直流電動機(jī)中的箝位效應(yīng)——兼論無刷直流電動機(jī)之實(shí)質(zhì)
童鐘良
(上海工程技術(shù)大學(xué)，上海200336)
摘要：無刷直流電動機(jī)的出現(xiàn)，使得直流電動機(jī)與同步電動機(jī)的區(qū)別變得模糊了.直流電動機(jī)和同步電動機(jī)的關(guān)鍵，在于電樞磁動勢與直流勵磁的磁極之間存在著不同的特定關(guān)系一直流電動機(jī)中電樞磁動勢的軸線位置是由電刷位置決定的，電刷具有箝位的功能。發(fā)牛在直流電動機(jī)內(nèi)的自控變頻作用也是箝位效應(yīng)的直接結(jié)果，直流電動機(jī)的優(yōu)良控制性能與箝位效應(yīng)的存在密切相關(guān)。同步電動機(jī)只有接至叵頻電源才能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，同步電動機(jī)的特征是功角容易變動，在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)子失步，這與它不存在箝位效應(yīng)有關(guān)。尢刷直流電動機(jī)巾的位置傳感器代替了電刷的箝位功能，使得其電機(jī)本體內(nèi)同樣存在著箝位效應(yīng)，它完全沒有同步電動機(jī)的性能行為：
關(guān)鍵詞：直流電動機(jī)；同步電動機(jī)；箝位；交流箝位電動機(jī)
中圖分類號：TM33；TM34l 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)12—0059一04
1混淆同步電動機(jī)和直流電動機(jī)的起因
無刷直流電動機(jī)以及一度被稱為無換向器電動機(jī)系統(tǒng)，都是基于直流電動機(jī)而發(fā)展起來的新技術(shù)。實(shí)際上它們僅僅從結(jié)構(gòu)上把機(jī)械形式的換向器和電刷組件改造成用電子技術(shù)裝備的組件，而換向器、電刷的功能并未消失，尤其是電刷具有的箝位功能被完整地保存下來了，這些電機(jī)系統(tǒng)的工作原理、特性以及調(diào)速方式與直流電動機(jī)一樣。然而，又因?yàn)樯鲜鲭姍C(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)本體，其基本結(jié)構(gòu)特征類似于同步電機(jī)，以至后來人們就把無換向器電動機(jī)納入了白控式變頻調(diào)速的同步電動機(jī)之列，并且以為同步電動機(jī)有時也可以呈現(xiàn)直流電動機(jī)的特征，這樣，有關(guān)同步電動機(jī)的概念和認(rèn)識就被嚴(yán)重地混淆了。
直流電動機(jī)和同步電動機(jī)的相同之處是都具有直流勵磁的磁極，前者比后者無非是多了一套換向器、電刷組件。同步電動機(jī)的電樞繞組多為三相交流繞組，可以直接與交流電源連接，而直流電動機(jī)的電樞繞組需要通過換向器、電刷跟直流電源連接：所以人們根據(jù)直流與交流電源的不同自然而然地將直流電動機(jī)和同步電動機(jī)分成兩種電機(jī)，甚至片面認(rèn)為直流電動機(jī)E的換向器具有標(biāo)志性的特色，有時還強(qiáng)調(diào)直流電動機(jī)亦可稱為直流換向器電動機(jī)。自從無換向器電動機(jī)出現(xiàn)后，由于電機(jī)本體可以不經(jīng)由電刷通導(dǎo)直流而直接接至變頻電源運(yùn)行，于是便以為其電機(jī)本體就和同步電動機(jī)都屬于同步電動機(jī)了。
其實(shí)，無論是直流電動機(jī)還是同步電動機(jī)，它們的電樞磁動勢都是由交變電流所激勵的旋轉(zhuǎn)磁動勢，穩(wěn)定運(yùn)行時，電樞磁動勢對直流勵磁的磁極總是保持相對靜止的。這兩種電動機(jī)的運(yùn)行分析都涉及電樞反應(yīng)問題，亦即須討論由不同的勵磁源所產(chǎn)生的磁場之間存在的特定關(guān)系[1]。直流電動機(jī)和同步電動機(jī)形成兩類電機(jī)的關(guān)鍵，正在于電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時電樞磁動勢與磁極磁場之間雖然都是保持相對靜止的，卻仍存在著不同的特定關(guān)系。
2比較同步電動機(jī)與直流電動機(jī)的電樞反應(yīng)
以一臺外轉(zhuǎn)子永磁同步電動機(jī)舉例說明，如圖l所示。定子(在內(nèi)部)上有△接的電樞三相繞組，
