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直流电动机中的箝位效应——兼论无刷直流电动机之实质

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:894


   摘要:尤刷直流电动机的出现,使得直流电动机与同步电动机的区别变得模糊了。直流电动机和同步电动机的关键,在于电枢磁动势与直流励磁的磁极之间存在着不同的特定关系。直流电动机中电枢磁动势的轴线位置是由电刷位置决定的,电刷具有箝位的功能。发生在直流电动机内的自控变频作用也是箝位效应的直接结果,直流电动机的优良控制性能与箝位效应的存在密切相关。同步电动机只有接至恒频电源才能稳定运转,同步电动机的特征是功角容易变动,在运行中经常出现转子失步,这与它不存在箝位效应有关。无刷直流电动机中的位置传感器代替了电刷的箝位功能,使得其电机本体内同样存在着箝位效应,它完全没有同步电动机的性能行为。

l混淆同步电动机和直流电动机的起因

   无刷直流电动机以及一度被称为无换向器电动机系统,都是基于直流电动机而发展起来的新技术。实际上它们仅仅从结构卜把机械形式的换向器和电刷组件改造成用电子技术装备的组件,而换向器、电刷的功能并末消失,尤其是电刷具有的箝位功能被完整地保存下来了,这些电机系统的工作原理、特性以及调速方式与直流电动机一样。然而,又因为上述电机系统中的电机本体,其基本结构特征类似于同步电机,以至后来人们就把无换向器电动机纳入了自控式变频调速的同步电动机之列,并且以为同步电动机有时也可以呈现直流电动机的特征,这样,有关同步电动机的概念和认识就被严重地混淆了。

   直流电动机和同步电动机的相同之处是都具有直流励磁的磁极,前者比后者无非足多了一套换向器、电刷组件。同步电动机的电枢绕组多为三相交流绕组,可以直接与交流电源连接,而直流电动机的电枢绕组需要通过换向器、电刷跟直流电源连接。所以人们根据直流与交流电源的不同自然而然地将直流电动机和同步电动机分成两种电机,甚至片面认为直流电动机上的换向器具有标志性的特色,有时还强调直流电动机亦可称为直流换向器电动机。自从无换向器电动机出现后,由于电机本体可以不经由电刷通导直流而直接接至变频电源运行,于是便以为其电机本体就和同步电动机都属于同步电动机了。

   其实,无论是直流电动机还是同步电动机,它们的电枢磁动势都是由交变电流所激励的旋转磁动势,稳定运行时,电枢磁动势对直流励磁的磁极总是保持相对静止的。这两种电动机的运行分析都涉及电枢反应问题,亦即须讨论由不同的励磁源所产生的磁场之间存在的特定关系。直流电动机和同步电动机形成两类电机的关键,正在于电机稳定运行时电枢磁动势与磁极磁场之间虽然都是保持相对静止的,却仍存在着不同的特定关系。

2比较同步电动机与直流电动机的电枢反应

  图1外转子永磁同步电动机  

以一台外转子永磁同步电动机举例说明,如图l所示。定子(在内部)上有△接的电枢三相绕组,ia、ib、ic为正弦对称三相电流,井假设t=0时ia取最大值Im。电枢磁动势空间矢量Fabc由三个单相脉振磁动势所合成,后者用分别位于A、B、C相轴上的三个相轴矢量来描述。令定子复数坐标的实轴与A相轴重合,则 式中:N为每相绕组有效串联匝数。上式表明,电枢磁动势空间矢量Fabc在定子复数坐标中是以电流的角频率ω连续匀速转动的。

   电枢反应可以借助坐标变换的方法来分析。选取置于转子上随转子以角速度ω转动的d、q坐标系,由于ia+ib+ic=0,变换到d、q坐标系的两轴电流id和iq为: (2)式中:θ是d轴对A相轴的交角,θ=ωt+γ;γ为初瞬交角,由于t=0时刻Fabc到达A相轴上,γ可以反映Fa对d轴的初瞬交角。将正弦对称三相电流ia、ib、ic代人式(2)得: (3)

   电枢磁动势空间矢量在d、q坐标系中表示为Fdq它对d轴的交角以λ表示: (4)式中:λ=γ=定值,表明电枢磁动势相对于永磁磁极并不转动,但λ值取决于初瞬交角γ的大小。实际运行中的同步电动机,其初瞬交角γ的大小与功角δ及功率因数角φ有关,这表明同步电动机的电枢反应与负载情况相关,同步电动机在不同的负载下有不同的电枢反应。

