童鐘良

(上海工程技術大學，上海 201620)

0 引言

廣義直流電動機是指超越傳統(tǒng)直流電動機觀念但又具有直流電動機性能特征的電動機。傳統(tǒng)直流電動機是指包括電刷、換向器在內的全體零部件裝入同一機座內，整機可以直接接至直流電源上運轉的電動機。

過去，電動機按照電源輸出形式分成直流電動機和交流電動機，但隨著電機的發(fā)展人們發(fā)現(xiàn)以交、直流劃分電動機存在許多矛盾。由于現(xiàn)代電機中沿氣隙圓周磁場極性都是成對出現(xiàn)的，至少也有一對極，所以電樞線圈中感應電動勢都是交變的。用這個觀點看問題，現(xiàn)代電機其實都是交流電機［1］。直流電機無非是電樞通過換向器和電刷與直流電源連接。作發(fā)電機運行時換向器和電刷充當整流器，作電動機運行時換向器和電刷便是具有自控變頻功能的逆變器。

直流電機上的換向器在運行中難免產生火花。這限制了直流電動機的應用范圍，也一直困擾著它的發(fā)展。開發(fā)無換向器電動機的研究早從上世紀中葉就已開始。用電子器件取代電刷和換向器本是一項技術措施，它是不可能改變直流電動機基本作用原理的。然而，在無換向器電動機出現(xiàn)之后，人們竟說它是新式的同步電動機。此后，電氣傳動技術的研究者們再把同步電動機置入自控變頻的調速系統(tǒng)中運行，發(fā)現(xiàn)該電動機系統(tǒng)的性能具有直流電動機的特征。這本該是意料之中的事，因為直流電動機本來就是在電樞前置納入機座內的、具有自控變頻功能的逆變器所構成。但是，電氣傳動界人士卻持不同的見解，認為上述實踐說明現(xiàn)今的同步電動機性能已經出現(xiàn)了新特征，并認為這是同步電動機的新發(fā)展。

直流電動機革除電刷、換向器但仍保留自控變頻措施是否轉變?yōu)樽钥刈冾l同步電動機了?這是電工界當前存在爭議的一個問題［2］。同步電動機的本性是運行中存在失步問題。至于直流電動機，如果認為唯有整機接至直流電源運行的才算直流電動機這是狹義的觀念，因為直流電動機的基本特征是存在氣隙磁場箝位效應［3］。從直流電動機上取消電刷和換向器留下的電機本體雖然結構外型很像同步電動機，但只要其前置電路上保留自控變頻措施就必定在電機本體內存在氣隙磁場箝位效應。因此，應當拓展觀念把包括前置電路在內的電動機系統(tǒng)視為廣義直流電動機。建立這樣的概念便容易理解無換向器電動機不存在失步問題，所以不是同步電動機。

1 直流電動機和同步電動機中，轉速與頻率之間不同的依從關系

直流電動機以電刷和換向器作逆變器，逆變后的電樞交變電流頻率取決于轉子的轉速，可見電刷和換向器是自控變頻的逆變器。相比之下，同步電動機內電樞交變電流的頻率只能由電源頻率來決定。至于電源的頻率又憑什么來決定或者受什么因素所支配?這已不是同步電動機運行中表現(xiàn)行為的問題了(如下所述，而是直流電動機運行中的表現(xiàn)行為)。

對直流電動機而言，轉子轉速一旦變動，電樞電流頻率必能立即響應，因為改變頻率不受慣性之影響。而對同步電動機來說，電樞旋轉磁動勢的轉速取決于電源的頻率(在《電機學》中，旋轉磁動勢的這個轉速稱為同步轉速)。如果電源頻率經常主動地變化，由于轉子具有轉動慣量，轉子轉速是不可能立即響應的，即轉速變化在時間上必有滯后。這將使同步電動機經常會處于非同步狀態(tài)。因此，同步電動機只有接在恒頻電源上才能持久地穩(wěn)定運行。即使提及他控變頻電源，當電源頻率被調定之后，在相當長一段時間內，他控變頻電源其實也是恒頻饋電的，而接在該電源上的同步電動機也只在這段時間內才能穩(wěn)定運行。若電源頻率非主動變化——隨著接在該電源上的電動機轉速變動而變化，那么，這種變頻電源肯定只能向唯一的電動機饋電，這種“一對一”的饋電方式即使變頻電源很顯眼——沒有納入機座內卻無異于設置在直流電動機機座內的自控變頻逆變器。所以電源頻率若非主動變化的話，對所接電動機而言，問題就轉到直流電動機的自控變頻方式上去了。

