直流電動機向無換向器化發(fā)展的歸宿不是同步電機而是廣義的直流電動機

童鐘良

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院,上海 201620)

直流電動機向無換向器化發(fā)展的歸宿不是同步電機而是廣義的直流電動機

童鐘良

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院,上海 201620)

首先闡述直流電動機的自控變頻運行機制，磁極d軸的檢測是電樞電流相位自控的先決條件， 磁極位置檢測器件或方式的改革演變可視為直流電動機向無換向器化發(fā)展的標(biāo)志。無換向器電動機是直流電動機向無換向器化發(fā)展的起步,繼而開發(fā)正弦交流電機本體的自控變頻電動機系統(tǒng)，包括矢量控制技術(shù)的應(yīng)用。今后更可借助計算機控制技術(shù)來檢測磁極d軸的位置和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)電樞電流或電壓的相位自控，推動直流電動機無換向器化進(jìn)程的深入發(fā)展。然而，發(fā)展的歸宿不是同步電動機而是廣義的直流電動機。

直流電動機；電機本體；磁極d軸檢測；自控變頻；電流相位自控；氣隙磁場箝位

0 引 言

直流電動機在調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制性能方面具有突出優(yōu)點，但是存在換向火花。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多領(lǐng)域里即使微小的火花也不允許存在，因此，早從1960年代開始，改革“換向器式電機[1]”的研究就已啟動，可這項研究從一起步就陷入了認(rèn)識上的誤區(qū)。

1970年代以后許多文獻(xiàn)認(rèn)為：無換向器電動機是由靜止變頻器、同步電動機和磁極位置檢測器三部分組成的[2]。這種見解后來占了上風(fēng)，致使改革換向器式直流電動機的研究轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)為研究同步電動機的自控變頻技術(shù)及轉(zhuǎn)矩控制問題。

文獻(xiàn)[3]是著名的經(jīng)典教材，精辟地指出：同步電動機運行中存在瞬態(tài)擺振[4]現(xiàn)象。由此可見，自控式同步電動機不存在轉(zhuǎn)子失步問題[5]的說法，其實是與同步電機經(jīng)典理論沖突和矛盾的。

然而，恰是文獻(xiàn)[3]從第六版起增加了“轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩控制” 一章，第七版中的10.2.2節(jié)就是同步電動機的轉(zhuǎn)矩控制。實際上，同書第5章同步電機運行原理表明，同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是不可能人為調(diào)控的。

無刷直流電動機的早期文獻(xiàn)則說它由電動機本體、位置傳感器和電子換向線路所組成[6]。此說法才接近換向器式直流電動機的構(gòu)成情況。

1 換向器式直流電動機的構(gòu)成及電樞電流的形式

側(cè)視觀察直流電動機，可視為其包含前后兩段，前段是電刷和換向器，后段常稱作電機本體。

至于電樞電流究竟是直流還是交流？站在不同立場上觀察可得不同的認(rèn)識。

繞組元件處在轉(zhuǎn)動的電樞上，故元件電流實際是交變電流。但若從靜止的電刷上觀察轉(zhuǎn)動的電樞，由圖1表明兩電刷間構(gòu)成一對并聯(lián)支路，繞組元件輪流出入各條支路，則支路內(nèi)的繞組元件不斷替換，而支路電流卻顯示為直流。《電機學(xué)》就是按照支路電流為直流的觀點展開討論的。

圖1 直流電動機工作原理

2 基于交流觀點的直流電動機自控變頻原理

2.1自控變頻與電流相位自控

轉(zhuǎn)動的繞組元件每經(jīng)過一對磁極，元件電流交變一次。若繞組元件沿氣隙圓周每秒轉(zhuǎn)過ω電弧度，元件電流的角頻率ωs就等于ω，即ωs=ω。可見，電樞電流的角頻率ωs取決于電樞轉(zhuǎn)動的電角速度ω，符合自控變頻的含義。

圖2(a)繪出忽略換向電流的繞組元件電流波形。圖1中的元件a被電刷短路，表明該元件電流正在換向，若是直線換向，則換向電流的變化如圖2(b)所示。故元件a每經(jīng)過一對磁極，包括換向電流在內(nèi)的電流波形如圖2(c)所示是近似矩形的梯形波。

