论文部分内容阅读
[摘 要]主要叙述了变频电机的设计，着重对变频电机绝缘系统的设计进行介绍。
[关键词]变频电机 电机绝缘结构
中图分类号：TB857+.3 文献标识码：TB 文章编号：1009―914X（2013）34―0356―01
前言
电动机的发展与交流电机驱动控制系统的发展是分不开的，近年随着新型电力电子器件和脉宽调制（PWM）控制技术的发展。对变频电机的绝缘系统有了更高的要求，这就需要制定新的交流变频电机绝缘设计的基本原则，提高电动机运行的可靠性。
一.变频电机绝缘系统的研究和开发
1.变频电机绝缘系统失效机理：
当前变频驱动电源，基本采用IGBT技术，其功率范围0.75-1000KW。IGBT技术可以提供上升时间极短的电涌，其上升时间约20-100μs，开关频率高达20KHZ。
一个瞬间快速上升的电压从变频器到达电机末端电缆时，由于电机和电缆的阻抗不匹配，产生一个反射波，这个反射波加在原始电压波上，在电压波前沿产生一个尖峰电压，电机端的过电压值随着电缆长度的增加而增加，并趋向于饱和。过电压开始产生于电压上升沿和下降沿处，并产生衰减振荡，其衰减服从于指数规律。
对PWM驱动脉冲波形有两种频率，一是开关频率，它表示脉冲速度，尖峰电压的重复频率与开关频率成正比。另一是基本频率，直接控制电机的转速。在每一个基本频率开始时，脉冲极性从正到负或从负到正，电机绝缘承受一个两倍于尖峰电压值的全幅电压。在三相电机中，电机绕组的相邻两匝有时分属不同的相，由于相邻两匝中的电压极性可能会不同，全幅电压的跃变也可能达到两倍于尖峰电压值。测试结果表明，在一个380/460V交流系统中，测得的尖峰电压值为1.2-1.5KV，575/600V的变频系统中，测得的尖峰电压值可达1.6-1.8KV。
1.1 局部放电和空间电荷造成电磁线绝缘层损坏
电机绕组的过电压，会在绕组的匝间产生表面局部放电。由于电离作用，在空气隙中又会产生空间电荷，形成一个与外加电场反向的感应电场。当电压极性改变时，这个反向电场与外加电场方向一致，会产生一个更高的电场强度，导致局部电荷放电的增加，而引起绝缘击穿。当尖峰电压的上升时间小于0.1μs时，则将有80%的电势加在绕组的前两匝上。电压上升时间越短，电冲击越大，匝间绝缘寿命就越短。
1.2 高频尖峰电压产生电介质损耗、导致绝缘加速老化
当作用于电机中的电磁场超过绝缘体临界值时，其介质损耗迅速增加。当频率上升时，局部放电随之增加，并产生热量，这些势量又引起更大的漏电流，使绝缘介质每单位体积的损耗增加，电机温升上升，绝缘加速老化。
1.3 主绝缘、相绝缘和绝缘漆的
变频电机的绕组承受尖峰幅值的振荡电压，使得电机的主绝缘、相绝缘和绝缘漆承受更高的电场强度。另一方面电机绕组匝间发生局部放电时，会使绝缘中分布电容所储存的能量变为热辐射以及机械和化学能，造成整个绝缘系统的劣化，大大降低了绝缘的击穿电压，当所加电压的值达到绝缘的击穿电压时，就会发生整个绝缘系统的失效。
1.4 频繁的起制动、电磁激振力和振动引起的循环交变应力造成电机绝缘的加速老化
2.变频绝缘系统的设计
根据上述变频电机绝缘损坏机理，变频电机绝缘结构设计主要考虑①选用符合要求的电磁线，②保证电机绕组获得无气隙绝缘，③改良整个绝缘结构的整体性，提高机械强度。