i a、i b、i c為正弦對稱三相電流，并假設(shè)t=O時i a取****值I m。電樞磁動勢空間矢量F abc由三個單相脈振磁動勢所合成，后者用分別位于A、B、c相軸上的三個相軸矢量 [2]來描述。令定子復(fù)數(shù)坐標(biāo)的實(shí)軸與A相軸重合，則  式中：N為每相繞組有效串聯(lián)匝數(shù)。上式表明，電樞磁動勢空問矢量F abc在定子復(fù)數(shù)坐標(biāo)中是以電流的角頻率ω連續(xù)勻速轉(zhuǎn)動的： 電樞反應(yīng)可以借助坐標(biāo)變換的方法來分析。選取置于轉(zhuǎn)子上隨轉(zhuǎn)子以角速度ω轉(zhuǎn)動的d、q坐標(biāo)系，由于i a+i b+i c=O，變換到d、q坐標(biāo)系的兩軸電流i d和i q為：  式中：θ是d軸對A相軸的交角，θ=ωt+y；y為初瞬交角，由于t=0時刻Fabc到達(dá)A相軸上，y可以反映Fabc對d軸的初瞬交角。將正弦對稱三相電流ia、ib、ic代人式(2)得：
電樞磁動勢空間矢量在d、q坐標(biāo)系中表示為Fdq，它對d軸的交角以λ表示：
式中：λ=y=定值，表明電樞磁動勢相對于永磁磁極并不轉(zhuǎn)動，但λ值取決于初瞬交角y的大小。實(shí)際運(yùn)行中的同步電動機(jī)，其初瞬交角y的大小與功角δ及功率因數(shù)角φ有關(guān)，這表明同步電動機(jī)的電樞反應(yīng)與負(fù)載情況相關(guān)，同步電動機(jī)在不同的負(fù)載下有不同的電樞反應(yīng)。
圖2繪出一臺電樞為三相繞組的永磁直流電動
機(jī)。由于電樞繞組經(jīng)過電刷與直流電源連接，迫使各相繞組中只能出現(xiàn)如圖3所示的階梯矩形波交變
式中：I m是流經(jīng)電刷的直流電流之2/3。參變量k與時間t有關(guān)，即：  及ω分別是階梯波電流交變的周期和角頻率。圖2中的電樞繞組結(jié)構(gòu)與與圖l中的相同。不管電流波形怎樣，各相脈振磁動勢仍分別為Nia、Nib、Nic,電樞磁動勢空間矢量Fabc與三個相軸矢量的關(guān)系仍與式(1)的關(guān)系一樣：
須指出，由于電樞在轉(zhuǎn)子上，故上式是對應(yīng)轉(zhuǎn)子復(fù)數(shù)坐標(biāo)系寫出的。式(6)表明，F(xiàn)abc在轉(zhuǎn)子復(fù)數(shù)坐標(biāo)系中雖不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的卻也是隨時間有所變動的空間矢量，它的變動方式是跳躍式地步進(jìn)移動。Fabc在每周期T內(nèi)步進(jìn)六次，而在每T/6時間間隔內(nèi)靜止不動。
圖2中的電樞是以轉(zhuǎn)速n沿順時針方向轉(zhuǎn)動的。選取置于定子永磁磁極上的d、0坐標(biāo)系，它相對于電樞則沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，角速度為ω=  從圖2中還可以看出，t=O時d軸比A相軸超前60。電角度(與式(5)中ia的初相位角有關(guān))，故式(2)變換矩陣中的θ=ωt十60。，經(jīng)坐標(biāo)變換后的兩軸電流id和iq分別為：
式中：  它表明，無論在哪個時間間隔段內(nèi)，λ都被限制在-60 。～-120 。之間(負(fù)號表示電樞磁動勢空間矢量滯后于d軸)，這說明在各個時間間隔段內(nèi)，電樞磁動勢空間矢量都有60 。圍的擺動，但其平均狀態(tài)則反映出Fdq落在q軸的反方向上，乃屬于交軸電樞反應(yīng)。關(guān)鍵在于λ不再與負(fù)載情況相關(guān)，所以在不同負(fù)載情況下電樞反應(yīng)的性質(zhì)是相同的。 3直流電動機(jī)中電刷的箝位功能
直流電動機(jī)中λ受到上述限制表明：電樞磁動勢空間矢量受到了d軸的約束，也就是電樞磁動勢的軸線位置受到了永磁磁極軸線位置的牽制。盡管在上例中Fdq尚有60。范圍的擺動，但隨著△接法的閉合電樞繞組內(nèi)相數(shù)增加(即增加閉合繞組的抽頭數(shù)一換向片數(shù))，F(xiàn)dq擺動范圍就會縮小，倘若相數(shù)相當(dāng)多，F(xiàn)dq就會被箝制在q軸上幾乎不呈現(xiàn)擺動，這就是說，電樞磁動勢的軸線受到直流勵磁磁極軸線對它的箝制。這種箝制效應(yīng)是由于電樞繞組通過電刷導(dǎo)電造成的，在直流電動機(jī)中，電刷通常位于幾何中性線上，即電刷軸線通常也在q軸上且與直流勵磁的磁極軸線保持正交，所以電刷能夠反映并指示磁極軸線所在的位置。我們可以說坐落在q軸上的電樞磁動勢軸線的位置是由電刷位置決定的，也可說成它受到r電刷的箝制，可見直流電動機(jī)中的電刷還具有箝位的功能。電刷的箝位效應(yīng)對直流電動機(jī)來說具有極為重要的意義，直流電動機(jī)的優(yōu)良控制性能與電刷的箝位效應(yīng)密切相關(guān)。
