交直流电机的本质分类.docx

交直流电机的本质分类前言：在特斯拉创立交流供电方法前，所有的工业用电都是基于直流电的。从1820年奥斯特发现了电流磁效应后的10~20年迅速产生了实用化的以直流电源供电的电机。另外，由于蓄电池天然的以直流的方式放电，更方便工程师把电机布置在脱离电网的可移动设备上，所以直流驱动的电动汽车在内燃机发明之前的1830年代就出现了。1888年特斯拉发明了实用化的交流电机，从此交直流电机并存以各自的优势一直服务于人类的工业生产及生活中。20世纪50年代以后，随着永磁技术磁通密度的突破，全控性电力电子半导体器件的出现，电子计算机技术的进步，电机控制进入计算器控制的逆变器时代。直到现在，虽然电机本身，供电电源，控制方法等技术已经发生了很大的变化并且还在进步，但是在命名方式上还是还没有摒弃传统的称呼，也没有办法摒弃。这对学习电机及控制的人们带来迷惑。本文的目的是揭开这些表面上五花八门的称呼而探究电机的本质。限于篇幅，我们只研究常见的以交流，直流命名的电机，不研究磁阻等特殊电机。传统命名法：电机技术演变过程：仍旧沿用历史上的命名和区分方式，我们从电机拓扑结构，控制方法，供电电源三方面来分析。如下表-1到3表-1 电机拓扑结构分类1950年代前1950年代1970年代（逆变器时代）~-永磁体技术突破电力电子器件+计算机技术直流有刷直流电励磁电机有刷直流永磁电机无刷直流电机交流交流同步电励磁电机交流同步永磁电机×交流异步电机××说明： ×表示无变化，沿用从前方法，下同。实际上无论直流或交流电机，本质上都是交流的。因为电机转动时，电枢电流的方向总是在交替变化。机械换向的作用就是在电机转子每次转过180度电角度时，自然的改变电机内部电枢电流的方向。而交流电机供电电源本身就周期性的改变方便，就省去了换向器。实际上在电励磁之前就有了永磁电机（19世纪），只是那时的永磁体磁通密度太小，无法满足工业级大扭矩需求，迅速的被电励磁取代（1867年，西门子对发电机提出了重大改进，不用磁铁(8P永久磁铁)，而用电磁铁，这样可使磁力增强，产生强大的电流）。表-2 电机控制方法分类1950年代前1950年代1970年代（逆变器时代）~-永磁体技术突破电力电子器件+计算机技术直流机械换向×电子换向交流交流电源换向×电子换向机械换向就是有刷（电刷）式的，电子换向不需要电刷。表-3 电机供电电源分类1950年代前1950年代1970年代（逆变器时代）~-永磁体技术突破电力电子器件+计算机技术直流直流×直流-交流交流交流×（交流电网）-直流-交流逆变器的革命逆变器可以将直流电源转换成任意波形（梯形波，正弦波，矩形波，三角波等）的电压。在前端配合整流器的逆变器，可以将任意输入波形的电压转换成理想输出波形。可以说，逆变器技术彻底改变了电机的供电方式，控制方法，及电机本身的设计方法。如图-1所示：无论什么类型的电机，都可以借助逆变器用直流电供电。这对于必须携带电池的移动设备（如电动汽车）非常有利。电机设计工程师可以专注于电机内部磁场，电枢电流更接近于理论模型。而不在乎进入电机绕组电流的方式（交给控制工程师）。控制工程师专注于如何借助电子计算机技术控制逆变器将直流电逆变成电机运动需要的模型，从而充分发挥电机的扭矩，转速，效率等性能。直流电源逆变器电机控制器图-1 逆变器时代的电机控制方法逆变器时代的下的电机分类如下表-4所示，我们发现PMSM和BLDC的差别仅仅是气隙磁场分布或反电势波形。而它的名字并不体现这个差别，作为电机控制领域的工程师必须要清楚这个本质上异同，而不能仅从名字上找差异。表-4 逆变器时代的下的电机励磁来源定转子步调励磁方式反电势波形气隙磁场分布传统称呼感应励磁异步感应正弦波正弦交流异步电机外部励磁同步永磁正弦波正弦永磁同步电机PMSM梯形波均匀直流无刷电机BLDC绕组暂不研究小结在当今逆变器时代，传统的以供电电源方式分类的电机命名方法（直流~，交流~）已经不能体现其驱动方式的特征在当今逆变器时代，进入电机的电流都是交流的，这也更体现电机的本质。直流无刷电机实质上已经由交流供电，“直流”只是历史名称的延续。1