1　引言
　　同傳統(tǒng)定頻空調(diào)相比，變頻空調(diào)具有節(jié)能效果明顯、溫度調(diào)節(jié)平穩(wěn)、整個(gè)頻率范圍內(nèi)運(yùn)行噪聲低等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而受到了用戶的歡迎?？照{(diào)變頻電機(jī)一般采用三相感應(yīng)電機(jī)，它克服了傳統(tǒng)定頻空調(diào)中單相感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)性能差、電磁噪聲大、效率低的不足，可實(shí)現(xiàn)柔性起動(dòng)、低電壓運(yùn)行，并隨負(fù)荷變化自由調(diào)整轉(zhuǎn)速，從而大大提高效率。
　　由于變頻器供電的特點(diǎn)以及壓縮機(jī)運(yùn)行的特殊性，普通感應(yīng)電機(jī)難以達(dá)到較好的運(yùn)行性能，效率低，噪聲大，甚至出現(xiàn)不能起動(dòng)和高頻下堵轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電機(jī)燒壞等問(wèn)題。本文比較了由常規(guī)電源恒頻恒壓供電和由逆變器供電下的感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行條件后，對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，使其適用于壓縮機(jī)實(shí)際工況，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一臺(tái)2.2kw的樣機(jī)，試驗(yàn)表明該方案性能優(yōu)良，并投入了生產(chǎn)。

2　變頻器供電的電機(jī)運(yùn)行條件
　　常規(guī)電源直接供電的感應(yīng)電動(dòng)在運(yùn)行過(guò)程中，由于磁通不可控制，功率因數(shù)一般較低;在低速下效率也達(dá)不到要求。同時(shí)，為了滿足起動(dòng)特性，鼠籠式轉(zhuǎn)子的槽形往往被設(shè)計(jì)成深槽或雙鼠籠槽，利用起動(dòng)時(shí)電流的集膚效應(yīng)增大起動(dòng)電阻，以滿足其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并限制起動(dòng)電流。這樣設(shè)計(jì)的電機(jī)具有很大的不足，首先是轉(zhuǎn)子漏抗大，直接影響到最大轉(zhuǎn)矩;其次，轉(zhuǎn)子深槽占用了轉(zhuǎn)子大量的空間，不利于電機(jī)的體積優(yōu)化;第三，各種深槽或雙鼠籠槽結(jié)構(gòu)使得電機(jī)在生產(chǎn)加工時(shí)面臨很大的工藝問(wèn)題，增加了生產(chǎn)成本。
　　變頻器供電下感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行條件發(fā)生了根本的變化，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，隨著逆變器的調(diào)頻調(diào)壓控制，機(jī)械特性曲線可以任意平移，這使得電機(jī)在低速時(shí)降低供電頻率，可以把最大轉(zhuǎn)矩調(diào)到起動(dòng)點(diǎn)，使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)降低了起動(dòng)電流;通過(guò)調(diào)節(jié)電壓和頻率，可以找到一個(gè)最佳的滑差頻率，使電機(jī)的某項(xiàng)性能(如效率、功率因數(shù)等)達(dá)到最優(yōu)。
　　與此同時(shí)，由于變頻電源的非正弦性，輸出電壓中含有高次諧波，電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)在定、轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生集膚效應(yīng)，使導(dǎo)體有效截面積減少，電阻增大，造成定、轉(zhuǎn)子銅損耗增大，同時(shí)產(chǎn)生電磁噪聲。
　　從變頻器供電的特點(diǎn)可知，變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)可以不再考慮起動(dòng)問(wèn)題，轉(zhuǎn)子槽不需設(shè)計(jì)為深槽，從而可以對(duì)電機(jī)整體尺寸進(jìn)行優(yōu)化;效率和功率因數(shù)可以在不同速度下都維持較高的水平，從而提高功率密度。與此同時(shí)，電機(jī)必須考慮變頻器諧波的影響，設(shè)計(jì)方案應(yīng)該能盡量抑制諧波，此外還應(yīng)該提高絕緣等級(jí)。
　　因此，變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)和變頻器供電條件結(jié)合起來(lái)，把電機(jī)和變頻器作為系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮，使整體性能達(dá)到最優(yōu)。

