使转差率明显增大而出现转子过热现象。

第2种槽形为梯形槽，转子齿侧面平行，适合于棒形绕组，采用梯形导条。这种槽口宽、槽底窄的梯形槽，由于增加了导条顶部的截面积，可以很好地抑制由于集肤效应而使高次谐波电流集中在导条顶部而引起的损耗的增加，如果槽面积相同，这种槽形与槽形⑴比较将可减少逆变器电源中谐波成分引起不良影响。

第3种槽形为梯形槽，转子齿侧面平行，除去了导体中谐波损耗出现的区域，适合于棒形绕组，采用梯形导条。如果槽面积相同，这种槽形与槽形⑵比较将可进一步减少逆变器电源中谐波成分引起不良影响。由于除去了导体中谐波损耗出现的区域，与槽形⑵比较，其高频自感应系数将增加，即使高频阻抗与槽形⑵相比将减小，对于逆变器供电的电动机来说，这种槽形和导条显示了最好的性能。

第4种槽形为梯形槽，转子齿侧面平行，适合铸造转子绕组。通过最适宜的槽内铁磁桥的设计，可取得与比槽形⑶几乎一样好的性能。通过改变转子槽的几何形状（包括磁桥顶部的厚度、槽口底部的半径、磁桥的深度、齿顶高度等），能将转子绕组谐波损耗减小到最小。借助穿过槽

口底部的铁磁桥，使通常较窄的槽口中的铝被空气取代。用这种方法减小了谐波电阻，而与其它类型磁桥相比， U形的铁磁桥又显示出若干优点，最重要的特点是非常低的谐波电阻和几乎可忽略的负载相依性［1］。

3绝缘结构

高开关频率的开关元器件（如IGBT）的应用，使PWM变频电源的谐波分量大大减少，使电机的谐波损耗大大减少了，但由于IGBT PWM逆变器极短促的开关动作，产生波前时间极短及电压幅值相当于三倍标准电压的电压波［2］，同时大部分线电压加在第一个线圈上，根据电缆传输线理论在电动机接线端上的线电压是调速装置出线端电压的2倍（对于散嵌绕组的电机，还要再加上在最坏的情况下，线圈的第一匝可能和最后匝相接触），因此电动机线圈相邻导线之间的电压可以相当高（对于散嵌绕组的电机将更加严重），使线圈匝间与匝间的绝缘，线圈与定子外壳间的对地绝缘，各个线圈绕组与绕组间的绝缘，都要承受额外的高电压强度。运行中，在极端情况下这些高的交变尖峰电压可能导致线圈绝缘层发生局部放电现象（称为“电晕”），局部放电产生的能量和生成物将逐渐腐蚀绝缘层，最后导致线圈匝间—匝间短路，相—相或相—地间的绝缘击穿，而最常见的是匝间短路。另外，PWM逆变器电压中含有的大量的谐波产生的附加损耗转化为热能，也大大加速了电机绝缘的老化。Bellomo、Petrarca、Gao等试验研究了聚酰亚胺、聚酯等高耐热等级绝缘材料在重复性方波脉冲电压作用或多应力作用下的寿命和破坏特性，表明在高频方波脉冲电压作用下，绝缘的寿命比工频下要短得多。目前就已经发现了在IGBT PWM调速系统中运行的普通标准型的电动机，有的在安装使用后几个月甚至几周内就发生损坏［3］。因此，普通标准型电机（如工频交流电机、直流电机）绝缘结构和绝缘材料已经不能满足逆变器供电异步电动机的要求，必须采用新型的绝缘材料和绝缘结构。

严格检查损坏的绝缘系统，研究损坏的机理，一般认为绝缘系统的损坏不是单一因素，而是由局部放电、局部介质发热和空间电荷积聚等多种因素造成的。因此，要针对可能的原因多方面采取措施来提高绝缘系统的寿命。