   图2绘出一台电枢为三相绕组的永磁直流电动

 图3  阶梯矩形波三相交变电流

   图2电枢三相绕组的直流电动机机。由于电枢绕组经过电刷与直流电源连接,迫使各相绕组中只能出现如图3所示的阶梯矩形波交变电流,其表达式如下: (5)式中:Im是流经电刷的直流电流之 。参变量k与时间t有关,即:   及ω分别是阶梯波电流交变的周期和角频率。图2中的电枢绕组结构与与图l中的相同。不管电流波形怎样,各相脉振磁动势仍分别为Nia、Nib、Nic,电枢磁动势空间矢量Fabc与三个相轴矢量的关系仍与式(1)的关系一样:  (6)须指出,由于电枢在转子上,故上式是对应转子复数坐标系写出的。式(6)表明,Fabc在转子复数坐标系中虽不是连续旋转的却也是随时间有所变动的空间矢量,它的变动方式是跳跃式地步进移动。Fabc在每周期T内步进六次,而在每 时间间隔内静止不动。

   图2中的电枢是以转速n沿顺时针方向转动的。选取置于定子永磁磁极上的d、q坐标系,它相对于电枢则沿逆时针方向转动,角速度为ω= 。从图2中还可以看出,t=0时d轴比A相轴超前60°电角度(与式(5)中ia的初相位角有关),故式(2)变换矩阵中的θ=ωt+60°,经坐标变换后的两轴电流id和iq分别为: (7)电枢磁动势空间矢量在定子d、q坐标系的表示为: (8)式中:λ= 。它表明,无论在哪个时间间隔段内,λ都被限制在一60°~一120°之间(负号表示电枢磁动势空间矢量滞后于d轴),这说明在各个时间间隔段内,电枢磁动势空间矢量都有60°范围的摆动,但其平均状态则反映出Fdq落在q轴的反方向上,乃属于交轴电枢反应。关键在于λ不再与负载情况相关,所以在不同负载情况下电枢反应的性质是相同的。

3直流电动机中电刷的箝位功能

   直流电动机中A受到上述限制表明:电枢磁动势空问矢量受到了d轴的约束,也就是电枢磁动势的轴线位置受到了永磁磁极轴线位置的牵制。尽管在上例中Fdq尚有60°范围的摆动,但随着△接法的闭合电枢绕组内相数增加(即增加闭合绕组的抽头数一换向片数),Fdq摆动范围就会缩小,倘若相数相当多,Fdq就会被箝制在dq轴上几乎不呈现摆动,这就是说,电枢磁动势的轴线受到直流励磁磁极轴线对它的箝制。这种箝制效应是由于电枢绕组通过电刷导电造成的,在直流电动机中,电刷通常位于几何中性线上,即电刷轴线通常也在dq轴上且与直流励磁的磁极轴线保持正交,所以电刷能够反映并指示磁极轴线所在的位置。我们可以说坐落在dq轴上的电枢磁动势轴线的位置是由电刷位置决定的,也可说成它受到了电刷的箝制,可见直流电动机中的电刷还具有箝位的功能。电刷的箝位效应对直流电动机来说具有极为重要的意义,直流电动机的优良控制性能与电刷的箝位效应密切相关。

   在一般情况下,交流电机的电磁转矩总是与不同励磁源所产生磁场的轴线之间的空间夹角即转矩角的正弦函数成正比的。对直流电动机来说,由于电刷的箝位效应,使得电枢磁动势轴线与直流励磁的磁极轴线之间的空间夹角成为定值而不受负载改变的影响,转矩角的正弦函数便取定值。于是,直流电动机的电磁转矩便只是磁极的每极磁通量及电枢电流大小两个变量的函数。如果磁极的每极磁通量不变,那么电磁转矩便是单一自变量即电枢电流大小的函数,他励直流电动机的优点之一,就是控制电枢电流容易调节电磁转矩。

   图2中的电刷位置决定着电枢电流发生换向的地点,从式(5)和图3也可以看出,电刷位置实际上还决定着各相电枢电流的相位情况,说明电刷对于电枢电流的相位情况同样起着箝位作用。另一方面,电枢绕组内的运动反电动势相位情况则是由直流励磁磁极轴线位置决定的,这样一来,电枢电流与反电动势之间的相位差也受到了电刷的箝制而保持不变,当电刷置于几何中性线上时,电枢电流就与反电动势相位一致。如果外施直流电压维持不变,增大电枢电流只能引起反电动势的量值稍微减少,从而导致转速略微下降,这就是他励直流电动机的机械特性为负斜率直线的道理,他励直流电动机的另一优点就是控制外施电压,容易调速。