由于目前市场上变频器的种类很多，不同变频器电源的输出波形不尽相同，考虑到变频驱动系统的性能/价格比，我们设计了三种绝缘结构：① GIRIS绝缘系统 适用于 U峰值<1000V，电压沿上升时间>2μs ② PIRIS绝缘系统 适用于 U峰值<1000V，电压沿上升时间>0.2μs ③ PIRIS绝缘系统 适用于 U峰值<1600V，电压沿上升时间>0.1μs
二.变频驱动异步电机的电磁设计
变频器供电的电压波形，均是非正弦波形，含有大量的谐波，使电机谐波电流增加，造成谐波损耗和电机转矩的脉动。而且各大公司的变频器的电源频谱都不完全相同，因此我们首先对非正弦电源供电电机设计的共性技术问题进行了研究：
①抑制主要谐波成分的定子绕组设计方法
②电机漏抗与谐波电流的函数关系
③提高异步电机低速转矩的技术措施
④高速电机运行时电机的过载能力研究与对策
为提高整个调速运行，根据目前市场上变频器的分类我们把电机定义为三种类型：①变转矩型，负载的转矩与电机转速是平方关系，适用于风机、水泵等。②恒转矩型。主要替代YCT。适用于一般的恒转矩驱动设备、减速机③伺服型，适用于运行控制的精确控制和快速响应。
3.1 变转矩型
变频电机一般应用于风机、水泵、压缩机等负载，平均运行时间大于8H/天。使用量大而广，是国民经济中的耗能大户，因此强调电机具有较高的效率值，电机效率高于欧洲的EFF1，是节能型产品。
3.2 恒转矩型
此种电机主要考虑电压/频率=常数的设计思路，在电机最低速度运行点，达到转矩要求，并使在不超150%电流情况，顺利起动电机，适用于一般工业传动替代直流机。
3.3 伺服型电机
异步伺服电机设计是变频电机最复杂的一种，主要求电机在1/1000rpm时保持满转矩，要求电机性能参数既满足快速响应和低谐波磁通又要求电机较低的惯量。适用于伺服控制装备。该类型的电机经华中数控有限公司全面测试达到了同步高流伺服的应用水平。
四 变频异步电机的结构设计
变频电源中含有大量的时间和空间谐波与电磁部分固有的谐波相互干涉，形成各种电磁激振力，由于电机工作频率宽，转速从0到上万转，当机械结构部分（端盖、机座、转子）的固有频率与电磁激振力的频率相近时，就会出现共振，发出轰鸣的异响和剧烈的振动。我们主要采取以下技术措施
①加强结构件的刚性设计，选择合理的零部件加工精度
②电机转子设计，尽可能提高一阶临界转速
③选择合理的径向尺寸链，保证气隙的不均匀度。
影响变频电机寿命和可靠性的另一个问题是轴承绝缘问题，由于生产制造的原因
和变频电源尖峰脉冲电压的影响，均在电机轴的两端产生附加电压。试验研究表明，当电机的轴电壓超过500mv时，将击穿润滑脂油漠，使之变质，造成轴承失效。因此在电机结构设计时，根据具体情况，相应进行轴承绝缘设计。
五 加工工艺的创新，保证了变频电机的设计质量
变频电机尤其是伺服型电机对零部件的加工尺寸和几何精度有较高的要求，工艺人员经过多次重复试验，提出了变频电机零部件加工对策，这些加工方法与普通电机的加工方法有很大的不同，主要有：
①合理的端盖加工工序安排，解决止口几何变形问题
②机座加工的“一刀车”工艺
③有绕组定子入壳的变形问题，应力产生与噪声的关系
④电机转子的加工工艺方法
这些技术问题的落实，保证了变频电机的批量生产能力和产品质量，解决了工作转速范围内电机的共振问题和异常噪声。
参考文献
[1] 汤蕴缪，史乃编著.《电机学》（第二版）机械工业出版社，2006.
[2] 方日杰主编.《电机制造工艺学》.湖南大学，2005.
[3] 黄国治，傅丰礼主编. 《Y2系列三相异步电动机技术手册》.机械工业出版社，2004.
[4] 陈世坤主编.《电机设计》（第二版）.机械工业出版社，1997.