为提高绕组的耐电晕性，除应选用耐电晕性能好的材料外，还应完善绝缘结构和工艺，以消除绝缘内的空隙和表面放电。

对于匝间绝缘，成型线圈可采用用耐高温、耐电晕性能优良的Kapton—CR薄膜绕包烧结的矩形绕包电磁线；而散嵌绕组则采用用纳米TiO2对现有的有机材料（如聚酰胺—聚酰亚胺绝缘漆）进行填充改性的措施制造的新型圆形漆包电磁线，可以很大程度地提高线圈匝间耐高频脉冲电压的冲击能力，电压老化寿命可提高5～100倍。美国Phelps Dodge、R EA和Essex电磁线公司以及法国Nexans公司等都先后开发了耐电晕的新型漆包电磁线，并申请了专利；株洲电力机车研究所、上海电缆研究所、常熟豪威富公司等国内厂家也开展了开发了耐电晕的新型绕包电磁线、漆

包电磁线产品。试验和运行经验都证明了新型电磁线绝缘材料的耐高频脉冲尖峰电压和耐电晕性能都有了显著的提高。

对于对地主绝缘，则可采用由耐电晕性能优良的云母材料与薄膜的复合材料。

作为进一步的措施，定子嵌线后整体真空压力浸漆（如采用耐电晕漆更好）处理，使绝缘漆填充并消除绝缘内的空隙来提高定子整体耐电晕能力、导热能力和机械强度。

4转子结构

常用的转子结构主要有铜条转子（铜导条与铜端环焊接）、铝条转子（铝导条与铝端环焊接）、铸铝转子（铝或铝合金铸造）等3种（图2、图3、图4）。

铸铝转子和铜（铝）条转子相比，绕组和转子铁心间的热导率低些；绕组和铁心之间的空气少，而与铁心接触更多，且端环直接接触铁心，这将有利于端环散热，从而使得铸铝转子比铜（铝）条转子可以有较高的过载能力，而且结构简单、牢固以及相对成本低。

但铸铝转子绕组电阻率高，如要设计一个小电阻的转子，则采用铜条转子是理想的；由于铸铝转子电机在低磁通时（速度略高于起动速度），在转子槽内的铁心桥将增加转子电抗，相对于开口槽，这将导致牵引力矩小；由于采用铝转子绕组时转子槽的尺寸将比采用铜绕组的大，如转子采用铜绕组，结果可以将牵引力矩设计得大。

对于小型变频异步电动机，可考虑采用铸铝转子。对于大功率的变频异步电动机（如

700kw），由于绕组损耗，转子铁心的空间可能将仅允许采用铜条转子。

图2 铜条转子（铜端环外套或不套护环）

图3 铝条转子

图4 铸铝转子

变频使异步电动机（如4极）运行速度可以远远高于其同步转速（1500r/mim），比如有人期望2极电机能以7000r/mim旋转，为使转子结构可以承受高转速引起的较大离心力，可借鉴大型发电机的转子设计，即在端环和导条端部热套上非磁性的护环（一般为不锈钢的，也有采用铜合金）固定并保护它们。

逆变器电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有的空间谐波相干涉，造成各种电磁激振力，同时，变频又使异步电动机可以在大范围内改变其运行速度，使电动机工作频率范围宽、转速变化范围大，很难避开电动机各种结构件的固有频率。因此不可能象标准电机那样设计，使电机远离临界转速运行，这时更有必要尽量采用大的“刚性转轴”，但更有效的办法是提高转子的平衡精度（G2.5级或更高，这在一些应用中已证实是可行的），以便电动机即使以临界转速运行时，阻尼也足以将振动限制在可接受的水平，以减小转矩脉动的不利影响。

