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直流電動(dòng)機(jī)中的箝位效應(yīng)——兼論無刷直流電動(dòng)機(jī)之實(shí)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(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，使得直流電動(dòng)機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)的區(qū)別變得模糊了.直流電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵，在于電樞磁動(dòng)勢(shì)與直流勵(lì)磁的磁極之間存在著不同的特定關(guān)系一直流電動(dòng)機(jī)中電樞磁動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)只有接至叵頻電源才能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，同步電動(dòng)機(jī)的特征是功角容易變動(dòng)，在運(yùn)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(dòng)機(jī)巾的位置傳感器代替了電刷的箝位功能，使得其電機(jī)本體內(nèi)同樣存在著箝位效應(yīng)，它完全沒有同步電動(dòng)機(jī)的性能行為：

    關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)；同步電動(dòng)機(jī)；箝位；交流箝位電動(dòng)機(jī)

    中圖分類號(hào)：TM33；TM34l    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：1004—7018(2008)12—0059一04

1混淆同步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的起因   

無刷直流電動(dòng)機(jī)以及一度被稱為無換向器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，都是基于直流電動(dòng)機(jī)而發(fā)展起來的新技術(shù)。實(shí)際上它們僅僅從結(jié)構(gòu)上把機(jī)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(jī)系統(tǒng)的工作原理、特性以及調(diào)速方式與直流電動(dòng)機(jī)一樣。然而，又因?yàn)樯鲜鲭姍C(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)本體，其基本結(jié)構(gòu)特征類似于同步電機(jī)，以至后來人們就把無換向器電動(dòng)機(jī)納入了白控式變頻調(diào)速的同步電動(dòng)機(jī)之列，并且以為同步電動(dòng)機(jī)有時(shí)也可以呈現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的特征，這樣，有關(guān)同步電動(dòng)機(jī)的概念和認(rèn)識(shí)就被嚴(yán)重地混淆了。

    直流電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)的相同之處是都具有直流勵(lì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)分成兩種電機(jī)，甚至片面認(rèn)為直流電動(dòng)機(jī)E的換向器具有標(biāo)志性的特色，有時(shí)還強(qiáng)調(diào)直流電動(dòng)機(jī)亦可稱為直流換向器電動(dòng)機(jī)。自從無換向器電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)后，由于電機(jī)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(yùn)行，于是便以為其電機(jī)本體就和同步電動(dòng)機(jī)都屬于同步電動(dòng)機(jī)了。

    其實(shí)，無論是直流電動(dòng)機(jī)還是同步電動(dòng)機(jī)，它們的電樞磁動(dòng)勢(shì)都是由交變電流所激勵(lì)的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)直流勵(lì)磁的磁極總是保持相對(duì)靜止的。這兩種電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析都涉及電樞反應(yīng)問題，亦即須討論由不同的勵(lì)磁源所產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間存在的特定關(guān)系[1]。直流電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)形成兩類電機(jī)的關(guān)鍵，正在于電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)與磁極磁場(chǎng)之間雖然都是保持相對(duì)靜止的，卻仍存在著不同的特定關(guān)系。

2比較同步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)

    以一臺(tái)外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)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(duì)稱三相電流，并假設(shè)t=O時(shí)i_a取****值I_m。電樞磁動(dòng)勢(shì)空間矢量F_abc由三個(gè)單相脈振磁動(dòng)勢(shì)所合成，后者用分別位于A、B、c相軸上的三個(gè)相軸矢量^[2]來描述。令定子復(fù)數(shù)坐標(biāo)的實(shí)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(dòng)勢(shì)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(dòng)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(dòng)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(duì)A相軸的交角，θ=ω_t+y；y為初瞬交角，由于t=0時(shí)刻F_abc到達(dá)A相軸上，y可以反映F_abc對(duì)d軸的初瞬交角。將正弦對(duì)稱三相電流i_a、i_b、i_c代人式(2)得：