直流電動機中的箝位效應(yīng)——兼論無刷直流電動機之實質(zhì)
童鐘良
(上海工程技術(shù)大學(xué)，上海200336)
摘要：無刷直流電動機的出現(xiàn)，使得直流電動機與同步電動機的區(qū)別變得模糊了.直流電動機和同步電動機的關(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)。同步電動機只有接至叵頻電源才能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，同步電動機的特征是功角容易變動，在運行中經(jīng)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)子失步，這與它不存在箝位效應(yīng)有關(guān)。尢刷直流電動機巾的位置傳感器代替了電刷的箝位功能，使得其電機本體內(nèi)同樣存在著箝位效應(yīng)，它完全沒有同步電動機的性能行為：
關(guān)鍵詞：直流電動機；同步電動機；箝位；交流箝位電動機
中圖分類號：TM33；TM34l 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)12—0059一04
1混淆同步電動機和直流電動機的起因
無刷直流電動機以及一度被稱為無換向器電動機系統(tǒng)，都是基于直流電動機而發(fā)展起來的新技術(shù)。實際上它們僅僅從結(jié)構(gòu)上把機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，這些電機系統(tǒng)的工作原理、特性以及調(diào)速方式與直流電動機一樣。然而，又因為上述電機系統(tǒng)中的電機本體，其基本結(jié)構(gòu)特征類似于同步電機，以至后來人們就把無換向器電動機納入了白控式變頻調(diào)速的同步電動機之列，并且以為同步電動機有時也可以呈現(xiàn)直流電動機的特征，這樣，有關(guān)同步電動機的概念和認識就被嚴重地混淆了。
直流電動機和同步電動機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和同步電動機分成兩種電機，甚至片面認為直流電動機E的換向器具有標(biāo)志性的特色，有時還強調(diào)直流電動機亦可稱為直流換向器電動機。自從無換向器電動機出現(xiàn)后，由于電機本體可以不經(jīng)由電刷通導(dǎo)直流而直接接至變頻電源運行，于是便以為其電機本體就和同步電動機都屬于同步電動機了。
其實，無論是直流電動機還是同步電動機，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。這兩種電動機的運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]。直流電動機和同步電動機形成兩類電機的關(guān)鍵，正在于電機穩(wěn)定運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比較同步電動機與直流電動機的電樞反應(yīng)
以一臺外轉(zhuǎn)子永磁同步電動機舉例說明，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：
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