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)、整個頻率范圍內(nèi)運行噪聲低等一系列優(yōu)點，因而受到了用戶的歡迎?？照{(diào)變頻電機一般采用三相感應電機，它克服了傳統(tǒng)定頻空調(diào)中單相感應電機起動性能差、電磁噪聲大、效率低的不足，可實現(xiàn)柔性起動、低電壓運行，并隨負荷變化自由調(diào)整轉(zhuǎn)速，從而大大提高效率。
　　由于變頻器供電的特點以及壓縮機運行的特殊性，普通感應電機難以達到較好的運行性能，效率低，噪聲大，甚至出現(xiàn)不能起動和高頻下堵轉(zhuǎn)，導致電機燒壞等問題。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電機的運行條件后，對傳統(tǒng)電機的設(shè)計進行了改進，使其適用于壓縮機實際工況，并據(jù)此設(shè)計了一臺2.2kw的樣機，試驗表明該方案性能優(yōu)良，并投入了生產(chǎn)。

2　變頻器供電的電機運行條件
　　常規(guī)電源直接供電的感應電動在運行過程中，由于磁通不可控制，功率因數(shù)一般較低;在低速下效率也達不到要求。同時，為了滿足起動特性，鼠籠式轉(zhuǎn)子的槽形往往被設(shè)計成深槽或雙鼠籠槽，利用起動時電流的集膚效應增大起動電阻，以滿足其起動轉(zhuǎn)矩并限制起動電流。這樣設(shè)計的電機具有很大的不足，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)使得電機在生產(chǎn)加工時面臨很大的工藝問題，增加了生產(chǎn)成本。
　　變頻器供電下感應電機運行條件發(fā)生了根本的變化，電機運行時，隨著逆變器的調(diào)頻調(diào)壓控制，機械特性曲線可以任意平移，這使得電機在低速時降低供電頻率，可以把最大轉(zhuǎn)矩調(diào)到起動點，使起動轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)矩，同時降低了起動電流;通過調(diào)節(jié)電壓和頻率，可以找到一個最佳的滑差頻率，使電機的某項性能(如效率、功率因數(shù)等)達到最優(yōu)。
　　與此同時，由于變頻電源的非正弦性，輸出電壓中含有高次諧波，電機運行時會在定、轉(zhuǎn)子導體中產(chǎn)生集膚效應，使導體有效截面積減少，電阻增大，造成定、轉(zhuǎn)子銅損耗增大，同時產(chǎn)生電磁噪聲。
　　從變頻器供電的特點可知，變頻電機的設(shè)計可以不再考慮起動問題，轉(zhuǎn)子槽不需設(shè)計為深槽，從而可以對電機整體尺寸進行優(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，電機必須考慮變頻器諧波的影響，設(shè)計方案應該能盡量抑制諧波，此外還應該提高絕緣等級。
　　因此，變頻電機的設(shè)計應和變頻器供電條件結(jié)合起來，把電機和變頻器作為系統(tǒng)進行綜合考慮，使整體性能達到最優(yōu)。

3　空調(diào)壓縮機對變頻電機的要求
　　壓縮機的驅(qū)動系統(tǒng)決定了空調(diào)的性能，與之配套的變頻調(diào)速電機應滿足以下幾點要求:
(1)調(diào)速范圍要求不是很寬。一般空調(diào)壓縮機要求能在30~90hz的頻率范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)速，一般不會運行在更低的頻率下。
(2)運行時要求低噪聲，高效率。
(3)為了防止堵轉(zhuǎn)，電機在任何頻率段運行時有較高的過載能力，為了達到這一點要求，電機在整個調(diào)速范圍內(nèi)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，最大轉(zhuǎn)矩應該大于3倍額定轉(zhuǎn)矩。
(4)考慮到壓縮機安裝空間較小，電機體積不能過大。

