摘 要：本文通过分析变频器驱动对于潜水电机性能的作用，探究了变频喷泉泵用潜水电机在电磁设计、絕缘设计、结构设计等方面的对策。
关键词：喷泉泵；潜水电机；变频器；谐波
中图分类号：TH311 文献标识码：A
0.引言
随着人民生活水平的不断提高，优美的居住环境成为大众的追求，各种休闲广场、公园的建设也越来越怡人，其中喷泉水景的独特效果成为城市景观建设的重要组成部分，为实现形态各异的水景造型，喷泉水景设计时大多要选择潜水电泵作为增压设备，并采用变频驱动，而普通潜水电泵配套电机大多按井用潜水异步电动机和小型潜水电泵标准设计，主要考虑的是市电水井连续提水工况。在通过变频器变频供电的状况下，电流、电压中会有高次谐波的产生，影响了潜水异步电动机的功率因数、效率、温升等性能。因此，变频器驱动下的喷泉泵用潜水电机的设计分析对喷泉泵用潜水电机设计的完善具有重要的意义。
1.变频器驱动对潜水电机的作用
1.1 潜水电动机的效率和温升的问题。现今国内普遍采用电压源型变频器，其变频器输出一般均为正弦波脉宽调制（SPWM）方式。除正弦形基波，其输出电压还包括kHz数量级（可达几十kHz）的高频成分。高次谐波可以增加潜水电机的各种损耗，尤其是转子铜耗。由于喷泉泵用潜水电机异步转速对应频率接近基波频率，但其高次谐波频率高，所以转差大造成了大量转子损耗，同时还包括由集肤效应带来的附加铜耗。所有这些损耗都可以造成电动机的额外温升，从而减小其输出功率、降低效率。普通潜水三相异步异步电机用于变频驱动的喷泉应用时，其温升会提高15%左右。
1.2 喷泉潜水电动机绝缘。变频器载波采用高脉冲频率，脉冲升降时间很短，这决定了电动机定子绕组要负担起极高的电压上升率，无异于对电动机加以极大的冲击电压。这会在电动机绕组中带来高电压应力，给电动机的匝间绝缘带来严峻考验（电压脉冲峰值比标称电压高得多，尤其是每相的开始部位）。这样就可能造成匝间局部放电，相间同样可能存在。所以须重新探讨普通潜水三相异步电动机绝缘系统，以从容应对其变频驱动。
1.3电磁振动与噪声。变频驱动的喷泉泵采用普通潜水三相异步电动机，其振动和噪声更为复杂，谐波频率若接近喷泉机组的固有振动频率时，会引发共振而增大噪声。因为喷泉电动机工作频率范围宽转速变化范围广，因此难以避免谐波频率和喷泉电动机喷泉机组的固有振动频率相近。
1.4 潜水电动机对频繁启停的适应能力。出于喷泉水形的需求，变频器驱动的喷泉潜水电动机可能经常在10赫兹甚至更低的频率下待机运行，且经常快速启动制动，频繁的启动制动，系统受到机械和电磁循环应力的影响，机械和绝缘加速疲劳及老化。
2.电磁设计
普通潜水异步电机的电磁计算只针对市电额定工作状态，而变频喷泉电机在额定功率范围内调速范围宽广，因此电机设计时既要考虑低速性能参数又要考虑高速额定功率下的参数。电磁设计应考虑整个工作频率范围，电磁参数的选取应特别重视：应使工作频率区段内的各点转矩参数达到标准，发热不高于温升限值。同时磁力参数达到相应材料性能需求，市电频率点满足规定标准要求。
2.1 电阻。为减小铜耗，应尽量减小定子线圈与转子导体和端环的电阻。这样既能减小市电频率铜耗，更能减小高次谐波铜耗，从而提高效率、降低温升。
2.2 电感。电动机电感的增加，是为了减小电流中的高次谐波。但必须从整个调速范围内考虑阻抗匹配之合理性。