歸納以上所說，直流電動機在運行中總是由于轉子轉速的變動引起電樞電流頻率的改變，而同步電動機在運行中則以電樞電流頻率恒定(或變化)決定轉子轉速之恒定(或變動)。可見在這兩類電動機中，轉速與頻率之間存在著截然相反的依從關系。

2 同步電機的失步現(xiàn)象

在自控變頻同步電動機及其調速系統(tǒng)的許多文獻中，常提到它不存在失步問題，而《電機學》里卻很難見到“失步”一詞。按理說，講解從發(fā)電機狀態(tài)過渡到電動機狀態(tài)本是逐漸地依次先失步之后恢復原速再失步的典型實例，可是這里也沒有“失步”的說法。就以國內在不同時期出版的3本有代表性的《電機學》為例，文獻［4］中只說“逐步減少發(fā)電機的輸入功率，轉子將減速，功角也將減少”。至于轉子減速后又如何?沒有下文交代。文獻［5］中也是這樣。文獻［6］中說:“如果減少發(fā)電機的輸入功率，功角也要減少”。這里未提轉子減速，后文卻又指出“但是，他們之間仍然保持著同步速的關系”。不提失步說法實難使讀者對同步電機的本性能有深刻的印象。

同步電動機負載不變時處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，這時定、轉子兩側磁動勢的轉速相同，該轉速即上述同步速。同步一詞在《電機學》中定義為:以電角度計的轉速與頻率相同［5］。由于電流的頻率與磁動勢的轉速密切相關而且物理背景一樣，所以這里所指轉速相同也符合“同步”的詞意。但是，換一個視角觀察，同步電動機穩(wěn)定運行時，在氣隙圓周上旋轉著的定、轉子兩側磁動勢還保持相對靜止，從而維持兩側磁動勢軸線之間的位置差不變。此位置差常稱為轉矩角，轉矩角不變表明兩側磁動勢的軸線處于一種齊步的狀態(tài)。從相量圖上觀察，齊步狀態(tài)表現(xiàn)為感應電動勢相量Eo對端電壓相量U保持相對靜止且功角大小不變。

當同步電動機由恒頻、恒壓的電源饋電時，電磁轉矩是功角的正弦函數(shù)。負載一旦變動使得轉矩平衡遭破壞，同步電動機就須改變功角大小來調節(jié)電磁轉矩。功角改變時電動機內轉子直軸與氣隙合成磁場軸線兩者的轉速就會稍有差異。從相量圖上反映，相量Eo必須對相量U產生一點相對移動才能改變功角的大小。而相量本是轉動的有向線段，也就是說這時要求兩相量的轉速應當有所差異。但是，在恒頻電源饋電的情況下，由于氣隙合成磁場以及相量U總是以同步速恒速旋轉的，而相量Eo的轉速則代表轉子直軸的轉動角速度，所以為了改變功角的大小，轉子的轉速必須有所改變——不再以同步速轉動了。

負載變動總是客觀存在的，但是變動有大小之分。同步電動機倘遇負載大變動，功角就會發(fā)生360°循環(huán)性的大變化，這時轉子轉速很可能脫離同步速而轉為非同步轉速，這種情況才稱為失去同步。轉子失去同步后是不會恢復同步速的。

如果負載變動不大，功角就只需稍微調節(jié)一點就行，轉子轉速也僅須產生一點微變。這種情況下，相量Eo就在原先與相量U保持齊步狀態(tài)的基礎上出現(xiàn)一點極微的相對移動，也表明旋轉著的轉子直軸與氣隙合成磁場軸線會出現(xiàn)一點極微的相對移動，這種極微的相對移動才叫失步。同步電動機失步時轉子轉速稍有微變，但失步的主要意義則在于使磁場或相量發(fā)生相對移動以調節(jié)功角，功角調節(jié)之后轉子尚能很快恢復同步速以保證同步電動機繼續(xù)穩(wěn)定運行。值得指出，定、轉子兩側磁動勢恢復相同轉速(即“同步”)是指恢復原速。此時雖也恢復保持相對靜止(指“齊步”)，但因功角經歷了調節(jié)，轉矩角亦已有所改變，所以恢復后的齊步狀態(tài)便與原先有所不同，說明恢復齊步與恢復同步有所不同，即轉矩角及功角是多值的，而同步速則是唯一的。即使在他控變頻電源情況下，當頻率被調定之后同步電動機穩(wěn)定運行時，同步速雖調節(jié)為另一值卻仍是保持不變的唯一值。穩(wěn)定運行的同步電動機出現(xiàn)失步并不意味著轉入暫態(tài)而是仍然處于穩(wěn)態(tài)運行之中，所以失步不會導致失去同步，也說明失步與失去同步不是一回事，更不能把失步解釋成失去同步的簡稱。