在一般情況下，交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩總是與不同勵磁源所產(chǎn)生磁場的軸線之間的空間夾角即轉(zhuǎn)矩角的正弦函數(shù)成正比的[3]。對直流電動機(jī)來說，由于電刷的箝位效應(yīng)，使得電樞磁動勢軸線與直流勵磁的磁極軸線之間的空間夾角成為定值而不受負(fù)載改變的影響，轉(zhuǎn)矩角的正弦函數(shù)便取定值。于是，直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩便只是磁極的每極磁通量及電樞電流大小兩個變量的函數(shù)。如果磁極的每極磁通量不變，那么電磁轉(zhuǎn)矩便是單一自變量即電樞電流大小的函數(shù)，他勵直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一，就是控制電樞電流容易調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩。
圖2中的電刷位置決定著電樞電流發(fā)生換向的地點(diǎn)，從式(5)和圖3也可以看出，電刷位置實(shí)際上還決定著各相電樞電流的相位情況，說明電刷對于電樞電流的相位情況同樣起著箝位作用。另一方面，電樞繞組內(nèi)的運(yùn)動反電動勢相位情況則是由直流勵磁磁極軸線位置決定的，這樣一來，電樞電流與反電動勢之間的相位差也受到了電刷的箝制而保持不變，當(dāng)電刷置于幾何中性線上時，電樞電流就與反電動勢相位一致。如果外施直流電壓維持不變，增大電樞電流只能引起反電動勢的量值稍微減少，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速略微下降，這就是他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性為負(fù)斜率直線的道理，他勵直流電動機(jī)的另一優(yōu)點(diǎn)就是控制外施電壓，容易調(diào)速。
4無箝位措施的電動機(jī)之運(yùn)行條件及行為特征
圖l的同步電動機(jī)不存在箝位效應(yīng)，唯有以恒頻電源饋電才能穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。哪怕把它置于轉(zhuǎn)速開環(huán)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)，同步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)也只能在恒頻饋電時出現(xiàn)，變頻調(diào)速過程只不過是系統(tǒng)的暫態(tài)。頻率一旦調(diào)變，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子因具有機(jī)械慣性總是先發(fā)生失步，然后經(jīng)過振蕩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速才能達(dá)到與新的電樞磁動勢轉(zhuǎn)速一致。所以同步電動機(jī)理應(yīng)屬于恒頻恒速的電動機(jī)，它以具有恒速的機(jī)械特性作為標(biāo)志。
同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是功角δ的函數(shù)，負(fù)載增減必然會引起功角的變化，從而影響式(4)中初瞬交焦y的取值。在恒頻饋電條件下，電機(jī)內(nèi)氣隙合成磁場的轉(zhuǎn)速總是恒定不變的，增減功角必須先經(jīng)過轉(zhuǎn)子失步，然后發(fā)生轉(zhuǎn)速振蕩，振蕩衰減后才恢復(fù)穩(wěn)態(tài)�？梢娡诫妱訖C(jī)與電源頻率恒定、轉(zhuǎn)子經(jīng)常發(fā)生失步以及功角容易變動等特征密切相關(guān)。