2.3 主磁路磁密。变频驱动喷泉泵用潜水电机的主磁路通常为不饱和状态，这主要考虑两个方面，第一是变频时高次谐波会引起磁路趋向饱和，第二是为了喷泉泵在低频时提高输出转矩达到要求的水型而适当增大变频器的输出电压。
2.4 低频起动性能。由于变频器的驱动下喷泉泵潜水电机通常能以低频迅速启动，所以要让电机基本保持在最大转矩的条件下低频启动，设计时可尽量使其最大转矩提高。因此将转子设为槽形构造（上宽下窄），这种槽型能是集肤效应减弱，减小附加损耗，同时有利于减少转子漏抗。设计的调整能大幅提高电机低频运行时的转矩。
3.绝缘结构设计
据以上变频驱动喷泉泵用潜水电机的绝缘损耗原理，可知加强其绝缘结构的主要措施有：严选电磁线的材料，优化绝缘结构的整体性，提升其机械强度，同时辅以合理的加工步骤及工艺。
3.1 电磁线材料的严选化。在大量谐波与瞬态变化的脉冲电压合力强作用下，变频驱动喷泉泵用潜水电机中的电磁线易出现早期损坏的情况。所以，变频驱动喷泉泵用潜水电机绝缘结构是否可靠，电磁线的绝缘性能至关重要。变频驱动喷泉泵用潜水电机大多为水线式潜水电机，其电磁线为耐水线，宜选三包线且加厚绝缘，内层聚酰亚胺漆膜、中间选择耐温不低于150℃工艺性好的绝缘塑料、外层尼龙护套。
3.2 绝缘之机械强度应加强。为减小电磁激振力以及振动影响，变频驱动喷泉泵用潜水电机的绝缘结构整体机械强度应得到最大限度的提高。所以，在选取绝缘和辅助材料时，应特别注意选取易置于线圈结构内各部位的材料以最大限度填充绕组间的空隙，但要兼顾散热性。
3.3 绕线、穿线等工艺选择。变频驱动的喷泉泵用潜水电机必须有较高电磁线的质量和绝缘结构。所以，绕线、嵌线、绑扎等必须有严格合理的作业指导书，特别是在绕线、嵌线时要务必杜绝损伤导线。线圈端部应绑扎牢固，确保端部是一个整体，从而提高绝缘结构机械强度。
4.结构设计
结构设计主要考虑了谐波引起变频驱动喷泉泵用潜水电机的振动、噪声冷却方式等方面，重点考虑：
4.1 振动频率。在变频器供电时，喷泉用潜水电机频繁地启动、停止。设计时应重点计算电动机构件整体的强度和刚度，尽量提高电机的固有频率以避免与各次力波产生共振。提高转子的动平衡精度，使转子残余不平衡力降低至最低极限。
4.2 电机冷却方式。变频潜水电机内腔可采用强迫冷却液循环冷却，提高冷却效率。
4.3 长径比选取。喷泉电机对加速度有较高要求，电机的转动惯量不宜选大值。但过长影响刚度和喷泉泵在水体中安装空间，因此应兼顾考量多种因素设计。
4.4 轴承结构。喷泉泵一般要求其在5Hz～60 Hz频率区间均可正常运行，因此轴承结构设计时对潜水电机低速和高速运行均应进行设计验证。
结语
变频器的发展改变了喷泉泵用潜水电机的设计，变频器驱动下的喷泉泵用潜水电机的广泛使用也对喷泉泵用潜水电机的设计要求越来越高。优化变频器驱动下的喷泉泵用潜水电机设计使其更加适应喷泉水景行业的发展需要，具有重要的现实意义。要想获取满意的运行效果，就要结合变频器和一系列控制方式，全面设计及进一步优化电机。优化设计后的实际运用案例：台湾宜兰冬山河亲水公园喷泉水景工程，采用厦门海源泵业有限公司生产的300多台HSP系列喷泉泵（配套喷泉泵用潜水电机），2007年开始采用变频驱动运行，至今运转安全、正常，节电效果显著。
参考文献
[1]陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，1990.
[2]姚锡禄.变频器控制技术与应用[M].福州：福建科学技术出版社，2005.
