關鍵字 變頻電機；變頻器；電機設計
電機做為實現機電能量轉換的重要部件，從19 世紀初開始，其設計和制造技術已逐步走向成熟，推出了如電機轉矩與其體積成正比、電機的磁通密度應該設計在電機磁化曲線的膝點位置等具有指導意義的公式和原則。但在整個20世紀，電機的設計與制造技術基本上沒有發生根本性的變革，尤其是交流電機的設計，基本上是在假定輸入三相交流電壓的幅值和頻率恒定的條件下進行的，這時直流電機、交流異步電機、交流同步電機從設計、制造到運行基本上都是各自獨立的。直到本世紀70年代，矢量控制理論的提出，將各種電機的能量轉換原理從理論上統一了起來，到80年代末，電力電子學的發展和微電子技術的進步，使矢量控制從理論走向實踐，最終在90年代使基于矢量控制理論的現代交流調速系統遍地開花，并在大容量調速領域向直流電動機展開了挑戰，大有取而代之的趨勢。理論的發展必將引起現實的變革，現代交流調速系統的興起，使傳統交流電機設計的一些前提條件不復存在，因此我們必須對傳統的基于恒壓恒頻的交流電機設計公式進行審核，并根據現代交流調速系統的要求做出必要的革命性變革。下面根據電機設計的基本理論和現代交流調速系統的運行實踐具體分析如下。
1 站在交流電機的角度上，現代交流調速系統使交流電機輸入電壓的幅值和頻率不再為恒定值（如工頻50Hz），這使得電機的轉速與其極對數不再有必然的聯系。如兩極電機的轉速約3000 r/min，電機的轉速低，必然要做得極數多已不再是電機設計的必然結論，著實使得在電機設計時，可以根據具體情況（如電機的結構尺寸或要求的轉動慣量），對電機的極對數進行優
化選擇，象極數較多（＞12極）制造困難的交流電機和極數較少（＜6極＝繞組端部大，效率較低的交流電機都將不再采用，從而大大放寬了交流電機設計的選擇余地，為電機設計結構的優化創造了條件。可以預計，將來的交流電機將大多是結構和力能指標都較優的6~10極電機（當然這種合理的結構依賴于變頻器低頻性能的提高）。
2 由于現代交流調速系統大多采用矢量控制，以保持氣隙磁鏈恒定，控制轉矩電流分量來控制電機的電磁轉矩，并進而達到控制電機轉速的目的。因此在這種閉環控制策略下，沒有電機穩態輸入電壓過高的危險，也就不會出現因氣隙磁通過高使磁路過飽和的問題，這使得電機的磁路設計條件更為寬松。磁路的額定工作點甚至可以在膝點以上，從而提高了電機中導磁
材料的利用率和電機單位體積的轉矩，而且這種選擇方法對于矢量控制中磁通調節器的設計也是有利的。
3 變頻技術（無論是交交還是交直交）都使得電機的輸入電流中含有諧波分量（盡管通過各種脈寬調制技術，已經正弦波化了），從而造成脈振轉矩（這也可以從變頻調速電機穩態時的三相輸入瞬時功率不恒定來理解），這對于同步電動機的影響尤其突出（因為脈振轉矩主要是由諧波電流與基波磁通相互作用產生的，在同步電動機中諧波電流基本上由定子繞組的漏電抗抑制，轉子繞組對輸入諧波電流的阻尼作用較小），對于異步電動機的影響相對較小（因為定子繞組中的諧波電流會因轉子繞組的電磁電磁阻尼作用而大大減少，從而減少了脈振轉矩）。脈振轉矩的存在使得機電系統容易發生扭振，這也是困擾現代交流調速系統的一個棘手問題，尤其對于傳動軸較長、扭振剛度較差的軸系傳動更易發生軸系扭振，這無疑對現代交流調速系統中電機的設計提出了更高的要求。如何合理分布繞組、選擇氣隙以及選擇電機繞組漏感和互感的合適比例，成為抑制諧波電流和脈振轉矩的關鍵因素。