穩(wěn)定運行的同步電動機只當負載不變時轉子才以同步速作同步運轉，一旦遇到負載波動轉子就會出現(xiàn)失步現(xiàn)象。并且，只要電動機的電磁轉矩是通過改變功角來調節(jié)的，失步現(xiàn)象就不可避免。同步電動機的一切運行性能特征，包括靜態(tài)穩(wěn)定、振蕩等等，都是因為轉子會發(fā)生失步、轉矩角及功角可以變動所引起，可見存在失步現(xiàn)象乃是同步電動機的稟性。

3 直流電動機中存在氣隙磁場箝位

在直流電機的電樞上，兩個電刷之間的支路是由交替更換的繞組元件所構成，說明支路處于一種動態(tài)。而繞組元件中流過矩形波的交變電流也是一種動態(tài)。這兩個動態(tài)因素疊加使得支路電流表觀上似為直流，從而使人們以為不僅電刷上流過直流，而且直流電機的電樞電流也是直流。于是，直流電機的分析就顯得較為簡單，但是簡單的直流電機工作原理卻未能揭示電動機為何具有優(yōu)良控制性能的原因。

實際上，直流電動機的電樞在轉動，氣隙中靜止的電樞磁動勢其實對電樞鐵心是反向旋轉的，其轉速等于電樞鐵心(即轉子)的轉速，無非兩者轉向相反。既然電刷不動，所以電樞電流的頻率由換向器的轉速決定，換句話說，是受轉子轉速控制的。這就是直流電動機中的自控變頻原理。

電樞磁動勢是氣隙圓周上的分布函數(shù)。當磁動勢旋轉時，它的幅值位置(又稱軸線位置)怎樣確定?旋轉磁動勢倘由正弦交流產生，那末，哪一相電流達到最大值，磁動勢幅值就到達該相繞組軸線位置上，說明它是由多相正弦交流的相位狀況來決定的。今直流電動機內繞組元件彼此串連，整個電樞繞組構成閉路(猶如三相繞組采取Δ接法一般)。只有當電刷觸及換向片(即繞組元件的端頭)之后，電樞繞組上才構成支路，所以電刷充當著支路的端頭。如前所述，當電樞轉動時，支路電流表觀上是直流，電刷成為正向直流支路和負向直流支路的交匯點，使得電樞磁動勢的軸線就在電刷位置上。既然電刷不動，那末電樞磁動勢就呈靜止狀態(tài)，而其實卻是轉動的電樞鐵心及其上反向轉動的電樞旋轉磁動勢這兩個運動因素的疊加。

主磁極軸線稱為直軸，電刷若置于幾何中性線上就是處于交軸，所以電樞磁動勢的軸線位置在交軸上。直流電動機中這種空間關系是確定不變的，正是根據直軸規(guī)定了交軸所在，再參照交軸位置放置上電刷，所以說直軸箝制了電樞磁動勢的軸線位置，這就是直流電動機氣隙中的磁場箝位效應。氣隙磁場箝位的主要意義在于使轉矩角成為固定值，其表現(xiàn)雖與轉矩角不變時的齊步狀態(tài)一樣。但齊步可能轉為失步，所以轉矩角可以改變是多值的，而氣隙磁場箝位是不會改變的，這便是氣隙磁場箝位與齊步的重要區(qū)別。

