無刷雙饋電機(jī)（Brushess Doubly-Fed Machine, BDFM）具有功率繞組（Power wires, PW）、控制繞組（Control Wires, CW）兩套定子繞組和一套特殊設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子繞組。通過轉(zhuǎn)子的耦合作用，對(duì)兩套定子繞組產(chǎn)生的不同極數(shù)旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換與傳遞。

作為一種新型交流勵(lì)磁電機(jī)，無刷雙饋電機(jī)在作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)具有良好的變速恒頻恒壓發(fā)電特性，廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電和船用軸帶發(fā)電等領(lǐng)域；而作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，具有精確的調(diào)速性能，可用于對(duì)轉(zhuǎn)速要求較高的場合。

工業(yè)場合中，無刷雙饋電機(jī)的常用起動(dòng)方式包括異步起動(dòng)與變頻器起動(dòng)。異步起動(dòng)簡單易行，對(duì)設(shè)備要求低，滿足需要大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用情景，但該方法起動(dòng)電流過大，能夠達(dá)到額定電流值的4~7倍甚至更高，對(duì)電網(wǎng)側(cè)造成沖擊，同時(shí)使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)效率降低。

變頻器起動(dòng)具有起動(dòng)電流小、起動(dòng)過程平滑等優(yōu)勢(shì)，但提供的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小，同時(shí)對(duì)整機(jī)系統(tǒng)要求更高，尤其當(dāng)面對(duì)重載起動(dòng)的工業(yè)場合，變頻器需要配置很大冗余量，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)可靠性提出了更高要求，由于配置變頻調(diào)速系統(tǒng)成本高昂，無法得到廣泛使用。

有學(xué)者提出一種應(yīng)用于三相異步電機(jī)的諧波輔助起動(dòng)方法，該方法的特點(diǎn)在于通過特殊定子繞組設(shè)計(jì)，將氣隙磁場中含量較高的諧波成分加以利用，使電機(jī)起動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)矩得到加強(qiáng)；同時(shí)利用轉(zhuǎn)子“無感線圈”的自增阻效應(yīng)，使電機(jī)起動(dòng)電流減小。

本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上提出了一種新型無刷雙饋電機(jī)，基于繞組理論與諧波原理對(duì)定子繞組進(jìn)行重新設(shè)計(jì)：定子繞組的控制繞組部分按照常規(guī)繞組設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，功率繞組則拆分成兩個(gè)并聯(lián)的獨(dú)立星形繞組，通過三相開關(guān)，可將兩套星形繞組直接接入電網(wǎng)，并根據(jù)樣機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)兩個(gè)獨(dú)立繞組供電狀態(tài)進(jìn)行控制。

該設(shè)計(jì)方法使得定子繞組在起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生不同極對(duì)數(shù)的起動(dòng)諧波磁動(dòng)勢(shì)，與基波磁動(dòng)勢(shì)相疊加，有效增大了合成磁動(dòng)勢(shì)，從而提高了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。同時(shí)為了配合定子繞組產(chǎn)生的起動(dòng)諧波磁場，轉(zhuǎn)子繞組采用了復(fù)合線圈組結(jié)構(gòu)，能夠在起動(dòng)時(shí)使轉(zhuǎn)子電阻折算值增大，從而使起動(dòng)電流減小，同時(shí)使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大。

根據(jù)該設(shè)計(jì)方法制造了樣機(jī)，通過有限元仿真分析和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該樣機(jī)具有良好的起動(dòng)性能，證實(shí)了該設(shè)計(jì)方法的正確性。

圖1 多諧波聯(lián)合起動(dòng)無刷雙饋電機(jī)的示意圖

圖11 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

結(jié)論

本文提出了一種基于多諧波聯(lián)合起動(dòng)方法設(shè)計(jì)的無刷雙饋電機(jī)，闡述了定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其起動(dòng)特性進(jìn)行了研究，經(jīng)過有限元建模仿真以及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得到結(jié)論如下：

1）定子繞組的功率繞組部分經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，能夠在起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生除基波磁動(dòng)勢(shì)外的多種極對(duì)數(shù)諧波磁動(dòng)勢(shì)，通過與轉(zhuǎn)子氣隙磁場作用有效增大起動(dòng)瞬間的異步轉(zhuǎn)矩；運(yùn)行時(shí)，通過對(duì)定子繞組的狀態(tài)切換，起動(dòng)諧波全部抵消，僅余基波磁場滿足運(yùn)行需求，有效降低了電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲。

2）采用“復(fù)合線圈組”的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠與定子繞組感應(yīng)出的多諧波磁場配合作用，通過增大起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電阻折算值，在減小起動(dòng)電流的同時(shí)增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而在運(yùn)行時(shí)又能將轉(zhuǎn)子電阻值恢復(fù)原狀，避免產(chǎn)生額外的運(yùn)行損耗。

3）通過對(duì)樣機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分析及仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，說明基于多諧波起動(dòng)方法設(shè)計(jì)的無刷雙饋電機(jī)能夠在剛起動(dòng)時(shí)就獲得最大轉(zhuǎn)矩，而無需經(jīng)過異步起動(dòng)方式的轉(zhuǎn)矩上升階段，該特性加強(qiáng)了電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)特性，使制造維護(hù)成本降低，且提高了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性；同時(shí)該設(shè)計(jì)方法大幅度減小了起動(dòng)電流，避免繞組發(fā)熱帶來的額外損耗影響電機(jī)使用，使無刷雙饋獲得更廣泛工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。