学术简报︱起动性能优良的新型无刷双馈电动机
合肥工业大学电气与自动化工程学院的研究人员阚超豪、胡杨、任泰安、鲍习昌、储成龙，在2019年第23期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于多谐波联合起动方法的无刷双馈电机起动性能研究”），针对无刷双馈电机起动转矩小、起动电流大这一不足，提出一种新型无刷双馈电动机。
该电机定子绕组磁动势可分解为多个不同极对数的同转向谐波磁场，其中基波磁场对应的转子电流流通路径与常规无刷双馈电机相同，谐波磁场中转子电流流通路径的电阻折算值增大而漏抗值保持不变，增加了电机起动时的功率因数，进而实现起动电流的降低和起动转矩的增大；而在正常运行时电机定子仅产生基波磁场以完成无刷双馈电动机的变频调速。
该文对无刷双馈电机多谐波起动时定、转子绕组结构的设计原理、起动时电机等效电路以及电磁转矩计算进行了详细的分析，并以一台机座号为YZR132样机为例说明多谐波起动电机定、转子结构的设计方法。在多谐波联合起动和异步起动时分别对空载及不同负载情况下的起动电流进行了样机实验，对比分析了空载时的气隙磁场。实验结果表明采用多谐波原理设计的绕线转子无刷双馈电机具有优良的起动性能。
无刷双馈电机（Brushess Doubly-Fed Machine, BDFM）具有功率绕组（Power wires, PW）、控制绕组（Control Wires, CW）两套定子绕组和一套特殊设计的转子绕组。通过转子的耦合作用，对两套定子绕组产生的不同极数旋转磁场进行调制，从而实现电机的机电能量转换与传递。
作为一种新型交流励磁电机，无刷双馈电机在作发电机运行时具有良好的变速恒频恒压发电特性，广泛应用于风力发电、水力发电和船用轴带发电等领域；而作为电动机运行时，具有精确的调速性能，可用于对转速要求较高的场合。
工业场合中，无刷双馈电机的常用起动方式包括异步起动与变频器起动。异步起动简单易行，对设备要求低，满足需要大起动转矩的应用情景，但该方法起动电流过大，能够达到额定电流值的4~7倍甚至更高，对电网侧造成冲击，同时使电动机起动效率降低。
变频器起动具有起动电流小、起动过程平滑等优势，但提供的起动转矩很小，同时对整机系统要求更高，尤其当面对重载起动的工业场合，变频器需要配置很大冗余量，同时对系统可靠性提出了更高要求，由于配置变频调速系统成本高昂，无法得到广泛使用。
有学者提出一种应用于三相异步电机的谐波辅助起动方法，该方法的特点在于通过特殊定子绕组设计，将气隙磁场中含量较高的谐波成分加以利用，使电机起动瞬间转矩得到加强；同时利用转子“无感线圈”的自增阻效应，使电机起动电流减小。
本文在相关研究的基础上提出了一种新型无刷双馈电机，基于绕组理论与谐波原理对定子绕组进行重新设计：定子绕组的控制绕组部分按照常规绕组设计方法进行设计，功率绕组则拆分成两个并联的独立星形绕组，通过三相开关，可将两套星形绕组直接接入电网，并根据样机的运行状态对两个独立绕组供电状态进行控制。
该设计方法使得定子绕组在起动时产生不同极对数的起动谐波磁动势，与基波磁动势相叠加，有效增大了合成磁动势，从而提高了起动转矩。同时为了配合定子绕组产生的起动谐波磁场，转子绕组采用了复合线圈组结构，能够在起动时使转子电阻折算值增大，从而使起动电流减小，同时使起动转矩增大。
根据该设计方法制造了样机，通过有限元仿真分析和样机实验，验证了该样机具有良好的起动性能，证实了该设计方法的正确性。
图1 多谐波联合起动无刷双馈电机的示意图
图11 实验平台示意图
本文提出了一种基于多谐波联合起动方法设计的无刷双馈电机，阐述了定转子结构的设计方法，并对其起动特性进行了研究，经过有限元建模仿真以及样机实验对比，得到结论如下：
1）定子绕组的功率绕组部分经过特殊设计，能够在起动时产生除基波磁动势外的多种极对数谐波磁动势，通过与转子气隙磁场作用有效增大起动瞬间的异步转矩；运行时，通过对定子绕组的状态切换，起动谐波全部抵消，仅余基波磁场满足运行需求，有效降低了电机稳态运行时的振动和噪声。
2）采用“复合线圈组”的转子结构能够与定子绕组感应出的多谐波磁场配合作用，通过增大起动时的转子电阻折算值，在减小起动电流的同时增大起动转矩，而在运行时又能将转子电阻值恢复原状，避免产生额外的运行损耗。
3）通过对样机进行转矩分析及仿真与实验对比，说明基于多谐波起动方法设计的无刷双馈电机能够在刚起动时就获得最大转矩，而无需经过异步起动方式的转矩上升阶段，该特性加强了电动机的软起动特性，使制造维护成本降低，且提高了电动机运行稳定性；同时该设计方法大幅度减小了起动电流，避免绕组发热带来的额外损耗影响电机使用，使无刷双馈获得更广泛工业应用价值。