摘要：双定子笼型感应电动机具有较好的调速及起动性能，非常适合于许多特定负载条件下的应用。文中概述了双定子笼型电机的基本原理和理论分析方法，阐述了其主要特点及应用，介绍了其发展状况。
关键词：双定子感应电动机；无级调速；综述；
中图分类号：TM346 文献标识码：A
1 引言
感应电动机调速一直以来都是电动机及其控制领域的一项重要课题。目前比较常用的调速方法有变极调速、变频调速、交流调压调速及带液力耦合器调速等方法。这些方法虽然各有优点，但也存在着各自的缺点。笼型感应电动机由于其简单、可靠、低电阻、低损耗，得到广泛应用。普通笼型感应电动机存在着起动电流大、起动转矩小和重载起动时间长等缺点，特别是对于带重负荷全压起动，其起动转矩不高，加速缓慢，起动时间长，笼条可能出现开焊和断裂[1]。
起动性能和调速性能是感应电动机的两个重要特性。双定子笼型感应电动机不仅具有良好的调速性能，而且也有良好的起动性能，能够较好地克服普通笼型感应电动机存在的问题。
本文概述了双定子笼型电动机的基本原理和理论分析方法，阐述了其主要特点及其应用，介绍了其发展状况。
2 基本结构
双定子电机最早是由澳大利亚的B. H. Smith [2] 在1966年以感应电动机的形式提出来的。它具有许多不同于普通电动机的特点，不论是在基本理论还是在电机结构方面都有重大发展。典型的双定子调速电动机结构，如图1所示。
该电动机通常由两个独立的定子和一个公共的转子构成。在机座内膛沿轴向放置着两个结构相同嵌有绕组的定子铁心，单个定子的结构与普通笼型转子感应电动机相同，其中一个固定在机座上，称为静定子，另一个则可沿圆周方向在180°电角度范围内转动，称为调速定子。转子结构也基本上与普通笼型转子感应电动机相同，在转子两端也以常规的端环短路，只是转子的每根导条具有两个定子的全部长度。在某些情况下，转子中央有高电阻的中间端环与导条连接。
3 基本工作原理及主要理论分析方法
3.1基本工作原理
运行时根据调速的要求，将可移定子转动到恰当的位置，然后加以固定，即可在设定的转速下稳定运行。设两套定子绕组对应相绕组轴线的夹角为α角，如图2所示，当调节可移定子的位置时，α角是变化的，转子导条中的合成电势随α而变，转子转速也随之改变，因此调节可移定子的位置，即可达到平滑调速的目的[3]。
3.2主要理论分析方法
对于双定子笼型感应电机的理论与计算分析，国内外众多学者做了多种方法的尝试。
（1）根据电机的具体电路连接的方式，直接列方程组进行分析[3][4]；
（2）通过对电机的电路进行各种等效和折算，得出与分析感应电机类似的T型电路和Γ型电路[5]，还有П型电路[6]，进行分析；
（3）通过电机的状态方程和动态模型，用matlab软件进行计算机仿真分析[1][7][8][9]。
4 主要特点
双定子电机具有以下特点[10]：
（1）在额定电压和工频条件下可实现无级平滑调速；
（2）调速范围宽，可在30%~98%之内稳定控制；
（3）电机调速时，可以恒转矩运行，且冲击电流小；
（4）电机调速运行时具有与普通笼型感应电机相同的特点，能做到重量轻，体积小，控制设备较便宜，且具有互换性；
（5）电机的起动转矩大，起动电流小，运行安全稳定，可靠性高；
（6）可根据不同类型的负载特点进行设计，设计灵活，适用范围广。
5 主要应用
5.1用于风机水泵调速控制
双定子电机具有良好的调速性能，将其用于风机水泵调速控制，具有重要的节能意义。电厂风机水泵在运行过程中，往往需要根据负荷的要求调节流量。目前常用的方法是通过调节阀门或挡板的开度，即改变阻力的方法来进行调节，此时风机、水泵均工作在额定状态，效率低下，大量的能量消耗在风机内部，有的还采用放空的方法，不仅白白浪费了电能，而且增加了环境噪音。
由于风机水泵耗能与其转速的三次方成正比，因此，采用直接对驱动风机水泵的感应电动机进行调速，通过改变风机水泵的风压来调节流量，可以起到非常明显的节能效果。
5.2 用于需要重载起动的场合