4 對于現在普遍采用的通用型交直交電壓型變頻器，由于采用PWM技術對電機輸入電壓的脈寬進行調制，使得電機中絕緣材料的電應力增加，即因PWM的調制作用，使得絕緣介質中的各種電偶極子頻繁地轉動，從而造成介質損耗的增大、電機的絕緣強度因熱疲勞而過早地降低（尤其是當電機受潮時會造成絕緣的局部熱疲勞）。舉一種極端情況來看，若PWM的調制頻率達幾百千赫茲，電機中的絕緣材料就會象微波爐中的有機食品一樣被加熱，這也是現代交流調
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速系統對電機的絕緣技術所提出的挑戰。另外，如果PWM的調制頻率過高，還會使電壓在電機定子繞組的輸入端產生電磁波的反射（行波效應），造成電機輸入端的電壓升高，電壓上升率du/dt 過大，使電機定子繞組輸入端的局部匝間電壓升高（如同變壓器繞組遭雷擊后的匝間電壓分布情況相仿），這使得電機絕緣的外部環境更為惡劣，很容易導致匝間短路或電機繞組內部局部放電。變頻電機絕緣所面臨的這兩個惡劣條件，造成了與普通電機相比較，變頻電機的使用壽命
普遍較短，一般只有1～2年、短的甚至幾個月，這些情況都需要在設計變頻調速電機時進行考慮。
5 采用變頻電源供電的變頻電機，由于采用PWM調制，在電機繞組輸入端接入的高頻調制電壓的電容效應，會對電機造成顯著的軸電壓，軸承與機座的絕緣設計需要重新考慮，以抑制軸電流；而且與恒速傳動相比，常規電機的自帶風葉冷卻設計已不能滿足電機低速運轉時的冷卻量要求，電機的冷卻方式需要重新設計。
6 如果常規設計的電機采用變頻電源供電，往往在空載運行頻率在20～30Hz 時出現電動—發電的周期性振蕩。其主要原因是因電機負載、電壓和頻率的波動，使電機的轉差率在零附近抖動，從而使異步電動機交替運行在電動和發電狀態，采用高轉差率的異步電動機或在變頻器中采用速度、電流閉環控制可緩解這一現象，另外常規按照工頻50Hz設計的電機，在設計電機漏抗和主電抗時，沒有兼顧電機在低頻條件下的運行，這樣的電機當運行在8~10Hz以下時，電機的出力會明顯下降，這些問題都應在變頻電機的設計中加以考慮。
7 現代交流調速系統中的交流電動機普遍地采用了以磁通、轉矩的解耦為目標的矢量控制，但要實現在動態過程中磁通、轉矩的完全解耦，還需要在電機設計中合理設計各種電磁參數，以減輕交流電機矢量控制的負擔。如對矢量控制中同步電動機阻尼繞組的設計就要滿足象直流電動機中補償繞組那樣能快速抵消定子繞組中轉矩電流分量的電樞反應，并配合磁通調節器保證氣隙磁鏈的恒定，這與傳統的同步電動機設計中，用阻尼繞組產生的動態轉矩來抑制同步電動機的振蕩是不同的。
8隨著現代交流調速系統中控制技術的不斷完善，對電機中各類狀態變量的檢測也提出了新的要求。如矢量控制技術本身要求最好能從交流電機中直接用傳感元件檢測到磁通的大小和角位置，對于異步電動機，若有方法直接獲得轉差頻率，而不再利用受溫度和轉差頻率影響較大的轉子繞組電感和電阻來間接計算，將是對異步電動機矢量控制技術的較大完善，這些又對電機的檢測技術提出了更高的要求。綜上所述，現代交流調速系統的發展，不但從理論上將各類電機統一了起來，也對電機的設計帶來了深層次的變革，因此面對新技術的挑戰，工程技術人員應當及時審核一些傳統技術觀點的正確性，以適應新技術發展的需要。
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