無刷雙饋電機（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計的轉子繞組。通過轉子的耦合作用，對兩套定子繞組產(chǎn)生的不同極數(shù)旋轉磁場進行調(diào)制，從而實現(xiàn)電機的機電能量轉換與傳遞。

作為一種新型交流勵磁電機，無刷雙饋電機在作發(fā)電機運行時具有良好的變速恒頻恒壓發(fā)電特性，廣泛應用于風力發(fā)電、水力發(fā)電和船用軸帶發(fā)電等領域；而作為電動機運行時，具有精確的調(diào)速性能，可用于對轉速要求較高的場合。

工業(yè)場合中，無刷雙饋電機的常用起動方式包括異步起動與變頻器起動。異步起動簡單易行，對設備要求低，滿足需要大起動轉矩的應用情景，但該方法起動電流過大，能夠達到額定電流值的4~7倍甚至更高，對電網(wǎng)側造成沖擊，同時使電動機起動效率降低。

變頻器起動具有起動電流小、起動過程平滑等優(yōu)勢，但提供的起動轉矩很小，同時對整機系統(tǒng)要求更高，尤其當面對重載起動的工業(yè)場合，變頻器需要配置很大冗余量，同時對系統(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。

有學者提出一種應用于三相異步電機的諧波輔助起動方法，該方法的特點在于通過特殊定子繞組設計，將氣隙磁場中含量較高的諧波成分加以利用，使電機起動瞬間轉矩得到加強；同時利用轉子“無感線圈”的自增阻效應，使電機起動電流減小。

本文在相關研究的基礎上提出了一種新型無刷雙饋電機，基于繞組理論與諧波原理對定子繞組進行重新設計：定子繞組的控制繞組部分按照常規(guī)繞組設計方法進行設計，功率繞組則拆分成兩個并聯(lián)的獨立星形繞組，通過三相開關，可將兩套星形繞組直接接入電網(wǎng)，并根據(jù)樣機的運行狀態(tài)對兩個獨立繞組供電狀態(tài)進行控制。

該設計方法使得定子繞組在起動時產(chǎn)生不同極對數(shù)的起動諧波磁動勢，與基波磁動勢相疊加，有效增大了合成磁動勢，從而提高了起動轉矩。同時為了配合定子繞組產(chǎn)生的起動諧波磁場，轉子繞組采用了復合線圈組結構，能夠在起動時使轉子電阻折算值增大，從而使起動電流減小，同時使起動轉矩增大。

根據(jù)該設計方法制造了樣機，通過有限元仿真分析和樣機實驗，驗證了該樣機具有良好的起動性能，證實了該設計方法的正確性。

圖1 多諧波聯(lián)合起動無刷雙饋電機的示意圖

圖11 實驗平臺示意圖

結論

本文提出了一種基于多諧波聯(lián)合起動方法設計的無刷雙饋電機，闡述了定轉子結構的設計方法，并對其起動特性進行了研究，經(jīng)過有限元建模仿真以及樣機實驗對比，得到結論如下：

1）定子繞組的功率繞組部分經(jīng)過特殊設計，能夠在起動時產(chǎn)生除基波磁動勢外的多種極對數(shù)諧波磁動勢，通過與轉子氣隙磁場作用有效增大起動瞬間的異步轉矩；運行時，通過對定子繞組的狀態(tài)切換，起動諧波全部抵消，僅余基波磁場滿足運行需求，有效降低了電機穩(wěn)態(tài)運行時的振動和噪聲。

2）采用“復合線圈組”的轉子結構能夠與定子繞組感應出的多諧波磁場配合作用，通過增大起動時的轉子電阻折算值，在減小起動電流的同時增大起動轉矩，而在運行時又能將轉子電阻值恢復原狀，避免產(chǎn)生額外的運行損耗。

3）通過對樣機進行轉矩分析及仿真與實驗對比，說明基于多諧波起動方法設計的無刷雙饋電機能夠在剛起動時就獲得最大轉矩，而無需經(jīng)過異步起動方式的轉矩上升階段，該特性加強了電動機的軟起動特性，使制造維護成本降低，且提高了電動機運行穩(wěn)定性；同時該設計方法大幅度減小了起動電流，避免繞組發(fā)熱帶來的額外損耗影響電機使用，使無刷雙饋獲得更廣泛工業(yè)應用價值。