对电厂辅机如磨煤机[1]等，当采用普通笼型电动机，带负载全压起动时，由于起动转矩不高，加速很慢，因此起动时间长，容易造成转子笼条受到电磁应力和热应力等多重影响，致使笼条断裂、开焊等故障发生。
用作磨煤机的双定子笼型感应电机，转子中央具有高电阻的中间端环与导条连接，两个定子绕组串联连接，通过接触器可控制两定子绕组外施电压的相位。起动时，通过接触器的切换使加在两定子绕组的电压有相位差，迫使电流从中间端环流过，相当于增加转子电阻，性能上与绕线转子感应电动机带电阻起动相似，起动转矩大而起动电流小。当起动过程完成后，切换接触器，此时该电机与传统笼型感应电动机一样，电机的效率和功率因数较高。
5.3 用于拖动铁道车辆中的制动装置、关门装置及空气弹簧等
铁道车辆中制动装置、关门装置及空气弹簧是利用压缩空气工作的，过去使用起动特性好的直流电机拖动空压机，由于直流电机需经常维护电刷，且大容量的静止变频器已实用化，使得应用三相异步电动机拖动空压机成为可能。由于异步电机无需电刷，它比直流电机价廉、结构简单，体积小、重量轻，维修也容易。但是通用异步电机有起动特性差，起动电流大于6倍额定值，起动转矩小等缺点。双定子异步电动机改善了异步电机的起动特性，并己应用于车载空压机[11]。
5.4 用于由光伏阵列提供恒定机械功率的场合[10]
利用光伏阵列可以将太阳能转换为电能，如图3所示，由光伏阵列产生的电能又可以转换为电机的机械能，来驱动空调热泵和灌溉用的水泵等。但是由于太阳能随天气变化而变化，因此驱动系统不能产生恒定的机械功率。在该系统中利用双定子电机代替两个耦合的常规感应电机，可以在充分利用太阳能的同时产生恒定的机械功率，且使系统的体积减小，易于实现。
5.5 双定子发电机
除了作为电动机，双定子电机还可以为发电机用。双定子发电机的各机电变量受转角α的控制，在转差较小的情况下，调相角相当于调节定子的电动势，使得电磁转矩与驱动力矩相匹配，以维持电机转速不变，从而使得频率不变。电机在瞬变状态下，诸如起动、突然短路、外部负载变动等情况下，电机频率可能会随着波动，此时调节α角，以调节转速使频率复原。该电机不仅能够在复杂的条件下运行，自动协调机电关系，保持频率不变，而且能实现自我保护，不再需要起动限流、过速、过压等保护装置及整流器、调速器和变频器等辅助设备。
6 发展状况
近年来，对双定子电机研究取得了很大的成绩。一些先进国家已应用到地铁、农业机械、工程机械等行业。日本在双定子电机的理论研究和工业应用上显得较为活跃，英国、澳大利亚也围绕双定子电机做了大量的工作。他们为双定子电机申请了专利，甚至还专门成立了电机调速有限公司。1990年日本的几位学者联合推出了一种无噪声的双定子变速电机[12]，这种电机在主电机和调节电机之间连接了一波状高阻，进一步改善了双定子电机的起动性能和调速性能。
我国对双定子电机的研究起步较晚，目前有华中科技大学、四川联合大学等高校在做这方面的工作。东方电机股份有限公司和四川联合大学联合为四川白马发电厂研制的1000kW高起动转矩低起动电流新型双定子异步电动机[13]，作为白马电厂20万kW汽轮发电机组钢球磨煤机配套用的笼型异步电动机，自1994年投入商业运行以来，性能和效果良好。
影响双定子电机普及的主要原因是：生产工艺、制造成本、附加电阻及散热等问题，经多方努力，已得到了较好的缓解。现有这种电机在轧钢、轧铜等行业，经过了每分钟6～8个往返的正反转考验，运转情况良好，寿命大大超过了普通鼠笼三相异步电动机[14]。我国的双定子电机正在进入产业化过程。
7 结束语
双定子笼型感应电动机，既具有笼型感应电动机的结构简单，运行可靠等优点，同时又具有普通感应电动机无法比拟的优良的无级调速性能和起动性能。在电动机的速度频繁改变，转矩需要控制等许多场合，该种电动机可代替绕线转子感应电动机。由于其性能的优越性，因此双定子电动机必将得到越来越广泛的应用。
参考文献
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