圖2 繞組元件電流波形

梯形波電流通過零值的瞬刻正是元件電流換向的瞬刻。梯形波電流相位控制的特點，就表現(xiàn)在對電流經(jīng)過零值之瞬刻的控制，亦即對換向瞬刻的控制。由于換向元件恰被電刷短路，所以換向發(fā)生的時刻必與電刷被放置的地點有關(guān)，也說明梯形波電流的相位是受電刷所在位置控制的。

《電機學(xué)》所說“電刷置于幾何中性線上”，是指電刷位于q軸上，并與d軸正交。梯形波電流的相位受電刷所在位置的控制實質(zhì)上反映受d軸位置的控制，即直流電動機中的電樞電流相位自控。

2.2氣隙磁場鉗位

若取基波電流分量分析電樞磁動勢沿氣隙的分布，電樞磁動勢的幅值位置必與那個繞組元件中梯形波電流的基波分量取得最大值相關(guān)。因為《電機學(xué)》已指出，如果對稱多相繞組中流過對稱多相正弦電流，則哪一相電流達(dá)到最大值，合成磁動勢的幅值就落在該相軸上。直流電動機的電樞繞組本是對稱多相繞組，每個繞組元件相當(dāng)于一相繞組，但繞組元件處在轉(zhuǎn)動的電樞上，故相軸處在轉(zhuǎn)動狀態(tài)之中。

如果電刷置于幾何中性線上，每當(dāng)繞組元件被電刷短路且元件電流經(jīng)過零值的瞬刻，該繞組元件的軸線必沿d軸方向。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過90°電角度之后，該繞組元件的軸線沿q軸方向時，元件電流中的基波分量恰達(dá)最大值。

由于電刷被固定地放在幾何中性線上，故無論對哪個繞組元件來說，凡當(dāng)相軸轉(zhuǎn)成與q軸方向一致時，該繞組元件中基波電流必抵最大值，于是，電樞磁動勢的軸線便恒久地落在q軸方向上。

電樞磁動勢的軸線始終與主磁極的d軸保持固定不變的空間交角，正是由于電樞電流相位自控的結(jié)果，這種態(tài)勢就稱為氣隙磁場鉗位效應(yīng)[7]。

2.3磁極d軸檢測

電樞電流相位自控的先決條件是須對主磁極d軸的位置及轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，主磁極位于定子便無需轉(zhuǎn)速檢測。電刷置于幾何中性線上的意思還表明怎樣放置電刷就涉及對主磁極d軸位置的檢測。電刷置于何處其實取決于刷座(又稱刷握盒)的所在位置，由于電動機運行中電刷需要更換而刷座不會更動，所以，在電動機出廠前將刷座對主磁極d軸的間隔距離調(diào)整好，刷座便起到檢測主磁極d軸位置的作用。

電流換向雖是由電刷執(zhí)行的，但換向機制——元件電流在刷座所在地點實現(xiàn)換向的機制，卻屬于電機本體的運行機制，說明刷座屬于電機本體所具有的器件。

既然換向還須依靠電刷執(zhí)行，檢測磁極d軸的刷座當(dāng)然應(yīng)是含有電刷的“帶刷之刷座”(這也解釋了為什么早期設(shè)計的磁極位置檢測器總是帶有可直接執(zhí)行電流相位自控的功能)。可見電刷不僅僅只與換向器組成旋轉(zhuǎn)逆變器，并且還依其所在位置執(zhí)行換向的任務(wù)，表明電刷兼具雙重功能。正是電刷的第二項功能，才使電刷-換向器這個旋轉(zhuǎn)逆變器成為自控逆變器的。

3 直流電動機無換向器化引起電機格局的改變

無換向器電動機的電機本體須由靜止變頻器饋電，考慮到供電的安全可靠，就應(yīng)將電樞安置在定子上，即采取反裝式直流電動機的構(gòu)造。隨著電刷-換向器被取代，換向極已不需要了，而在轉(zhuǎn)子磁極之間也難容納補償繞組，尤其是電樞改取三相繞組之后，轉(zhuǎn)極式的電機本體在結(jié)構(gòu)上就極像同步電動機了。

既然饋電方式和電機格局有所改變，“帶刷之刷座”亦須加以改造，發(fā)展成為結(jié)構(gòu)上相對復(fù)雜些的磁極位置檢測器。然而，刷座本是電機本體所具有的器件，毫無疑問，無換向器電動機中磁極位置檢測器理應(yīng)也屬于電機本體的組成部分。換句話說，電機本體應(yīng)是由電樞、主磁極和磁極位置檢測器三單元所組成。

