一种三相制电子换向直流电动机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种三相制电子换向直流电动机。
【背景技术】
[0002] 在传统的电动机中，直流电动机虽然调速性能好，但碍于其机械整流器的结构复 杂，造价高，负载大时会产生火花，容量受限，可靠性也受影响。而交流电动机结构简单，造 价低廉，使用可靠，颇受用户青睐，虽然也有多种交流调速方法，可是除变压变频调速外，其 他方法的调速性能都不理想，调速范围不宽，效率不高，一直难与直流调速系统相抗衡。变 压变频调速虽有较好的性能，但传统的调速装置是变频机组，设备比较复杂，难以推广。这 些都是传统电动机应用中一直存在的问题。
[0003] 随着时代的前进，生产机械的实际需要不断发展，对电动机调速技术的要求愈来 愈高，如调速范围、精度、实时性、可靠性以及性价比等等，都在日益增长，所有这些要求都 期待着新的调速与控制技术的诞生。
[0004] 20世纪60年代，出现了电力电子功率器件，从而开发出晶闸管可控整流器，更新 了直流调速装置，继而又研制出电力电子变频器，逐渐改变交流电动机调速技术的面貌。从 此，应用电动机的电气传动系统进入一个崭新的时代。上世纪70年代以来，随着微电子技 术（特别是微处理器）的迅速进步，以及计算机控制技术的普及，开发了各种高性能交流调 速系统的控制器，逐步实现了交流调速取代直流调速的局面，小到家电，大到乳钢机等领域 几乎都是如此。面对这种实际情况，电气工程技术界的同仁必须对交、直流两种电动机的运 行方式，从理论上进行深入细致地分析研究，在实践上提出新的调速方法，才能适应这一新 的局面。
[0005] 在现代交流调速技术中，主要是以旋转磁场和坐标变换为理论基础，建立交流电 动机的动态数学模型，提出了矢量控制、直接转矩控制等控制方法。此外，还仿照直流电动 机的形式研制出了"无刷直流电动机"。至于直流调速的应用，虽然在很大范围内被淘汰，似 乎已经奄奄一息，但是只要仔细分析一下直流电动机的结构，就可发现，直流电动机的主要 问题一一整流器还是可以改造的，可以用电子整流器来替代机械整流器，完全可以取得同 样良好的调速性能。不但如此，甚至可以将交、直流电动机的调速方法进行组合，得到既使 用交流电动机的简单结构，又使采用直流调速技术中的直接调压方法，获得优良的调速品 质。所有这一切，在现代电力电子技术、电子信息技术发达的今天，利用各种技术的交叉组 合，构成一个优良品质的电动机调速系统己非难事。
[0006] 本发明就是这种背景下，设法将传统直流电动机的机械换向器去掉，改成使用电 力电子器件和微处理器相结合的电子换向器，构成名为电子换向直流电动机的新机种，由 于电动机定子为三相星接式绕组，故取各为三相制电子换向直流电动机。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种三相制电子换向直流电动机，在充分发挥出电子换向直 流电动机的调速优点的前提下，又能降低其造价，提高稳定性，从而克服现有技术的不足。
[0008] 改造的方法是：应用三相制同步电动机作基础，电源使用可控直流电压，经电力电 子的三相全控桥式逆变器使用特定的SVPWM技术向电动机供电，在电动机的调速线路上， 采用在直流侧控制直流电压、直流电流达到控制电动机转速的目的，即全直流型控制，构成 新的电子换向的直流电动机调速系统称之为三相制电子换向的直流电动机。
[0009] 本发明对电子换向器直流电动机进行根本改造，首先引入如下概念：
[0010] 首先，在这里我们对m多相绕组的定义特加一点说明，仿照传统直流电动机电枢 绕组的接线形式，即环形封闭式绕组来进行接线，只不过把它改到定子上去，以便与静止的 逆变器相连接。这样的环形封闭式绕组，由于它是通过m个换向片（连接到m个单绕组） 來进行换向的，所以，可以被认为是一个"多相"绕组。这种由m个换向片来分割的环行封 闭式多相绕组，与一个槽一相的多相星接开启式绕组在结构上是完全相同的，前者虽然也 是多相换接，但它在每次换接后的工作中，并不是让换进来的线圈承受全相电压，而是让它 和其它上次和前面几次已经换进来工作过的多个线圈串联工作，并和其它几条支路共同以 并联形式承受直流电压（线电压），自然，一个线圈承受的电压就小得多，而且，每个线圈 并非次次换向，它从换向进入到支路以后，一直工作下去，直到该支路中所有线圈都换过一 遍、它也被换出后，它的换向才算完成，再准备下一次换向，并不是第二个元件一来换向第 一个元件就被换出，这是和一槽一相多相星接开启式多相绕组不同的地方，这是传统直流 机绕组结构特别之处。