[5] A.E.Fitzgerald，C.Kingsley，Jr.，S.D.Umans.Electric Machinery.6th ed.McGraw-Hill，2003
[关键词]变频电机 电机绝缘结构
中图分类号：TB857+.3 文献标识码：TB 文章编号：1009―914X（2013）34―0356―01
前言
电动机的发展与交流电机驱动控制系统的发展是分不开的，近年随着新型电力电子器件和脉宽调制（PWM）控制技术的发展。对变频电机的绝缘系统有了更高的要求，这就需要制定新的交流变频电机绝缘设计的基本原则，提高电动机运行的可靠性。
一.变频电机绝缘系统的研究和开发
1.变频电机绝缘系统失效机理：
当前变频驱动电源，基本采用IGBT技术，其功率范围0.75-1000KW。IGBT技术可以提供上升时间极短的电涌，其上升时间约20-100μs，开关频率高达20KHZ。
一个瞬间快速上升的电压从变频器到达电机末端电缆时，由于电机和电缆的阻抗不匹配，产生一个反射波，这个反射波加在原始电压波上，在电压波前沿产生一个尖峰电压，电机端的过电压值随着电缆长度的增加而增加，并趋向于饱和。过电压开始产生于电压上升沿和下降沿处，并产生衰减振荡，其衰减服从于指数规律。
对PWM驱动脉冲波形有两种频率，一是开关频率，它表示脉冲速度，尖峰电压的重复频率与开关频率成正比。另一是基本频率，直接控制电机的转速。在每一个基本频率开始时，脉冲极性从正到负或从负到正，电机绝缘承受一个两倍于尖峰电压值的全幅电压。在三相电机中，电机绕组的相邻两匝有时分属不同的相，由于相邻两匝中的电压极性可能会不同，全幅电压的跃变也可能达到两倍于尖峰电压值。测试结果表明，在一个380/460V交流系统中，测得的尖峰电压值为1.2-1.5KV，575/600V的变频系统中，测得的尖峰电压值可达1.6-1.8KV。
1.1 局部放电和空间电荷造成电磁线绝缘层损坏
电机绕组的过电压，会在绕组的匝间产生表面局部放电。由于电离作用，在空气隙中又会产生空间电荷，形成一个与外加电场反向的感应电场。当电压极性改变时，这个反向电场与外加电场方向一致，会产生一个更高的电场强度，导致局部电荷放电的增加，而引起绝缘击穿。当尖峰电压的上升时间小于0.1μs时，则将有80%的电势加在绕组的前两匝上。电压上升时间越短，电冲击越大，匝间绝缘寿命就越短。
1.2 高频尖峰电压产生电介质损耗、导致绝缘加速老化
当作用于电机中的电磁场超过绝缘体临界值时，其介质损耗迅速增加。当频率上升时，局部放电随之增加，并产生热量，这些势量又引起更大的漏电流，使绝缘介质每单位体积的损耗增加，电机温升上升，绝缘加速老化。
1.3 主绝缘、相绝缘和绝缘漆的
变频电机的绕组承受尖峰幅值的振荡电压，使得电机的主绝缘、相绝缘和绝缘漆承受更高的电场强度。另一方面电机绕组匝间发生局部放电时，会使绝缘中分布电容所储存的能量变为热辐射以及机械和化学能，造成整个绝缘系统的劣化，大大降低了绝缘的击穿电压，当所加电压的值达到绝缘的击穿电压时，就会发生整个绝缘系统的失效。
1.4 频繁的起制动、电磁激振力和振动引起的循环交变应力造成电机绝缘的加速老化
2.变频绝缘系统的设计
根据上述变频电机绝缘损坏机理，变频电机绝缘结构设计主要考虑①选用符合要求的电磁线，②保证电机绕组获得无气隙绝缘，③改良整个绝缘结构的整体性，提高机械强度。
由于目前市场上变频器的种类很多，不同变频器电源的输出波形不尽相同，考虑到变频驱动系统的性能/价格比，我们设计了三种绝缘结构：① GIRIS绝缘系统 适用于 U峰值<1000V，电压沿上升时间>2μs ② PIRIS绝缘系统 适用于 U峰值<1000V，电压沿上升时间>0.2μs ③ PIRIS绝缘系统 适用于 U峰值<1600V，电压沿上升时间>0.1μs
