大功率变频调速电机设计关键技术研究.docx
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大功率变频调速电机设计关键技术研究
大功率变频调速电机设计关键技术研究
对于低压大功率变频调速笼型三相异步电动机的研制，还需要在低压大功率变频调速电机机械损耗问题分析、转子临界转速问题分析等方面开展一系列的试验验证和理论研究工作，才能解决在电磁和结构设计中所遇到的技术瓶颈，因此还开展了以下其他的关键技术研究工作：
1）低压大功率变频调速电机机械损耗问题分析
低压大功率电机的损耗与小功率电机的损耗分布有较为明显的差别，因此在低压大功率电机的变频特性计算时，对其机械损耗的分解和确定将直接影响变频调速特性计算结果的准确性。
机械损耗可以分为风扇损耗和轴承摩擦损耗两部分，根据国内外相关资料介绍和在以往电机系列开发中的经验，这两种损耗与转速之间的变化规律是不同的。
为求得不同频率时电机的特性，有必要分解不同频率时的风耗和轴承摩擦损耗。
我们通过试验验证的方法，初步确定了低压大功率变频调速电机在不同频率下的机械损耗，如图21，表3。
对低压大功率变频调速电机，由于需要在较宽范围内调频运行，一般应采用强迫冷却风机构成外循环风路，而在内循环风路中，采用了内风扇增加冷却效果。
由于很难对内风扇的损耗水平和与转速（频率）的变化规律进行试验和分析，因此需要研究外风扇的损耗水平和与转速（频率）的变化规律，进而延伸到内风扇与转速（频率）的变化情况。
图21.轴承和风扇损耗与频率的关系
表3.Y3-315M-4电机不同频率下的空载特性试验及结果
频率（Hz）
无外风扇时机械损耗
（轴承损耗等）（W）
有外风扇时机械损耗
（轴承损耗＋风扇损耗等）（W）
风扇损耗（W）
20
96.54
218.6
122.06
30
184.1
508.8
324.7
40
334.92
1074.6
739.68
50
614.6
2117.6
1503
70
1224
5834.4
4610.4
通过对315、355、400中心高样机的机械损耗与转速（频率）的变化规律试验数据分析，初步确定本系列电机的内风扇和轴承损耗在不同频率的设计参考值，并以此计算全系列产品的总损耗参数，经过与风机制造企业的合作，得到外独立冷却风机的风量、风压以及尺寸等各项参数。
2）低压大功率变频调速电机转子临界转速问题分析
由于转轴挠度和转子不平衡等因素的存在，使得转子的重心不可能与转子的旋转轴线完全吻合，从而在转子旋转时就会产生一种周期变化的离心力，当这个力的变化频率与转子的固有频率相等时，转子将会出现剧烈的振动，轴的弯曲度明显增大，长时间运行会造成轴的严重弯曲变形，甚至折断，将此数值等于转子固有频率时的转速称为临界转速，转子的振幅在临界转速时达到最大值，称为“共振”。
为了避免“共振”，我们要求转子的额定工作转速必须离开临界转速一定的数值，确保运行安全。
临界转速的大小与转轴的材料、几何形状、尺寸、结构型式、支承情况、工作环境等因素有关，要精确计算很复杂，在工程实际中常采用近似计算法来确定。
为了计算方便，通常把实际转轴等效成阶梯轴，等效的原则是保证质量分布、抗弯刚度不变。
整个计算过程分两大步：
第一步刚度计算，主要是保证转轴的挠度必须在允许的范围内。
首先我们分别从转轴两端支承点的边界状态参数开始，根据连续性原理及相邻轴段在截面处的状态参数的约束条件，推出下一轴段的状态参数，直到转子铁心中心点，然后由转子本身质量和单边磁拉力引起的转轴挠度，来确定最终转子铁心中心处的总挠度；第二步临界转速的计算，目的是为了与转子额定工作转速相比较，判断电机在正常工作情况下是否引起共振。
图22.刚度及阶梯轴计算图23.转轴一阶模态PRO－E分析
对于对低压大功率变频调速电动机，由于电机转子细长，转轴挠度增加、转子自重和电磁拉力均较小功率变频电机增加较多，必须对全系列转轴设计进行一阶临界转速的计算后，才能判断是否满足变频时最高转速的要求。
通过对电机的临界转速进行全面的分析，确定了全系列电动机的转轴结构尺寸。
3）低压大功率变频调速电机轴电流抑制结构技术研究
电机运行时，轴承两端之间产生的电位差称之为“轴电压”，该电压加在由电机转轴、轴承、端盖、机座构成的回路中，从而引起了轴承电流。
轴承电流一般存在3种不同的形式：
