学术简报︱绕线转子无刷双馈电机齿驻波特性研究
强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）、易事特集团股份有限公司的研究人员欧乐知、王雪帆、李振明、高信迈、熊飞，在2019年第17期《电工技术学报》上撰文指出，由于无刷双馈电机定子包含两套绕组，电机转子需要与两套绕组进行耦合，所以其气隙合成磁场由两个极对数不同的基波磁场构成，导致其磁场特性相较于一般的交流电机更为复杂。
该文以绕线转子无刷双馈电机为研究对象，将分析坐标系转换到转子坐标系分析气隙磁场，通过理论推导和有限元仿真提出该合成磁场具有与驻波类似的齿驻波特性，该特性表明合成磁场轴线相对转子静止，具有与同步电机相似的运行特性。同时，该特性对于无刷双馈电机的极数配合选择与性能优化具有指导意义。最后，通过在转子绕组中嵌入探测线圈并测量其感应电动势的方法进行了样机实验，结果证明了理论分析的正确性。
无刷双馈电机是一种新型交流电机，近几年在国内外发展迅速。该类电机定子绕组由两套极对数不同的绕组构成：一套为与电网直接相连的极对数为pp的功率绕组；另一套为异步运行模式下可直接短接或串接附加电阻短接，双馈运行模式下与交流变频电源相连的极对数为pc的控制绕组。
由于两套绕组极对数不同，所以无法直接耦合，只能通过电机转子间接耦合实现能量传递。无刷双馈电机不存在运行中安全可靠性差的电刷和集电环，使得其能够在环境恶劣的应用场合持续稳定运行。同时，在整个电机系统中，由于与控制绕组相连的交流变频电源提供或吸收的只是取决于频率比的“转差功率”，所以可以选择容量较小的变频器与电机匹配，从而减少电机系统所需的经济成本与工作空间。
基于以上优势，无刷双馈电机在诸如船舶轴带发电、风力发电的变速恒频发电领域以及以水泵、风机等为负载的变频调速系统领域均有着广阔的应用前景。
无刷双馈电机转子对于定子两套绕组的极数匹配能力在很大程度上决定了电机的性能与效率。根据转子结构形式的不同，可以分为特殊笼型转子、磁阻式转子、绕线转子以及混合式转子。无论是何种转子形式的无刷双馈电机，由于定子绕组均由两套绕组构成，使得气隙合成磁场包含两个极对数不同的基波磁场，这在一定程度上增加了磁场分析的复杂性。
有学者从理论上分析了笼型转子无刷双馈电机在异步运行模式下的气隙磁场特征，说明了在该运行模式下电机能产生恒定转矩稳定运行，并利用有限元计算软件进行仿真得到了气隙磁场波形。但该文献在实验部分只测量了相关电气参数，并没有针对气隙磁场波形进行实验。
有学者讨论了针对磁阻式转子无刷双馈电机采用改进硅钢片材料的优化方法，实验测量结果表明极数配合为4/6极的电机中不平衡磁拉力比4/8极以及8/12极的大，但文中并没有给出相关的理论解释。
有学者提出了一种磁阻与短路笼条相结合的混合式转子无刷双馈电机，并给出了电机参数的计算方法。研究结果表明，该类电机的耦合能力强于磁障式磁阻转子无刷双馈电机，但缺点在于该类电机耦合能力的增加依赖于短路笼条组数和公共笼条层数的增加，从而增加了电机的制造成本。
本文以图1所示的绕线转子无刷双馈电机为研究对象，首先将气隙合成磁场转换到转子坐标系进行理论分析，指出该合成磁场具有与驻波类似的齿驻波特性，并利用该特性从磁场对称性的角度进一步缩小和优化了无刷双馈电机极数配合的选择范围；其次，在有限元电磁仿真软件中搭建了仿真模型并进行了有限元计算，得到了与理论分析一致的计算结果；最后，以一台定子72槽、转子48槽的绕线转子无刷双馈电机为样机，通过在转子绕组中嵌入探测线圈并测量其感应电动势的方法进行了样机实验，结果证明了理论分析和计算的正确性。
图1 绕线转子无刷双馈电机横截面示意图
图6 样机实验现场
图7 实验样机转子结构
本文结合绕线转子无刷双馈电机由一对一阶齿谐波产生转子基波磁场的工作原理以及气隙合成磁场具有与驻波类似的波形特征，提出了绕线转子无刷双馈电机的齿驻波特性。
在理论分析中通过对气隙合成磁场表达式进行合理变换得到：①气隙圆周分布中各位置磁通密度幅值不一致，具有pp+pc个幅值最大点和pp+pc个幅值最小点，且呈周期性变化；②无刷双馈电机在两极对数之和为偶数时，振动与噪声更小。
有限元仿真计算结果与理论分析结果一致，通过在转子绕组中嵌入探测线圈并测量其感应电动势的方法进行了样机实验，结果验证了上述结论的正确性。