由于高次谐波电流在转子导条中集肤效应效应明显，使转子铜损明显增加（据有关文献介绍，电压和电流谐波在转子绕组中的额外发热可达到10～38%）；加上高的绝缘等级（如H级、200级）以及较高的转差率（对并联供电的逆变器系统而言，1～3%），使得转子发热成了一个主要问题，有时转子工作温度往往可高达200～300℃。对于这种工作温度较高的转子，要特别慎重选择导条的材料，由于纯铜在温度高于200℃时，会显著软化并具有很小的蠕变阻力，已不适用，有必要采用具有合适电阻率和具有较高高温机械强度的铜合金材料（通过在铜中加以Ｃr、Zr等微量元素产生沉淀强化来提高合金的室温和高温强度，提高材料的软化温度，如600℃）。

5轴承

对于逆变器供电的异步电动机，轴承结构设计时，要着重考虑高速和轴承电蚀两个不利因素。对于高速而言，关键是如何改善轴承的润滑条件，为此必须尽可能控制dmN值[dmN值是表示润滑程度的指标，dmN=轴承平均直径(mm)×转速(r/min) ]，必须选用有优良的高速润滑性能的润滑脂或润滑油（对于dmN值高的轴承，采用油润滑是唯一的解决办法，这时要注意油密封这个新问题），以及改进轴承的装配环境，特别要提高环境的清洁度（这是往往易被忽视的）。

事实上，洁净度确实能增进油及轴承的寿命，因为任何一个看似细小的尘埃（比如仅

80um），都可能是轴承过早失效的杀手。为此ISO制定4406洁度标准予以规范，试验数据证明，

只要简单地留意采用清洁的油就能使抗膜轴承的寿命增高200－500％。

由于电机内的磁路不对称、不对称的非屏蔽电缆敷设、快速切换的逆变器及它们的共式电压

会在电机中形成轴承电流，会在轴承中产生电蚀（使轴承滚动面变得粗糙，象洗衣板似的），使

轴承过早损坏。前两种来源对所有的电驱动电机（无论是工频电源还是逆变器供电）来说都是潜

在的风险。

最后一种来源只存在逆变器供电的电机，产生的高频轴接地电流、高频循环电流、电容性放

电电流会导致问题出现。

当电流经滚动轴承时，放电现象会通过内、外圈滚道和滚动元件之间的润滑剂而发生，放电

产生的热量会导致轴承的金属表面局部熔化，形成放电痕，而且熔融的材料颗粒发生转移而使得

局部变得很松散。熔过的材料重新变硬，而且比原来的轴承材料要脆得多。在变硬的材料层下有

一层韧化的材料，要比它周围的材料软［4］。

一般通过滚动轴承的最大电流密度大得超过1.5A/mm2时，否则轴承性能将严重恶化［5］。

为阻隔流过轴承的电流，防止轴承电蚀，以往常采用绝缘端盖（即在端盖与轴承座之间加绝

缘进行隔离），现在一般采用结构更简单、可靠性更高的绝缘轴承（陶瓷或树脂）。

6结论

以上简单分析了逆变器供电给异步电动机带来的不利影响，分析了逆变器供电异步电动机的

特点，着重对其中的几个设计难点问题进行了简要的阐述，并提出了相应的解决办法。

要提高逆变器供电异步电动机性能、质量及其运行可靠性，最有效的是改进逆变器电源的品质。对于电机制造商来说，要针对逆变器供电的特殊性对电动机进行特殊的设计，还得同时改进

制造技术。

参考文献：

1H.-P.Nee（瑞典）.逆变器供电感应电动机的转子槽设计.IEE Conf.Publ.,1995.No412(1995). 2Robert G.Schmidt.牵引电机的高性能绝缘材料.铁路工程师中文版第二卷第二期，1996(68页) .

3秦和.关于用IGBT驱动的电动机的绝缘结构的质量问题.中小型电机,1997，24（6）.

4GERWIN PREINGER等（奥地利）.防止轴承的电蚀磨损 .演进，SKF商务及技术杂志，2001，2（21页）.

5周鹤良主编.电机工程手册?电机卷（第二版）.机械工业出版社,1996.