電刷的箝位作用還使直流電動機(jī)中電樞磁動勢的轉(zhuǎn)速恒等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(在實(shí)際直流電動機(jī)中，兩者轉(zhuǎn)向相反。倘若將磁極置于轉(zhuǎn)子上，那么電刷必須也達(dá)到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速)，即電樞電流的頻率受到本電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速所支配，這種現(xiàn)象就是自控變頻，而自控變頻作用乃是箝位效應(yīng)的直接結(jié)果。電動機(jī)運(yùn)行在自控變頻條件下不會出現(xiàn)振蕩，因?yàn)檗D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速若有變更，電樞磁動勢的轉(zhuǎn)速也緊跟著改變，所以轉(zhuǎn)子不會失步，當(dāng)然也不會發(fā)生振蕩。說明轉(zhuǎn)子的機(jī)械慣性在這里不起造成轉(zhuǎn)子失步與振蕩的作用。
5取消電刷但仍保留箝位措施的電動機(jī)
無刷直流電動機(jī)是借助位囂傳感器代替原直流電動機(jī)中的電刷繼續(xù)執(zhí)行箝位任務(wù)的。這種電機(jī)常將永磁磁極安置在轉(zhuǎn)子上，所以位置傳感器也須置于轉(zhuǎn)子上才能反映永磁磁極軸線的位置。位置傳感器的任務(wù)是控制電樞電流的相位。這里電樞繞組大多做成三相繞組，利用位置傳感器的輸出信號控制逆變橋內(nèi)電子開關(guān)元件的通斷，使得電樞繞組中的電流在一周期內(nèi)按六拍方式輪流導(dǎo)通，逆變器便輸出矩形交變電流，電樞磁動勢呈跳躍式步進(jìn)移動，電磁轉(zhuǎn)矩的波動比較大。如欲獲得平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩，就應(yīng)使電樞磁動勢的軸線相對于永磁磁極的軸線箝制在固定位置上，增加電樞繞組的相數(shù)固然可以實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，但在實(shí)踐中有許多困難。一種行之有效的辦法就是通過自控變頻的正弦波脈寬調(diào)制交直交電壓型變頻器對電樞繞組饋電(相當(dāng)于圖1中令y取不隨負(fù)載改變的固定值)。在這種情況下，是將位置傳感器的輸出信號送至驅(qū)動控制器以產(chǎn)生一組三相對稱的正弦控制波，正弦控制波的調(diào)制周期和相位則是由位置傳感器輸出信號來決定的，即：它的調(diào)制周期取決于電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，它的相位能反映任意時刻永磁磁極軸線對電樞三相繞組軸線的交角。在驅(qū)動控制器中，各相正弦控制波與三角形載波比較之后，輸出三相脈沖信號來控制逆變橋上電力晶體管的通斷。這樣控制正弦波電樞電流相位就能夠箝住電樞磁動勢的軸線位置，還使能電樞電流的頻率受到電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速支配，達(dá)到自控變頻的目標(biāo)。由于位置傳感器的箝制作用，使得電樞磁動勢軸線與永磁磁極軸線之間的夾角保持不變，電動機(jī)就表現(xiàn)出直流電動機(jī)的特征和優(yōu)良的控制性能。位置傳感器的存在使變頻器實(shí)現(xiàn)白控變頻，轉(zhuǎn)子就不會發(fā)生失步，電機(jī)中沒有易變的功角，運(yùn)行時就不會振蕩，所以它并不存在同步電動機(jī)的特征。
6無刷直流電動機(jī)是交流箝位電動機(jī)
無刷直流電動機(jī)是由變頻器饋電且須配置位置傳感器的一種永磁交流電動機(jī)系統(tǒng)。電樞繞組既然直接接至變頻器，當(dāng)然它已不是直流電動機(jī)了，又由于系統(tǒng)中有位置傳感器，說明它僅僅是形式上的無刷而非功能方面的(即非實(shí)質(zhì)性的)無刷，可見即使是指系統(tǒng)，“無刷直流電動機(jī)”的稱呼也很不合理。還有一種說法，把具有梯形波反電動勢的電動機(jī)稱作無刷直流電動機(jī)，而把具有正弦波反電動勢的電動機(jī)稱作永磁同步電動機(jī)，也是值得商榷的。直流電動機(jī)實(shí)質(zhì)上是箝位電機(jī)，而同步電動機(jī)是無箝位電機(jī)，所以在電機(jī)本體內(nèi)同樣存在著箝位效應(yīng)的無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上應(yīng)是交流箝位電動機(jī)。
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