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(shè)計的轉(zhuǎn)子繞組。通過轉(zhuǎn)子的耦合作用，對兩套定子繞組產(chǎn)生的不同極數(shù)旋轉(zhuǎn)磁場進行調(diào)制，從而實現(xiàn)電機的機電能量轉(zhuǎn)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(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；而作為電動機運行時，具有精確的調(diào)速性能，可用于對轉(zhuǎn)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(shè)備要求低，滿足需要大起動轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用情景，但該方法起動電流過大，能夠達(dá)到額定電流值的4~7倍甚至更高，對電網(wǎng)側(cè)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(zhuǎn)矩很小，同時對整機系統(tǒng)要求更高，尤其當(dāng)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(xué)者提出一種應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)矩得到加強；同時利用轉(zhuǎn)子“無感線圈”的自增阻效應(yīng)，使電機起動電流減小。

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，基于繞組理論與諧波原理對定子繞組進行重新設(shè)計：定子繞組的控制繞組部分按照常規(guī)繞組設(shè)計方法進行設(shè)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(guān)，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(shè)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(zhuǎn)矩。同時為了配合定子繞組產(chǎn)生的起動諧波磁場，轉(zhuǎn)子繞組采用了復(fù)合線圈組結(jié)構(gòu)，能夠在起動時使轉(zhuǎn)子電阻折算值增大，從而使起動電流減小，同時使起動轉(zhuǎn)矩增大。

根據(jù)該設(shè)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(shè)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(jié)論

本文提出了一種基于多諧波聯(lián)合起動方法設(shè)計的無刷雙饋電機，闡述了定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)論如下：

1）定子繞組的功率繞組部分經(jīng)過特殊設(shè)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(zhuǎn)子氣隙磁場作用有效增大起動瞬間的異步轉(zhuǎn)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(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，通過增大起動時的轉(zhuǎn)子電阻折算值，在減小起動電流的同時增大起動轉(zhuǎn)矩，而在運行時又能將轉(zhuǎn)子電阻值恢復(fù)原狀，避免產(chǎn)生額外的運行損耗。

3）通過對樣機進行轉(zhuǎn)矩分析及仿真與實驗對比，說明基于多諧波起動方法設(shè)計的無刷雙饋電機能夠在剛起動時就獲得最大轉(zhuǎn)矩，而無需經(jīng)過異步起動方式的轉(zhuǎn)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(shè)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(yīng)用價值。