4 電機本體與同步電動機的區(qū)別

同步電動機是無需用器件或措施對磁極d軸進(jìn)行檢測的電機，故在運行中必定存在瞬態(tài)擺振。瞬態(tài)擺振是描述同步電動機運行機制的典型實例。

在同步電動機上介入磁極d軸檢測(包括檢測d軸位置、轉(zhuǎn)速)的器件或措施，就會徹底改變其原來的運行機制，轉(zhuǎn)成按照直流電動機的自控變頻機制來運行。自控變頻同步電動機能夠消除失步與振蕩的說法，其實已違背了同步電動機的運行機制。實際上，介入磁極d軸檢測的同步電動機已被改造成電機本體了。

電機本體必定具備磁極d軸檢測器件或措施以及相應(yīng)功能。正是憑借磁極位置檢測器執(zhí)行的電樞電流相位自控，電機本體內(nèi)產(chǎn)生氣隙磁場鉗位效應(yīng)，才是消除失步與振蕩的根本原因。

可見，目前電機界普遍認(rèn)為無換向器電動機由靜止變頻器、同步電動機和磁極位置檢測器三部分組成的觀點值得商榷。這里的“同步電動機”已與磁極位置檢測器緊密結(jié)成一體而為電機本體，所以，無換向器電動機是由靜止變頻器和電機本體兩部分組成的電動機系統(tǒng)。該電動機系統(tǒng)中因有電機本體才使靜止變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)樽钥刈冾l器的，除此之外，其他電動機系統(tǒng)中的靜止變頻器皆為他控變頻器。

由電機本體與靜止式自控變頻器組成的電動機系統(tǒng)，可能沒有“直流”環(huán)節(jié)，但其畢竟屬于直流電動機的派生型式，故其為廣義直流電動機[7]。

5 正弦交流情況下的自控變頻運行機制

5.1正弦交流相位自控與氣隙磁場鉗位

三相繞組中若是流過三相方波電流，電樞磁動勢是步進(jìn)式跳躍前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁動勢，致使電磁轉(zhuǎn)矩起伏波動，電動機性能不如換向器式直流電動機。三相繞組中只有流過三相正弦電流，才能產(chǎn)生勻速而連續(xù)轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)磁動勢, 獲得平穩(wěn)無波動的電磁轉(zhuǎn)矩。

利用電子元件組成的靜止逆變器可以對輸出電流的波形進(jìn)行調(diào)制，從方波中取出基波，成為輸出正弦波電流的靜止逆變器。這是電刷-換向器這種旋轉(zhuǎn)逆變器辦不到的。

三相對稱正弦電流的表達(dá)式為

式中:θ——A相電流ia的相位角。

式(1)表明，ib和ic總是分別比ia滯后120°和240°，所以一般來說，控制一相電流(例如ia)的相位角θ，便可同時控制三相電流的相位。

θ=ωst+α，其中，初相角α又是個定值，這說明正弦交流的相位自控是與自控變頻密切相關(guān)的：只要電樞電流的角頻率ωs受到轉(zhuǎn)子d軸轉(zhuǎn)動的電角速度ω所控制，那么，ia的相位角θ將隨時受到d軸相對于A相軸的空間交角θ所控制。

此外，在正弦三相電流情況下，電樞電流的相位與旋轉(zhuǎn)磁動勢的空間位置關(guān)系也甚明朗。從《電機學(xué)》可知，當(dāng)某相正弦電流達(dá)到正最大值時，合成旋轉(zhuǎn)磁動勢的幅值就到達(dá)該相軸的位置上。因此，倘若某相電流的相位受到恒定磁動勢d軸所控制，那么，電樞磁動勢的幅值位置也必定受d軸位置所鉗制，即產(chǎn)生氣隙磁場鉗位效應(yīng)。所以，在正弦三相電流條件下，電樞電流相位自控與氣隙磁場鉗位的關(guān)系十分明確。