4　空調(diào)變頻電機的設(shè)計
　　在綜合考慮了變頻器供電的電機運行條件和空調(diào)對變頻電機要求的基礎(chǔ)上，筆者提出了以下的電機設(shè)計原則:
4.1　電磁負荷的選擇
　　電機的線負荷a及磁負荷bd的選擇不僅影響電機的主要尺寸，而且影響電機的漏抗和性能。選擇電磁負荷時，要綜合考慮變頻器的類型，供電的特點，調(diào)速范圍以及空調(diào)壓縮機的實際運行工況，主要考慮以下方面的影響:
(1)為減少電機體積，電磁負荷選取可比普通電機大。由于空調(diào)只有制冷或制熱時才工作在高頻，其余大部分時間用于維持溫度而工作在低頻，選擇較高磁密bd不會使鐵耗過大。
(2)由于使用電壓型變頻器供電，為抑制高次諧波電流，電機的漏抗應相對較大。電機漏抗標么值公式
xδ=kδa/bδ (1)
　　可知:當系數(shù)kδ 不變時，a/bδ越大，xδ越大，因此線負荷可a應選較大值。但考慮到過大的a會引起發(fā)熱過多，a也不宜過大。而系數(shù)kδ 和繞組系數(shù)，槽形尺寸，氣隙長度有關(guān)，因此在設(shè)計中可通過改變這些因素的數(shù)據(jù)來增加kδ，達到增大xδ的目的。
　　因此，在設(shè)計中選取氣隙磁密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
　　由于變頻器輸出的電源中含有大量的高次諧波，這些諧波會使銅耗和線耗增加，效率降低，振動和噪聲加大，并產(chǎn)生有害的制動轉(zhuǎn)矩和脈動轉(zhuǎn)矩，為減小諧波影響，在定轉(zhuǎn)子繞組設(shè)計時采用以下措施:
(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，本方案沒有使用y—△連接，而采用y接法。試驗表明和△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)計成平行齒閉口梨形槽。由于變頻電機起動問題可通過調(diào)節(jié)頻率得到解決，因此不必像普通電機那樣利用深槽轉(zhuǎn)子增加集膚效應來提高起動性能?？紤]到降低齒諧波和轉(zhuǎn)子表面光滑可降低噪聲，減少機械損耗，本方案采用了閉口槽。閉口槽增大了漏抗，同時起到了降低諧波的作用。試驗表明，閉口槽使噪聲大大降低，損耗減少，改善了空調(diào)機的性能。
4.3　其它因素
(1)槽配合 正確的槽配合可以大大降低電機的噪聲。對于由定子和轉(zhuǎn)子槽磁導的基波和磁動勢的基波相互作用而產(chǎn)生的力波來說，力波的最低階數(shù)為:
r =│z1-z2│-2p (2)
　　式中，p為極對數(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，確定本系列電機槽配合為30/22，消除了5次以內(nèi)力波。
(2)氣隙長 氣隙長對電機性能有很大影響，氣隙長過大，電機功率因素變差，氣隙過小，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，本方案氣隙長相對取得較大，為0.55mm。

5　設(shè)計實例與試驗
　　在綜合上述幾個問題的基礎(chǔ)上，我們設(shè)計了一臺2.2kw的樣機，正常運行頻率為50hz，此時線電壓為216伏。為了獲得較高的最大轉(zhuǎn)矩和運行效率，電機在整個運行頻率范圍內(nèi)(30~90hz)采用帶低頻補償?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才工作在高頻，因此不會出現(xiàn)電機過熱的情況。利用編制的三相感應電機電磁計算程序進行了設(shè)計計算。表1給出了計算結(jié)果和試驗結(jié)果。從表1可以看出，本方案在各運行頻率下，效率較高，過載能力強，電機達到了廠家對電機節(jié)能和可靠運行的要求。

表1　變頻電機的設(shè)計與試驗結(jié)果

表2　變頻電機和常規(guī)電機的參數(shù)比較

　　此外，本文設(shè)計的變頻電機和一臺常規(guī)感應電機進行了比較，主要設(shè)計參數(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，本文設(shè)計的電機在整個運行頻率下都具有很高的效率，而常規(guī)電機則難以達到變頻運行的要求。

圖1　不同頻率下的效率曲線

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