3　空調(diào)壓縮機(jī)對(duì)變頻電機(jī)的要求
　　壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)決定了空調(diào)的性能，與之配套的變頻調(diào)速電機(jī)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求:
(1)調(diào)速范圍要求不是很寬。一般空調(diào)壓縮機(jī)要求能在30~90hz的頻率范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)速，一般不會(huì)運(yùn)行在更低的頻率下。
(2)運(yùn)行時(shí)要求低噪聲，高效率。
(3)為了防止堵轉(zhuǎn)，電機(jī)在任何頻率段運(yùn)行時(shí)有較高的過(guò)載能力，為了達(dá)到這一點(diǎn)要求，電機(jī)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于3倍額定轉(zhuǎn)矩。
(4)考慮到壓縮機(jī)安裝空間較小，電機(jī)體積不能過(guò)大。

4　空調(diào)變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)
　　在綜合考慮了變頻器供電的電機(jī)運(yùn)行條件和空調(diào)對(duì)變頻電機(jī)要求的基礎(chǔ)上，筆者提出了以下的電機(jī)設(shè)計(jì)原則:
4.1　電磁負(fù)荷的選擇
　　電機(jī)的線負(fù)荷a及磁負(fù)荷bd的選擇不僅影響電機(jī)的主要尺寸，而且影響電機(jī)的漏抗和性能。選擇電磁負(fù)荷時(shí)，要綜合考慮變頻器的類型，供電的特點(diǎn)，調(diào)速范圍以及空調(diào)壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，主要考慮以下方面的影響:
(1)為減少電機(jī)體積，電磁負(fù)荷選取可比普通電機(jī)大。由于空調(diào)只有制冷或制熱時(shí)才工作在高頻，其余大部分時(shí)間用于維持溫度而工作在低頻，選擇較高磁密bd不會(huì)使鐵耗過(guò)大。
(2)由于使用電壓型變頻器供電，為抑制高次諧波電流，電機(jī)的漏抗應(yīng)相對(duì)較大。電機(jī)漏抗標(biāo)么值公式
xδ=kδa/bδ (1)
　　可知:當(dāng)系數(shù)kδ 不變時(shí)，a/bδ越大，xδ越大，因此線負(fù)荷可a應(yīng)選較大值。但考慮到過(guò)大的a會(huì)引起發(fā)熱過(guò)多，a也不宜過(guò)大。而系數(shù)kδ 和繞組系數(shù)，槽形尺寸，氣隙長(zhǎng)度有關(guān)，因此在設(shè)計(jì)中可通過(guò)改變這些因素的數(shù)據(jù)來(lái)增加kδ，達(dá)到增大xδ的目的。
　　因此，在設(shè)計(jì)中選取氣隙磁密bδ 在0.8~0.9(t)之間，而a取在2800~3200 a/m之間。
4.2　繞組設(shè)計(jì)
　　由于變頻器輸出的電源中含有大量的高次諧波，這些諧波會(huì)使銅耗和線耗增加，效率降低，振動(dòng)和噪聲加大，并產(chǎn)生有害的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，為減小諧波影響，在定轉(zhuǎn)子繞組設(shè)計(jì)時(shí)采用以下措施:
(1)定子繞組可以采用y—△混和連接消弱5、7次諧波，提高繞組系數(shù)和降低附加損耗。但考慮到加工工藝，本方案沒(méi)有使用y—△連接，而采用y接法。試驗(yàn)表明和△接法比，y接法不存在相間環(huán)流，繞組溫升小于△接法，效率高于△接法。
(2)盡可能在嵌線工藝允許下，提高槽滿率。
(3)轉(zhuǎn)子繞組采用普通鋁鑄籠型轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計(jì)成平行齒閉口梨形槽。由于變頻電機(jī)起動(dòng)問(wèn)題可通過(guò)調(diào)節(jié)頻率得到解決，因此不必像普通電機(jī)那樣利用深槽轉(zhuǎn)子增加集膚效應(yīng)來(lái)提高起動(dòng)性能?？紤]到降低齒諧波和轉(zhuǎn)子表面光滑可降低噪聲，減少機(jī)械損耗，本方案采用了閉口槽。閉口槽增大了漏抗，同時(shí)起到了降低諧波的作用。試驗(yàn)表明，閉口槽使噪聲大大降低，損耗減少，改善了空調(diào)機(jī)的性能。
4.3　其它因素
(1)槽配合 正確的槽配合可以大大降低電機(jī)的噪聲。對(duì)于由定子和轉(zhuǎn)子槽磁導(dǎo)的基波和磁動(dòng)勢(shì)的基波相互作用而產(chǎn)生的力波來(lái)說(shuō)，力波的最低階數(shù)為:
r =│z1-z2│-2p (2)
　　式中，p為極對(duì)數(shù)，z1，z2為定轉(zhuǎn)子槽數(shù)。
　　增加電磁激振力的階數(shù)r，定子振動(dòng)將明顯減小，因此，本方案在綜合考慮其它電磁性能的情況下，確定本系列電機(jī)槽配合為30/22，消除了5次以內(nèi)力波。
(2)氣隙長(zhǎng) 氣隙長(zhǎng)對(duì)電機(jī)性能有很大影響，氣隙長(zhǎng)過(guò)大，電機(jī)功率因素變差，氣隙過(guò)小，諧波增加，最大轉(zhuǎn)矩變小，噪聲增大;綜合考慮這兩方面因素，為了有效降低噪聲，本方案氣隙長(zhǎng)相對(duì)取得較大，為0.55mm。

