雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)節(jié)能分析

熊家新 劉 麗 高歡歡 孫喜奎

（1．長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春130022；2．德惠市實(shí)驗中學(xué)，吉林 長春130300；3．長春新星宇建筑安裝有限公司，吉林 長春130062）

0 引言

普通電動機(jī)無論何種結(jié)構(gòu)均只有一個機(jī)械端口，這制約了它的應(yīng)用范圍。而雙轉(zhuǎn)子電動機(jī)是一種高效節(jié)能的新型特種電動機(jī)，本文主要闡述雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)相比普通電動機(jī)的節(jié)能性和高效性。

1 雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的工作原理

目前，理論較成熟的雙轉(zhuǎn)子電動機(jī)主要有4種：雙轉(zhuǎn)子同—異步電動機(jī)、鼠籠式雙轉(zhuǎn)子電動機(jī)、對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子永磁電動機(jī)和永磁無刷雙轉(zhuǎn)子電動機(jī)。雙轉(zhuǎn)子同—異步電動機(jī)在有的文獻(xiàn)中被稱為雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)［1］。一個定子和內(nèi)外兩個轉(zhuǎn)子組成雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，其中外側(cè)轉(zhuǎn)子被稱為杯形轉(zhuǎn)子。雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)可看作內(nèi)、外兩個電動機(jī)組成的復(fù)合電動機(jī)，即異步電動機(jī)和同步電動機(jī)。

定子三相對稱繞組加以三相對稱電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，勵磁轉(zhuǎn)子相對于定子以轉(zhuǎn)速n0與旋轉(zhuǎn)磁場同步運(yùn)行。而杯形轉(zhuǎn)子相對于定子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，故存在轉(zhuǎn)速差Δn，轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動負(fù)載。

氣隙旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速n0相對于定子鐵芯旋轉(zhuǎn)，此時定子旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值為F1：

式中，w1為定子繞組每相串聯(lián)的匝數(shù)；kw1為定子的基波繞組系數(shù)；p為磁極對數(shù)。

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值為F2：

式中，I2為導(dǎo)條中的電流；w2為轉(zhuǎn)子繞組每相串聯(lián)的匝數(shù)；kw2為轉(zhuǎn)子的基波繞組系數(shù)。

2 雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)損耗分析

雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)輸入電功率為P1，P1中的一部分消耗在定子繞阻上，稱為定子銅耗PCu1，P1中還有一部分用于建立旋轉(zhuǎn)磁場消耗于定子鐵芯中，定義為定子鐵耗PFe，余下的功率借助于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場由定子傳送給轉(zhuǎn)子，這部分電功率稱作雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的電磁功率Pe。

轉(zhuǎn)子回路電阻上消耗的電功率稱作轉(zhuǎn)子銅耗，用PCu2表示。由于雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的相對速度很小，以致轉(zhuǎn)子鐵芯中磁通變化率很低，因此轉(zhuǎn)子鐵耗往往忽略不計。忽略轉(zhuǎn)子鐵耗的情況下機(jī)械功率PΩ可表示為：

因為鐵損和銅損這兩種損耗與定、轉(zhuǎn)子電流和磁鏈有著密切聯(lián)系，為了使可控?fù)p耗在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時盡可能小，人們可以通過一定的節(jié)能控制策略對其進(jìn)行控制，因此合稱這兩種損耗為可控?fù)p耗。

電動機(jī)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子克服軸承摩擦和風(fēng)阻等阻力轉(zhuǎn)矩所消耗的功率稱為機(jī)械損耗，用Pm表示；附加損耗用Pad表示，雙轉(zhuǎn)子電動機(jī)中，Pad≈（1%～3%）PN。這兩部分損耗都與電動機(jī)的實(shí)際工況有直接關(guān)系，即與電動機(jī)所帶負(fù)載的大小以及轉(zhuǎn)速的快慢有關(guān)系，因此很難控制，常常把機(jī)械損耗和附加損耗合稱為不可控?fù)p耗。

轉(zhuǎn)子獲得的機(jī)械功率PΩ扣除機(jī)械損耗Pm和附加損耗Pad就是電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上可以輸出給機(jī)械負(fù)載的機(jī)械功率，即電動機(jī)的輸出功率：

綜上所述，把定／轉(zhuǎn)子銅損、定子鐵損、機(jī)械損耗與雜散損耗之和稱作變頻調(diào)速系統(tǒng)中雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的總損耗，其表達(dá)式為：

3 雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)等效電路的建立

雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的等效電路如圖1所示，E0為定子繞組中感應(yīng)出感應(yīng)電勢，且為反電勢。

圖1 雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)等效電路

當(dāng)雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)以轉(zhuǎn)速n穩(wěn)定運(yùn)行時，從電源輸入的功率為P1：

在籠型轉(zhuǎn)子支路中有兩個電阻，r′2消耗的損耗為籠型轉(zhuǎn)子的銅損耗PCu2＝3I′22r′2，故：

由于普通異步電動機(jī)無電勢電樞E0，所以對雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)而言，勵磁電流會比較小，當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子欠勵磁時，因內(nèi)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸不固定，所以內(nèi)轉(zhuǎn)子磁勢（磁通）與定子旋轉(zhuǎn)磁場的夾角很小，因此功率因數(shù)就會很低［2］。

由以上分析可知，雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)定子勵磁電流比普通異步電動機(jī)小，所以在相同的轉(zhuǎn)差率情況下，定子電流減小，電動機(jī)功率因數(shù)就會得到提高。尤其是輕載時，由于E0的存在導(dǎo)致電動機(jī)定子的銅耗減少，所以效率提高明顯。

4 結(jié)語

本文主要闡述了雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的工作原理，對電動機(jī)的損耗進(jìn)行了分析，最后建立了雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的等效電路。由分析可知，對于同一個負(fù)載，轉(zhuǎn)差率較小，那么轉(zhuǎn)差的功率損耗就會減小，同時由于定子電流的減小，電動機(jī)銅損就會減少，所以與普通電動機(jī)相比，雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)總損耗明顯較小，效率得到提高，尤其是輕載時，由于E0的存在使電動機(jī)的定子銅耗明顯減少，所以效率提高得特別明顯。

［1］馮浩，李玉軍，鐘德剛，等．雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的研究［J］．中小型電機(jī)，2002，39（1）

［2］王朔．雙轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的研究［D］．浙江工業(yè)大學(xué)，2007