环路电流、dV／dt电流和EDM（electricaldischargemachining）电流。
这3种不同的形式可以单独出现，也可以同时出现。
对于低压大功率变频调速电机，与小功率电机相比在轴承两端存在较显著的轴电压——由于低压大功率变频调速电机的磁路不对称程度大、大功率变频电源的高频共模电压以及大型的轴承内外圈的间隙（包括油膜）电容放电等不同原因，引起了不同形式的轴承电流。
因此，研究轴承电压和轴承电流的存在机理和抑制技术，将不仅仅是对于低压大功率变频调速电机研制很重要，还将启发对其他类似电机的研发和应用。
目前为避免轴电压和轴承电流对电动机轴承的影响多采用对轴承进行绝缘的方式。
本项目的开展对目前已有的多种轴承绝缘方式，如：
直接采用绝缘轴承、对转轴绝缘以及采用电刷装置短路等进行了研究和性能对比，表4为对目前已知的一些轴承绝缘处理措施及效果的对比。
从对比的结果来看，各种绝缘措施都存在各自的缺点，如：
成本高、工艺复杂、维护困难等。
为此，本项目中还将研发成本合理、工艺简单、不需要维护的轴承绝缘结构。
对于变频调速电机，轴电压是不可避免存在的，但轴承破坏的结果却是由轴电流的产生所引起的，因此应把重点放在轴承的绝缘上，从而避免引起轴承电流带来的损害入手。
为了得到低压变频调速电机轴电压和轴电流的测试结果，以便对低压大功率变频调速电机的轴承绝缘特性要求提供相应依据，我们首先应对电机转轴和端盖（机座）间进行绝缘，也就是对轴承的外圈和端盖之间进行绝缘。
由于轴承的外圈和端盖（轴承盖）之间存在三个接触面，因此在对此部分绝缘时，应考虑三个接触面都要绝缘。
表4.轴承绝缘处理措施及效果的对比
对策
电流类型
附加说明
环路电流
dv/dt电流
（轴对地电流）
EDM电流（电容性放电电流）
1．非传动端轴承绝缘或陶瓷层滚子
有效
无效；仅保护一个轴承
无效；仅保护一个轴承
非传动端已绝缘，不需要绝缘的联轴器
2．两端轴承均绝缘或陶瓷层滚子
有效
有效
有效
小机座号大多有效
大机座号很少用
3．两端轴承均绝缘或陶瓷层滚子，再用绝缘联轴器和转轴通过电刷接触
有效
有效
有效
大多有效（特别是对大电机），避免损坏负载机械，需要维修
4．非传动端轴承绝缘，传动端用刷接地
有效；对此类电流不需要电刷，非传动端装转速计需保护
有效；不保护负载机械轴承
有效；电刷接触阻抗要小
需要维修，大机座号常用。
传动端用电刷可不用绝缘的联轴器
5．用一电刷接地，轴承不绝缘
无效；仅保护一个轴承
有效；不保护负载机械轴承
有效；电刷接触阻抗要小
需要维修
6．两端用两电刷接地，轴承不绝缘
有效；电刷接触阻抗要小
有效；不保护负载机械轴承
有效；电刷接触阻抗要小
需要维修
7．低电阻润滑油和/或石磨填充地轴承密封
稍有效
稍有效
有效；取决材料状况
无长期运行经验，降低润滑效果
8．共模电压滤波器
有效；降低高频电压也可降低低频电流
有效
有效
滤波器安装在变频器输出侧，可以大大降低共模电压
9．联轴器绝缘
无效
非常有效
无效
也可防止损坏负载机械
10．机座与负载机械联接
无效
有效
无效
也可防止损坏负载机械
新设计的“门”型、带有特殊涂层的轴承绝缘套，如图24，在与轴承内盖与绝缘套间垫绝缘环板，这样就解决了轴承的外圈和端盖（轴承盖）之间的三个接触面绝缘问题。
并且螺栓的固定等完全不会影响绝缘效果。
该轴承绝缘结构具有很多优点：
图24.新设计的轴承绝缘套结构
a.工艺简单
绝缘轴承套仅需采用低温冷冻后将端盖整体放入烘箱预热，直接放入端盖轴承腔室，简单敲击进入即可。
整个工艺过程非常简单，图25为绝缘套加热后放入端盖时，可以在端盖轴承室腔内自由转动，安装简单易行。
图26为冷却后的实物，绝缘套与端盖结合紧密，无相对滑动.
图25.绝缘套加热后放入端盖时图26.冷却后绝缘套与端盖紧密结合
b.绝缘效果好
为了验证新设计绝缘机构的绝缘效果，采用此法将一台315mm，132kW电机的轴承进行了绝缘处理。
用500V兆欧表测量端盖轴承室外沿与绝缘套内圆的绝缘电阻，测量值大于500MΩ（指针位于500MΩ与∞之间，并接近∞），可见，采用该措施后绝缘效果非常理想。
c.不需维护
本结构的绝缘涂层可以承受高温，嵌入后无相对滑动，使用后不易损坏；而且绝缘套的采用钢材料制作，受力后不易变形，因此使用中基本不需要维护。
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