因此，为明确概念，我们不妨将开启式多相绕组定名为"独立多相绕 组"，表明它是一个单独的实体多线圈绕组，在换向时是独立承受相压的，而将封闭绕组中 单个元件进行换向的情况定名为"非独立多相绕组"，表明它在每次换向时是不独立的，而 是和其它线圈串联起来工作，不独立承受直流电压，只承受部份分压。由于整套闭式绕组确 实在一个电周有m个线圈被换向，这就和m相独立绕组被分别换向的工作情况十分类似，只 不过它们换向时是去参加另一组线圈的工作而已。m相的"独立多相绕组"，经过2m个逆变 元件，送入m相电流，便会形成依相序方向旋转的磁场。而在一个电周有m个线圈被依次换 向，而换向圈卷位置又依次向前的封闭绕组，它每换向一次，就使所串联线圈所产生的塔式 阶梯形磁场向前移动一步，这样，每个极面下的全距塔式阶梯形波，磁通就会因一个线圈换 进、一个换出而不断进行，从而形成对定子内沿而言按一定方向旋转的磁场，即以塔式阶梯 波形式前进的旋转的磁场，具体的波形图如图1所示，其（正弦基波的）效果和三相绕组形 成的旋转的磁场完全等效。
[0011] 塔式阶梯形波可以分解成基波和多个高次谐波，其中以基波为主，高次（主要是3 次）可以采用短距、多槽等办法来加以抑制。由于上述两种旋转磁场完全是等效的，即"独 立多相绕组"是利用多相电流的变化使磁场旋转，而"非独立多相绕组"是利用直流电流的 依次换向来使磁场旋转，异曲同工。于是，利用电子换向器我们将直流电动机等值成一台多 相交流电动机。
[0012] 所以，以后再提到多相和多相绕组，都是指"非独立多相绕组"。因为，它才具有实 用价值，虽然所用换向元件是相当多，不过，以后可以设法将它们减少到最低程度。
[0013] "非独立多相绕组"与"独立多相绕组"有一点是相同的，那就是它们的换向元件 都是2m = 2Zi，正因为如此，我们才称它们都是"多相绕组"，相数都为m，其意义有一定的 转折，这和电机学中对相的定义确有一定差别，这是为以后分析电子换向器式直流电动机 时的需要而为，请读者注意这一特殊的约定。还有一点要说明，如果要想获得圆形的旋转磁 场，"独立多相绕组"就必须外加 m相对称电压，在实际中这一点比较难于实行，例如要求增 多电动机接线抽头以获得多相绕组，一般是不现实的，或者采用三相绕组实行多重式供电， 这就要求使用愈多的逆变桥元件或者使用特殊的多相变压器，在造价上不划算，会大大降 低装置的性价比，没有采用的价值，只有理论分析上的意义。
[0014] 上述"非独立多相绕组"能够形成旋转磁场的概念，对于带机械换向器和电刷的传 统直流电动机也是适用的。在传统机械整流器的情况下，在每个极面下，看似以电枢环形绕 组所形成的多阶梯磁场（被当作电枢反应）完全不动（相对于磁极不动）。设一个极面下 的槽数为N，以第一个元件为电枢（起始）位置的标志，当电枢第一组的元件经电刷流入电 流后，它们一方面会产生一个呈三角形分布的电枢磁场，另一方面它们又会因受电动力而 跑开，例如向左方向跑开，于是，第一个元件将瞬间离开这个极面，换入第N+1个元件进来， 使极面下仍保持N个元件，由于经过电刷流入的电流方向不变，故仍可产生一个不动的电 枢磁场，但是，相对于第一组元件移动后的位置而言，这个阶梯磁场就相当于向右移动了一 个槽距。换进来的第二组元件，同样其为首的元件（绕组的第二个元件）也会因受力向左 跑走，离开这个极面，第二组元件刚才产生的多阶梯磁场，也同样相对于第二个元件本身向 右移动了一个槽距，但相对于第一个元件来说，则是向右移动了两个槽距，如此下去，整个 极面下每个元件为首的那组换进来所形成的电枢磁场，相对于磁极位置都是不动的，但是， 相对于第一组元件转动后所在的实时位置而言，多阶梯电枢磁场就向右移动了 N个槽距， 从而形成了电枢多阶梯磁场相对于第一个元件实时位置动态地向右移动的局面。这样，相 对于电枢的第一个元件，即电枢（起始）位置的标志而言，电枢环形绕组所产生的多阶梯磁 场，就变成了向右旋转的旋转磁场。由于电枢元件的实体向左旋转，而电枢磁场却同速地向 右旋转，它相对于定子极面来说，就呈现静态不动的局面，满足了定、子磁场相互吸引相对 静止，且两者的轴线错开大约90°的需要。
[0015] 至此，我们就以塔式阶梯波形式前进的旋转的磁场，和三相绕组形成的旋转的磁 场完全等效作为理论根据，把电子换向器式直流电动机当做一台多相同步电动机来看待。 [0016] 从上分析可知，如里仍然沿用非独立多相闭式绕组（即传统直流绕组）来做定子 绕组，即便改成电子换向器控制，虽然性能良好，但线路复杂，造价高，应用推广有相当难 度，所以，必须设法对它进行改造，首先是相数的减少，最好是采用三相，以大幅度地滅少功 率开关元件，才能降低造价。另外，又必须保留其电枢磁场的正弦分布和调压调速特点，使 它