雙轉子異步電動機節能分析

熊家新 劉 麗 高歡歡 孫喜奎

（1．長春理工大學機電工程學院，吉林 長春130022；2．德惠市實驗中學，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

普通電動機無論何種結構均只有一個機械端口，這制約了它的應用范圍。而雙轉子電動機是一種高效節能的新型特種電動機，本文主要闡述雙轉子異步電動機相比普通電動機的節能性和高效性。

1 雙轉子異步電動機的工作原理

目前，理論較成熟的雙轉子電動機主要有4種：雙轉子同—異步電動機、鼠籠式雙轉子電動機、對轉雙轉子永磁電動機和永磁無刷雙轉子電動機。雙轉子同—異步電動機在有的文獻中被稱為雙轉子異步電動機［1］。一個定子和內外兩個轉子組成雙轉子異步電動機，其中外側轉子被稱為杯形轉子。雙轉子異步電動機可看作內、外兩個電動機組成的復合電動機，即異步電動機和同步電動機。

定子三相對稱繞組加以三相對稱電流，產生旋轉磁場，勵磁轉子相對于定子以轉速n0與旋轉磁場同步運行。而杯形轉子相對于定子以轉速n旋轉，故存在轉速差Δn，轉子繞組切割旋轉磁場，產生感應電動勢和電流，從而產生電磁轉矩驅動負載。

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

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

轉子旋轉磁勢的幅值為F2：

式中，I2為導條中的電流；w2為轉子繞組每相串聯的匝數；kw2為轉子的基波繞組系數。

2 雙轉子異步電動機損耗分析

雙轉子異步電動機輸入電功率為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磁場由定子傳送給轉子，這部分電功率稱作雙轉子異步電動機的電磁功率Pe。

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

因為鐵損和銅損這兩種損耗與定、轉子電流和磁鏈有著密切聯系，為了使可控損耗在穩態運行時盡可能小，人們可以通過一定的節能控制策略對其進行控制，因此合稱這兩種損耗為可控損耗。

電動機運行時，轉子克服軸承摩擦和風阻等阻力轉矩所消耗的功率稱為機械損耗，用Pm表示；附加損耗用Pad表示，雙轉子電動機中，Pad≈（1%～3%）PN。這兩部分損耗都與電動機的實際工況有直接關系，即與電動機所帶負載的大小以及轉速的快慢有關系，因此很難控制，常常把機械損耗和附加損耗合稱為不可控損耗。

轉子獲得的機械功率PΩ扣除機械損耗Pm和附加損耗Pad就是電動機轉軸上可以輸出給機械負載的機械功率，即電動機的輸出功率：

綜上所述，把定／轉子銅損、定子鐵損、機械損耗與雜散損耗之和稱作變頻調速系統中雙轉子異步電動機的總損耗，其表達式為：

3 雙轉子異步電動機等效電路的建立

雙轉子異步電動機的等效電路如圖1所示，E0為定子繞組中感應出感應電勢，且為反電勢。

圖1 雙轉子異步電動機等效電路

當雙轉子異步電動機以轉速n穩定運行時，從電源輸入的功率為P1：

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

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

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

4 結語

本文主要闡述了雙轉子異步電動機的工作原理，對電動機的損耗進行了分析，最后建立了雙轉子異步電動機的等效電路。由分析可知，對于同一個負載，轉差率較小，那么轉差的功率損耗就會減小，同時由于定子電流的減小，電動機銅損就會減少，所以與普通電動機相比，雙轉子異步電動機總損耗明顯較小，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．雙轉子異步電動機的研究［J］．中小型電機，2002，39（1）

［2］王朔．雙轉子異步電動機的研究［D］．浙江工業大學，2007