5　設(shè)計(jì)實(shí)例與試驗(yàn)
　　在綜合上述幾個(gè)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了一臺(tái)2.2kw的樣機(jī)，正常運(yùn)行頻率為50hz，此時(shí)線電壓為216伏。為了獲得較高的最大轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行效率，電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行頻率范圍內(nèi)(30~90hz)采用帶低頻補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制，變頻器采用三相輸入，考慮到變頻器的壓降，最大輸出電壓為360伏。由于空調(diào)只有在快速制冷或制熱時(shí)才工作在高頻，因此不會(huì)出現(xiàn)電機(jī)過(guò)熱的情況。利用編制的三相感應(yīng)電機(jī)電磁計(jì)算程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。表1給出了計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。從表1可以看出，本方案在各運(yùn)行頻率下，效率較高，過(guò)載能力強(qiáng)，電機(jī)達(dá)到了廠家對(duì)電機(jī)節(jié)能和可靠運(yùn)行的要求。

表1　變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

表2　變頻電機(jī)和常規(guī)電機(jī)的參數(shù)比較

　　此外，本文設(shè)計(jì)的變頻電機(jī)和一臺(tái)常規(guī)感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行了比較，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，二者在不同頻率下的效率如圖1 所示，由此可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行頻率下都具有很高的效率，而常規(guī)電機(jī)則難以達(dá)到變頻運(yùn)行的要求。

圖1　不同頻率下的效率曲線

6　結(jié)束語(yǔ)
　　本文將電機(jī)設(shè)計(jì)和變頻器供電運(yùn)行結(jié)合起來(lái)，綜合考慮了空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行工況及電壓型變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求，提出了一種空調(diào)用變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)中采用了較高的磁密值，使用閉口槽來(lái)削弱齒諧波和風(fēng)磨耗，以降低噪聲和損耗，采用較大的氣隙長(zhǎng)和適當(dāng)?shù)牟叟浜线M(jìn)一步消弱諧波，并選擇合適的導(dǎo)體匝數(shù)線規(guī)獲得較大的最大轉(zhuǎn)矩。實(shí)踐表明，這種電機(jī)性能優(yōu)良，運(yùn)行可靠，能較好滿足變頻空調(diào)的特殊要求。