5.2電磁轉(zhuǎn)矩可控性取決于氣隙磁場鉗位

文獻(xiàn)[3]在第4章旋轉(zhuǎn)電機概述中已給出按磁場觀點導(dǎo)出的多極電機電磁轉(zhuǎn)矩通用公式：

式中: 負(fù)號——T作用在使轉(zhuǎn)子加速的方向上；

k——常數(shù)；

Fs、Fr——定子和轉(zhuǎn)子磁動勢的幅值；

δsr——定、轉(zhuǎn)子磁動勢軸線間的空間夾角。

對于有一方為恒定磁動勢的同步電動機和電機本體而言，只有電機本體內(nèi)才存在氣隙磁場鉗位效應(yīng)，致使δsr成為定值。在此條件下，倘若恒定磁動勢的幅值Fr保持不變，則式(2)中僅有唯一的變量Fs，故調(diào)節(jié)電樞電流就能控制電磁轉(zhuǎn)矩。

5.3矢量控制是實現(xiàn)正弦交流相位自控的措施

矢量控制應(yīng)用在具有恒定磁動勢的電機上，實際上就是將電樞磁動勢空間矢量鉗制在q軸上，強制產(chǎn)生氣隙磁場鉗位效應(yīng)，也就是對電樞正弦交流執(zhí)行相位自控的具體措施。

在電機本體上應(yīng)用矢量控制，最簡單的方案是按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制。它是借助abc-dq0坐標(biāo)變換，將正弦三相交流ia、ib、ic變換成兩軸直流id和iq,然后在磁場定向控制器中限制id=0，這一步正是具體執(zhí)行電樞電流相位自控，于是，調(diào)節(jié)iq就能像直流電動機那樣控制電磁轉(zhuǎn)矩了。

文獻(xiàn)[3]中所述對同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩加以控制，就是應(yīng)用矢量控制的所謂“同步電動機轉(zhuǎn)矩控制”。既然其已指出裝有磁極位置檢測器，便是對電機本體的轉(zhuǎn)矩控制。文中卻未闡述磁極位置檢測器所發(fā)揮的電樞電流相位自控作用，整番論述與同步電動機的運行機制完全矛盾。

6 直流電動機無換向器化的繼續(xù)發(fā)展

6.1電刷-換向器開創(chuàng)變頻技術(shù)和自控技術(shù)的先河

原始的直流電機本是單極電機，并沒有換向器。近代換向器式直流電機的問世也帶來了技術(shù)上的重大創(chuàng)舉，不僅開發(fā)了整流及逆變技術(shù)，而且電刷-換向器還是自控逆變器，它的應(yīng)用也開創(chuàng)了變頻技術(shù)和電流相位自控技術(shù)的先河。

6.2磁極位置檢測器件或方式的改革演變

由“帶刷之刷座”演進(jìn)的磁極位置檢測器也并非是一成不變的東西，其也在不斷地更新與發(fā)展。無換向器電動機只要求磁極位置檢測器輸出3個脈沖信號，用以觸發(fā)6個電子開關(guān)元件輪流導(dǎo)通，所以，相對來說結(jié)構(gòu)上還是比較簡單的。正弦交流的電機本體就要求磁極位置檢測器輸出正弦交變的控制信號，像光電編碼器那樣的磁極位置檢測器結(jié)構(gòu)上就相當(dāng)復(fù)雜了。

矢量控制的廣義直流電動機，電機本體上所連接的旋轉(zhuǎn)變壓器僅用以檢測轉(zhuǎn)子d軸的位置角，而電樞電流相位自控并非由旋轉(zhuǎn)變壓器直接執(zhí)行，而是發(fā)展了的磁極位置檢測器。

當(dāng)前，對無傳感器(sensorless)自控技術(shù)的研究相當(dāng)活躍，所謂“無傳感器”無非是不使用具體的檢測器件，但仍需要檢測磁極d軸以實現(xiàn)頻率和相位的自控。換句話說，雖然沒有具體的器件，但相關(guān)功能與效果還是需要和存在的。

6.3電力電子器件發(fā)展帶來的改變

同步電動機的電樞采取三相繞組是為了配合電網(wǎng)的三相輸電。電機本體是由靜止變頻器饋電的，所以在電樞相數(shù)的選擇上便有靈活的余地。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，如今將靜止變頻器的輸出端做成多相的已非難事。電樞采取多相繞組的好處是：即使相電流的波形為方波，也既能改善電樞磁動勢的分布波形又能使電樞磁動勢趨于勻速而連續(xù)地轉(zhuǎn)動，就與三相繞組通入三相正弦電流有著相似的效果，但對磁極位置檢測器卻無須再苛求它輸出正弦交變的控制信號了。

