噴泉泵用潛水電機設計初探

吳永忠+李明德+林坤茂

摘 要：本文通過分析變頻器驅動對于潛水電機性能的作用，探究了變頻噴泉泵用潛水電機在電磁設計、絕緣設計、結構設計等方面的對策。

關鍵詞：噴泉泵；潛水電機；變頻器；諧波

中圖分類號：TH311 文獻標識碼：A

0.引言

隨著人民生活水平的不斷提高，優美的居住環境成為大眾的追求，各種休閑廣場、公園的建設也越來越怡人，其中噴泉水景的獨特效果成為城市景觀建設的重要組成部分，為實現形態各異的水景造型，噴泉水景設計時大多要選擇潛水電泵作為增壓設備，并采用變頻驅動，而普通潛水電泵配套電機大多按井用潛水異步電動機和小型潛水電泵標準設計，主要考慮的是市電水井連續提水工況。在通過變頻器變頻供電的狀況下，電流、電壓中會有高次諧波的產生，影響了潛水異步電動機的功率因數、效率、溫升等性能。因此，變頻器驅動下的噴泉泵用潛水電機的設計分析對噴泉泵用潛水電機設計的完善具有重要的意義。

1.變頻器驅動對潛水電機的作用

1.1 潛水電動機的效率和溫升的問題。現今國內普遍采用電壓源型變頻器，其變頻器輸出一般均為正弦波脈寬調制（SPWM）方式。除正弦形基波，其輸出電壓還包括kHz數量級（可達幾十kHz）的高頻成分。高次諧波可以增加潛水電機的各種損耗，尤其是轉子銅耗。由于噴泉泵用潛水電機異步轉速對應頻率接近基波頻率，但其高次諧波頻率高，所以轉差大造成了大量轉子損耗，同時還包括由集膚效應帶來的附加銅耗。所有這些損耗都可以造成電動機的額外溫升，從而減小其輸出功率、降低效率。普通潛水三相異步異步電機用于變頻驅動的噴泉應用時，其溫升會提高15%左右。

1.2 噴泉潛水電動機絕緣。變頻器載波采用高脈沖頻率，脈沖升降時間很短，這決定了電動機定子繞組要負擔起極高的電壓上升率，無異于對電動機加以極大的沖擊電壓。這會在電動機繞組中帶來高電壓應力，給電動機的匝間絕緣帶來嚴峻考驗（電壓脈沖峰值比標稱電壓高得多，尤其是每相的開始部位）。這樣就可能造成匝間局部放電，相間同樣可能存在。所以須重新探討普通潛水三相異步電動機絕緣系統，以從容應對其變頻驅動。

1.3電磁振動與噪聲。變頻驅動的噴泉泵采用普通潛水三相異步電動機，其振動和噪聲更為復雜，諧波頻率若接近噴泉機組的固有振動頻率時，會引發共振而增大噪聲。因為噴泉電動機工作頻率范圍寬轉速變化范圍廣，因此難以避免諧波頻率和噴泉電動機噴泉機組的固有振動頻率相近。

1.4 潛水電動機對頻繁啟停的適應能力。出于噴泉水形的需求，變頻器驅動的噴泉潛水電動機可能經常在10赫茲甚至更低的頻率下待機運行，且經常快速啟動制動，頻繁的啟動制動，系統受到機械和電磁循環應力的影響，機械和絕緣加速疲勞及老化。

2.電磁設計

普通潛水異步電機的電磁計算只針對市電額定工作狀態，而變頻噴泉電機在額定功率范圍內調速范圍寬廣，因此電機設計時既要考慮低速性能參數又要考慮高速額定功率下的參數。電磁設計應考慮整個工作頻率范圍，電磁參數的選取應特別重視：應使工作頻率區段內的各點轉矩參數達到標準，發熱不高于溫升限值。同時磁力參數達到相應材料性能需求，市電頻率點滿足規定標準要求。

2.1 電阻。為減小銅耗，應盡量減小定子線圈與轉子導體和端環的電阻。這樣既能減小市電頻率銅耗，更能減小高次諧波銅耗，從而提高效率、降低溫升。

2.2 電感。電動機電感的增加，是為了減小電流中的高次諧波。但必須從整個調速范圍內考慮阻抗匹配之合理性。

2.3 主磁路磁密。變頻驅動噴泉泵用潛水電機的主磁路通常為不飽和狀態，這主要考慮兩個方面，第一是變頻時高次諧波會引起磁路趨向飽和，第二是為了噴泉泵在低頻時提高輸出轉矩達到要求的水型而適當增大變頻器的輸出電壓。