二.变频驱动异步电机的电磁设计
变频器供电的电压波形，均是非正弦波形，含有大量的谐波，使电机谐波电流增加，造成谐波损耗和电机转矩的脉动。而且各大公司的变频器的电源频谱都不完全相同，因此我们首先对非正弦电源供电电机设计的共性技术问题进行了研究：
①抑制主要谐波成分的定子绕组设计方法
②电机漏抗与谐波电流的函数关系
③提高异步电机低速转矩的技术措施
④高速电机运行时电机的过载能力研究与对策
为提高整个调速运行，根据目前市场上变频器的分类我们把电机定义为三种类型：①变转矩型，负载的转矩与电机转速是平方关系，适用于风机、水泵等。②恒转矩型。主要替代YCT。适用于一般的恒转矩驱动设备、减速机③伺服型，适用于运行控制的精确控制和快速响应。
3.1 变转矩型
变频电机一般应用于风机、水泵、压缩机等负载，平均运行时间大于8H/天。使用量大而广，是国民经济中的耗能大户，因此强调电机具有较高的效率值，电机效率高于欧洲的EFF1，是节能型产品。
3.2 恒转矩型
此种电机主要考虑电压/频率=常数的设计思路，在电机最低速度运行点，达到转矩要求，并使在不超150%电流情况，顺利起动电机，适用于一般工业传动替代直流机。
3.3 伺服型电机
异步伺服电机设计是变频电机最复杂的一种，主要求电机在1/1000rpm时保持满转矩，要求电机性能参数既满足快速响应和低谐波磁通又要求电机较低的惯量。适用于伺服控制装备。该类型的电机经华中数控有限公司全面测试达到了同步高流伺服的应用水平。
四 变频异步电机的结构设计
变频电源中含有大量的时间和空间谐波与电磁部分固有的谐波相互干涉，形成各种电磁激振力，由于电机工作频率宽，转速从0到上万转，当机械结构部分（端盖、机座、转子）的固有频率与电磁激振力的频率相近时，就会出现共振，发出轰鸣的异响和剧烈的振动。我们主要采取以下技术措施
①加强结构件的刚性设计，选择合理的零部件加工精度
②电机转子设计，尽可能提高一阶临界转速
③选择合理的径向尺寸链，保证气隙的不均匀度。
影响变频电机寿命和可靠性的另一个问题是轴承绝缘问题，由于生产制造的原因
和变频电源尖峰脉冲电压的影响，均在电机轴的两端产生附加电压。试验研究表明，当电机的轴电壓超过500mv时，将击穿润滑脂油漠，使之变质，造成轴承失效。因此在电机结构设计时，根据具体情况，相应进行轴承绝缘设计。
五 加工工艺的创新，保证了变频电机的设计质量
变频电机尤其是伺服型电机对零部件的加工尺寸和几何精度有较高的要求，工艺人员经过多次重复试验，提出了变频电机零部件加工对策，这些加工方法与普通电机的加工方法有很大的不同，主要有：
①合理的端盖加工工序安排，解决止口几何变形问题
②机座加工的“一刀车”工艺
③有绕组定子入壳的变形问题，应力产生与噪声的关系
④电机转子的加工工艺方法
这些技术问题的落实，保证了变频电机的批量生产能力和产品质量，解决了工作转速范围内电机的共振问题和异常噪声。
参考文献
[1] 汤蕴缪，史乃编著.《电机学》（第二版）机械工业出版社，2006.
[2] 方日杰主编.《电机制造工艺学》.湖南大学，2005.
[3] 黄国治，傅丰礼主编. 《Y2系列三相异步电动机技术手册》.机械工业出版社，2004.
[4] 陈世坤主编.《电机设计》（第二版）.机械工业出版社，1997.
[5] A.E.Fitzgerald，C.Kingsley，Jr.，S.D.Umans.Electric Machinery.6th ed.McGraw-Hill，2003