直流電動機因為將主磁極固定了，所以氣隙磁場箝位表現(xiàn)為靜態(tài)。如果討論反裝式直流電動機，就會顯示普遍情況下的氣隙磁場箝位，即轉子上的主磁極倘若可按任意速度轉動的話，電樞磁動勢的轉速將緊跟主磁極的轉速而變，兩者便顯示同速轉動。此“同速轉動”雖也符合“同步”的詞意，但其中轉速與頻率之間的依從關系卻與同步電動機中相反。況且這里不存在唯一的同步速，即所謂的“同步速”變成多值的，氣隙磁場箝位后轉子絕對不會失步。所以，哪怕氣隙磁場箝位表現(xiàn)成同速轉動，也不能把反裝式直流電動機視為同步電動機，更不是什么“自同步”的同步電動機。在反裝式直流電動機中可明顯察覺電樞磁動勢是旋轉的，它與主磁極同速轉動是因為由電刷之轉速決定的電樞電流頻率也是受主磁極轉速控制的，說明氣隙磁場箝位與電樞電流自控變頻是同樣物理性質分別在氣隙磁場和電路上的兩種表現(xiàn)。

電機電磁轉矩的通用公式表明，交流電機的電磁轉矩都是由定、轉子兩側磁動勢的大小及轉矩角的正弦函數(shù)這三個因數(shù)的乘積所決定。直流電動機中氣隙磁場箝位使得轉矩角成為定值，于是電磁轉矩大小就與正弦函數(shù)無關。如果勵磁電流一定，電磁轉矩大小就只取決于電樞電流的大小。直流電動機的一切優(yōu)良性能皆因存在氣隙磁場箝位而不是由直流電源饋電的緣故。

4 廣義直流電動機的原型

直流電動機的電源裝置現(xiàn)今都是晶閘管整流器。并聯(lián)地接在整流器之輸出端上的多臺直流電動機皆以其機座內的電刷和換向器構成各自的自控變頻逆變器。

由晶閘管整流器-逆變器組成的電源裝置一般是他控變頻電源，他控變頻電源可以同時對并聯(lián)的多臺交流電動機饋電。電機本體接至他控變頻電源運行會出現(xiàn)失步現(xiàn)象而顯示同步電動機的稟性，所以只有接在他控變頻電源上運行的電機本體才真是同步電動機。

電源裝置如果同樣是由晶閘管整流器-逆變器組成，但若接在該電源上的電機本體帶有磁極位置檢測功能且能控制逆變器的輸出頻率，這樣一臺自控變頻電源就只能向唯一的電機本體饋電。前已指出，這種“一對一”的饋電方式無異于晶閘管整流器向某臺直流電動機饋電的情況，這個裝置系統(tǒng)就是無換向器電動機。

由整流器-逆變器組成的電源裝置因為包含整流環(huán)節(jié)，所以變頻電源的輸出波形為矩形波。一般來說，矩形波是周期性時間或空間函數(shù)，它可以分解成富氏級數(shù)，必要時可取其中的基波分量作定性分析?；娏骺捎孟嗔棵枋?，基波磁場也可用空間矢量描述，所以無論是討論電流還是討論氣隙磁場，矩形波交流電動機與正弦波交流電動機并不存在本質上的差別。

無換向器電動機是靠配置了磁極位置檢測器來實施自控變頻的。但與直流電動機稍有不同，直流電動機當電刷置于幾何中性線上時轉矩角被箝成90°電角度;而無換向器電動機若將空載換流超前角設定為0°時轉矩角卻在120°～60°范圍內擺動，其平均值才是90°電角度。但無論如何，與同步電動機存在失步現(xiàn)象的稟性比較，無換向器電動機的轉矩角畢竟是受到直軸箝制了，所以才顯現(xiàn)直流電動機的性能。應該認為，無換向器電動機雖是交流電動機卻系直流電動機的新發(fā)展，所以并非同步電動機而是廣義直流電動機。

無換向器電動機的轉矩角存在擺動的原因，是因為電樞采用三相繞組，并且變頻電源的輸出波形為矩形波的緣故。倘若允許電樞繞組采納很多相數(shù)，或者，電樞仍為三相繞組但變頻電源輸出正弦波交流的話，這種進一步發(fā)展的無換向器電動機，氣隙磁場箝位就能和直流電動機表現(xiàn)得一樣了。

5 廣義直流電動機的發(fā)展

電動機如果由輸出正弦波的變頻電源饋電，倘若還要自控變頻，那末磁極位置檢測器的構造就會相當復雜。這成了無換向器電動機進一步發(fā)展的瓶頸，但也啟示我們有必要重新思考和認識磁極位置檢測器的功能及其結構。對電機本體采取矢量變換控制，其思路就是參照直流電動機存在氣隙磁場箝位的原理提出來的。