2.4 低頻起動性能。由于變頻器的驅動下噴泉泵潛水電機通常能以低頻迅速啟動，所以要讓電機基本保持在最大轉矩的條件下低頻啟動，設計時可盡量使其最大轉矩提高。因此將轉子設為槽形構造（上寬下窄），這種槽型能是集膚效應減弱，減小附加損耗，同時有利于減少轉子漏抗。設計的調整能大幅提高電機低頻運行時的轉矩。

3.絕緣結構設計

據以上變頻驅動噴泉泵用潛水電機的絕緣損耗原理，可知加強其絕緣結構的主要措施有：嚴選電磁線的材料，優化絕緣結構的整體性，提升其機械強度，同時輔以合理的加工步驟及工藝。

3.1 電磁線材料的嚴選化。在大量諧波與瞬態變化的脈沖電壓合力強作用下，變頻驅動噴泉泵用潛水電機中的電磁線易出現早期損壞的情況。所以，變頻驅動噴泉泵用潛水電機絕緣結構是否可靠，電磁線的絕緣性能至關重要。變頻驅動噴泉泵用潛水電機大多為水線式潛水電機，其電磁線為耐水線，宜選三包線且加厚絕緣，內層聚酰亞胺漆膜、中間選擇耐溫不低于150℃工藝性好的絕緣塑料、外層尼龍護套。

3.2 絕緣之機械強度應加強。為減小電磁激振力以及振動影響，變頻驅動噴泉泵用潛水電機的絕緣結構整體機械強度應得到最大限度的提高。所以，在選取絕緣和輔助材料時，應特別注意選取易置于線圈結構內各部位的材料以最大限度填充繞組間的空隙，但要兼顧散熱性。

3.3 繞線、穿線等工藝選擇。變頻驅動的噴泉泵用潛水電機必須有較高電磁線的質量和絕緣結構。所以，繞線、嵌線、綁扎等必須有嚴格合理的作業指導書，特別是在繞線、嵌線時要務必杜絕損傷導線。線圈端部應綁扎牢固，確保端部是一個整體，從而提高絕緣結構機械強度。

4.結構設計

結構設計主要考慮了諧波引起變頻驅動噴泉泵用潛水電機的振動、噪聲冷卻方式等方面，重點考慮：

4.1 振動頻率。在變頻器供電時，噴泉用潛水電機頻繁地啟動、停止。設計時應重點計算電動機構件整體的強度和剛度，盡量提高電機的固有頻率以避免與各次力波產生共振。提高轉子的動平衡精度，使轉子殘余不平衡力降低至最低極限。

4.2 電機冷卻方式。變頻潛水電機內腔可采用強迫冷卻液循環冷卻，提高冷卻效率。

4.3 長徑比選取。噴泉電機對加速度有較高要求，電機的轉動慣量不宜選大值。但過長影響剛度和噴泉泵在水體中安裝空間，因此應兼顧考量多種因素設計。

4.4 軸承結構。噴泉泵一般要求其在5Hz～60 Hz頻率區間均可正常運行，因此軸承結構設計時對潛水電機低速和高速運行均應進行設計驗證。

結語

變頻器的發展改變了噴泉泵用潛水電機的設計，變頻器驅動下的噴泉泵用潛水電機的廣泛使用也對噴泉泵用潛水電機的設計要求越來越高。優化變頻器驅動下的噴泉泵用潛水電機設計使其更加適應噴泉水景行業的發展需要，具有重要的現實意義。要想獲取滿意的運行效果，就要結合變頻器和一系列控制方式，全面設計及進一步優化電機。優化設計后的實際運用案例：臺灣宜蘭冬山河親水公園噴泉水景工程，采用廈門海源泵業有限公司生產的300多臺HSP系列噴泉泵（配套噴泉泵用潛水電機），2007年開始采用變頻驅動運行，至今運轉安全、正常，節電效果顯著。

參考文獻

[1]陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業出版社，1990.

[2]姚錫祿.變頻器控制技術與應用[M].福州：福建科學技術出版社，2005.