6.4計算機控制技術(shù)促進(jìn)廣義直流電動機蓬勃發(fā)展

直流電動機向無換向器化的發(fā)展與計算機控制技術(shù)的進(jìn)步關(guān)系更密。如今，不僅靜止變頻器可用新穎的電力電子器件來裝備，而且還可運用先進(jìn)的計算機控制技術(shù)開發(fā)新穎的自控變頻器。但是值得指出，現(xiàn)成而獨立的自控變頻器是不存在的，因而也不可能設(shè)想把同步電動機接到現(xiàn)成的自控變頻器上構(gòu)成同步電動機調(diào)速系統(tǒng)[8-9]，實際上這里同步電動機必須配備磁極d軸檢測已經(jīng)轉(zhuǎn)變運行機制了。舉直接轉(zhuǎn)矩控制為例，它原是對電壓型逆變器與感應(yīng)電動機作為整體進(jìn)行控制的一項技術(shù)，若將直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用于具有恒定磁動勢的電動機上，那么，原系他控性質(zhì)的電壓型逆變器必定轉(zhuǎn)變成自控逆變器，而對電動機必須作磁極d軸位置與轉(zhuǎn)速的檢測，因而該電動機就不是同步電動機而是電機本體了。

盡管變頻器技術(shù)和計算機控制技術(shù)不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，但終究總是遵循直流電動機的自控變頻運行機制而發(fā)展。所以萬變不離其宗，其都是直流電動機發(fā)展的產(chǎn)物，而不是同步電動機的新發(fā)展或新型式。

7 結(jié) 語

人們致力于改革換向器式直流電動機的研究，并不意味著直流電動機已經(jīng)走到了盡頭。可是，文獻(xiàn)[10]卻把無換向器電動機編進(jìn)了同步電動機那一章，等于宣告直流電動機沒有發(fā)展前景了，顯然是不對的。

換向器式直流電動機具有自控變頻的運行機制是屬于交流電機的特征，無非因為接在直流電源上運行而得名并且沿襲至今。直流電動機無換向器化是用靜止變頻器取代電刷-換向器的發(fā)展，卻明顯形成了電動機系統(tǒng)，而且整個電動機系統(tǒng)既可接至直流電源上亦可接至三相交流電源上運行，所以其應(yīng)是廣義直流電動機。

[1] WOODSON H H, MELCHER J R. 機電動力學(xué) 第一卷 離散系統(tǒng)[M].華中工學(xué)院電機教研室,譯.北京:機械工業(yè)出版社,1982.

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[6] 葉金虎,徐思海,張頡明,等.無刷直流電動機[M].北京:科學(xué)出版社,1982.

[7] 童鐘良.自控變頻“同步電動機”系統(tǒng)實為廣義直流電動機[J].電機與控制應(yīng)用,2015,42(11): 31-35.

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[9] 袁登科,徐延?xùn)|,李秀濤.永磁同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2015.

[10] 唐任遠(yuǎn),顧國彪,秦和,等.中國電氣工程大典第9卷電機工程[M].北京:中國電力出版社,2008.

OutcomeofDevelopmentonDCMotorlessCommutatorGeneralizedDCMotorRatherthanSynchronousMotor

TONGZhongliang

(School of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620, China)

The operational mechanism of DC motor with self-controlled frequency was explained at first. Sense on polard-axis was a prerequisite for self-controlled phase of armature current. Reform and evolution of the position sensor may be regarded as a mark of development on DC motor less commutator. The commutatorless motor was the forerunning of the development on DC motor less commutator. The successor was the motor system with self-controlled frequency consisted of the motor-body with sinusoidal current, including application of the transvector control technique. Sense on position and speed of polard-axis in order to self-control the phase of armature current or voltage with the help of computer-assisted controlling technique may be developed hereafter. It would gave an impetus to progress towards deepened development on DC motor less commutator. However, the outcome of development becomes of the generalized dc motor rather than synchronous motor.

DCmotor;motor-body;senseonpolard-axis;self-controlledfrequency;self-controlledphase;fieldclampedeffectinairgap

童鐘良(1937—)，男，副教授，研究方向為電機原理與理論。

TM 351

A

1673-6540(2017)11- 0095- 05

2017 -01 -20