正弦分布的電樞旋轉磁動勢若用轉動的空間矢量來描述，那末，空間矢量所在位置就是磁動勢幅值所在位置。前面講過，氣隙中的分布磁動勢如果是由正弦波電流所激勵，其幅值位置取決于三相電流之相位狀況。反之，如果先給定幅值位置——即先知道空間矢量所在，也可以由此確定三相電流之相位狀況。

采取矢量變換控制的話，磁極位置檢測器只需給出電機本體內的直軸相對于電樞繞組軸線之間的夾角信息就夠了，這可使磁極位置檢測器的構造簡單許多。

矢量變換控制亦名磁場定向控制，其原理就是根據從磁極位置檢測器傳來的夾角信息(即參照電機本體內直軸所在位置)。先在處于電機本體之外的控制環(huán)節(jié)中，在控制環(huán)節(jié)里的二相坐標系上，明確空間矢量的指定位置，例如，取 d-q坐標系，并且再令 id=0，便能指定空間矢量在q軸上了。然后，再在控制環(huán)節(jié)中采取二相-三相坐標變換，以明確對稱三相電流應取的相位。如此控制著向電機本體饋電的電流相位，就能在電機本體內實施直軸對電樞旋轉磁動勢軸線位置的箝制了。

值得提醒的是，盡管在介紹矢量變換控制原理時未提及自控變頻，但是，只要電流的相位受控那么饋電的頻率也必受直軸轉速所控制［7］，所以也是一種自控變頻。與直流電動機相比，直流電動機中是依據直軸束縛著電刷位置，而這里是參照直軸來箝制對稱多相電流的相位，效果同樣都是產生氣隙磁場箝位，所以電機本體必呈直流電動機的性能特征。實施矢量變換控制的電機本體，同樣消除了失步現(xiàn)象，不再具備同步電動機的稟性，無疑已不是同步電動機。固執(zhí)地認為它仍為同步電動機的觀點是過分強調電機本體的表觀構造而不追究其內在性質的一種偏見。實際上，實施矢量變換控制的電機本體就是無換向器電動機的進一步發(fā)展，也是廣義直流電動機。

6 結語

1)失步和氣隙磁場箝位是性質對立的、分別標志著兩個類型電動機的運行表現(xiàn)行為。存在失步乃同步電動機的稟性，直流電動機具有氣隙磁場箝位的特征。

2)直流電動機其實也是交流電機。用交流電機的眼光觀察，感應電動機、同步電動機以及直流電動機包括廣義直流電動機仍是主要的三大基本類型的電動機。

3)無換向器電動機是不存在失步問題的交流電動機。它起源于直流電動機，并未脫離直流電動機存在氣隙磁場箝位的作用原理，所以理應回歸直流電動機類型，它是廣義直流電動機的原型。

4)電機本體若由他控變頻電源饋電，這才是同步電動機的變頻調速方案。電機本體若由自控變頻電源饋電就不是同步電動機，因為出現(xiàn)氣隙磁場箝位已使電機本體內氣隙磁場的特征發(fā)生了實質性的變化。廣義直流電動機是指由自控變頻電源與電機本體組成的電動機系統(tǒng)，可稱為箝位電動機。

5)直流電動機上的電刷和換向器是原始的自控變頻逆變器。自從將它移出電機之外改置自控變頻電源之后，就開創(chuàng)了電機的自控變頻技術蓬勃發(fā)展的新局面。矢量變換控制的誕生就是其中一例，矢量變換控制乃是氣隙磁場箝位原理的新實踐。

［1］童鐘良.從交流電樞的視角更新對直流電動機的認識［J］.上海大中型電機，2010(4):19-22.

［2］唐任遠，顧國彪，秦和，等主編.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，2008:4.

［3］童鐘良.“自控變頻同步電機”系統(tǒng)中的交流電機是箝位電動機［J］.電機與控制應用，2008(6):5-7.

［4］許實章主編.電機學下冊(修訂本)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1990:219.

［5］李發(fā)海，朱東起.電機學(4版)［M］.北京:科學出版社，2007:167-299.

［6］章名濤主編.電機學下冊［M］.北京:科學出版社，1964:528-529.

［7］童鐘良.以電樞電流相位受控的觀念闡明直流電動機原理［J］.電機與控制應用，2009增刊:1-5.