4无箝位措施的电动机之运行条件及行为特征

   图1的同步电动机不存在箝位效应,唯有以恒频电源馈电才能稳定地运转。哪怕把它置于转速开环控制的变频调速系统内,同步电动机的稳定运转状态也只能在恒频馈电时出现,变频调速过程只不过是系统的暂态。频率一旦调变,同步电动机的转子因具有机械惯性总是先发生失步,然后经过振荡,转子转速才能达到与新的电枢磁动势转速一致。所以同步电动机理应属于恒频恒速的电动机,它以具有恒速的机械特性作为标志。

   同步电动机的电磁转矩是功角δ的函数,负载增减必然会引起功角的变化,从而影响式(4)中初瞬交角γ的取值。在恒频馈电条件下,电机内气隙合成磁场的转速总是恒定不变的,增减功角必须先经过转子失步,然后发生转速振荡,振荡衰减后才恢复稳态。可见同步电动机与电源频率恒定、转子经常发生失步以及功角容易变动等特征密切相关。

   电刷的箝位作用还使直流电动机中电枢磁动势的转速恒等于转子转速(在实际直流电动机中,两者转向相反。倘若将磁极置于转子上,那么电刷必须也达到转子转速),即电枢电流的频率受到本电机的转子转速所支配,这种现象就是自控变频,而自控变频作用乃是箝位效应的直接结果。电动机运行在自控变频条件下不会出现振荡,因为转子转速若有变更,电枢磁动势的转速也紧跟着改变,所以转子不会失步,当然也不会发生振荡。说明转子的机械惯性在这里不起造成转子失步与振荡的作用。

5取消电刷但仍保留箝位措施的电动机

   无刷直流电动机是借助位置传感器代替原直流电动机中的电刷继续执行箝位任务的。这种电机常将永磁磁极安置在转子上,所以位置传感器也须置于转子上才能反映永磁磁极轴线的位置。位置传感器的任务是控制电枢电流的相位。这里电枢绕组大多做成三相绕组,利用位置传感器的输出信号控制逆变桥内电子开关元件的通断,使得电枢绕组中的电流在一周期内按六拍方式轮流导通,逆变器便输出矩形交变电流.电枢磁动势呈跳跃式步进移动,电磁转矩的波动比较大。如欲获得平稳的电磁转矩,就应使电枢磁动势的轴线相对于永磁磁极的轴线箝制在固定位置上,增加电枢绕组的相数固然可以实现此目标,但在实践中有许多困难,一种行之有效的办法就是通过自控变频的正弦波脉宽调制交直交电压型变频器对电枢绕组馈电(相当于图l中令γ取不随负载改变的固定值)。在这种情况下,是将

位置传感器的输出信号送至驱动控制器以产生一组三相对称的正弦控制波,正弦控制波的调制周期和相位则是由位置传感器输出信号来决定的,即:它的调制周期取决于电动机的转子转速,它的相位能反映任意时刻永磁磁极轴线对电枢三相绕组轴线的交角。在驱动控制器中,各相正弦控制波与三角形载波比较之后,输出三相脉冲信号来控制逆变桥上电力晶体管的通断。这样控制正弦波电枢电流相位就能够箝住电枢磁动势的轴线位置,还使能电枢电流的频率受到电动机的转子转速支配,达到自控变频的目标。由于位置传感器的箝制作用,使得电枢磁动势轴线与永磁磁极轴线之间的夹角保持不变,电动机就表现出直流电动机的特征和优良的控制性能。位置传感器的存在使变频器实现自控变频,转子就不会发生失步,电机中没有易变的功角,运行时就不会振荡,所以它并不存在同步电动机的特征。

6无刷直流电动机是交流箝位电动机

   无刷直流电动机是由变频器馈电且须配置位置传感器的一种永磁交流电动机系统。电枢绕组既然直接接至变频器,当然它已不足直流电动机了,又由于系统中有位置传感器,说明它仅仅是形式上的无刷而非功能方面的(即非实质性的)无刷,可见即使是指系统,“无刷直流电动机”的称呼也很不合理。还有一种说法,把具有梯形波反电动势的电动机称作无刷直流电动机,而把具有正弦波反电动势的电动机称作永磁同步电动机,也是值得商榷的。直流电动机实质上是箝位电机,而同步电动机是无箝位电机,所以在电机本体内同样存在着箝位效应的无刷直流电动机系统实质上应是交流箝位电动机。

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