直流电动机中的箝位效应——兼论无刷直流电动机之实质

    童钟良

(上海工程技术大学，上海200336)

    摘要：无刷直流电动机的出现，使得直流电动机与同步电动机的区别变得模糊了.直流电动机和同步电动机的关键，在于电枢磁动势与直流励磁的磁极之间存在着不同的特定关系一直流电动机中电枢磁动势的轴线位置是由电刷位置决定的，电刷具有箝位的功能。发牛在直流电动机内的自控变频作用也是箝位效应的直接结果，直流电动机的优良控制性能与箝位效应的存在密切相关。同步电动机只有接至叵频电源才能稳定运转，同步电动机的特征是功角容易变动，在运行中经常出现转子失步，这与它不存在箝位效应有关。尢刷直流电动机巾的位置传感器代替了电刷的箝位功能，使得其电机本体内同样存在着箝位效应，它完全没有同步电动机的性能行为：

    关键词：直流电动机；同步电动机；箝位；交流箝位电动机

    中图分类号：TM33；TM34l    文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)12—0059一04

1混淆同步电动机和直流电动机的起因   

无刷直流电动机以及一度被称为无换向器电动机系统，都是基于直流电动机而发展起来的新技术。实际上它们仅仅从结构上把机械形式的换向器和电刷组件改造成用电子技术装备的组件，而换向器、电刷的功能并未消失，尤其是电刷具有的箝位功能被完整地保存下来了，这些电机系统的工作原理、特性以及调速方式与直流电动机一样。然而，又因为上述电机系统中的电机本体，其基本结构特征类似于同步电机，以至后来人们就把无换向器电动机纳入了白控式变频调速的同步电动机之列，并且以为同步电动机有时也可以呈现直流电动机的特征，这样，有关同步电动机的概念和认识就被严重地混淆了。

    直流电动机和同步电动机的相同之处是都具有直流励磁的磁极，前者比后者无非是多了一套换向器、电刷组件。同步电动机的电枢绕组多为三相交流绕组，可以直接与交流电源连接，而直流电动机的电枢绕组需要通过换向器、电刷跟直流电源连接：所以人们根据直流与交流电源的不同自然而然地将直流电动机和同步电动机分成两种电机，甚至片面认为直流电动机E的换向器具有标志性的特色，有时还强调直流电动机亦可称为直流换向器电动机。自从无换向器电动机出现后，由于电机本体可以不经由电刷通导直流而直接接至变频电源运行，于是便以为其电机本体就和同步电动机都属于同步电动机了。

    其实，无论是直流电动机还是同步电动机，它们的电枢磁动势都是由交变电流所激励的旋转磁动势，稳定运行时，电枢磁动势对直流励磁的磁极总是保持相对静止的。这两种电动机的运行分析都涉及电枢反应问题，亦即须讨论由不同的励磁源所产生的磁场之间存在的特定关系[1]。直流电动机和同步电动机形成两类电机的关键，正在于电机稳定运行时电枢磁动势与磁极磁场之间虽然都是保持相对静止的，却仍存在着不同的特定关系。

2比较同步电动机与直流电动机的电枢反应

    以一台外转子永磁同步电动机举例说明，如图l所示。定子(在内部)上有△接的电枢三相绕组，   

i_a、i_b、i_c为正弦对称三相电流，并假设t=O时i_a取****值I_m。电枢磁动势空间矢量F_abc由三个单相脉振磁动势所合成，后者用分别位于A、B、c相轴上的三个相轴矢量^[2]来描述。令定子复数坐标的实轴与A相轴重合，则 

式中：N为每相绕组有效串联匝数。上式表明，电枢磁动势空问矢量F_abc在定子复数坐标中是以电流的角频率ω连续匀速转动的：    电枢反应可以借助坐标变换的方法来分析。选取置于转子上随转子以角速度ω转动的d、q坐标系，由于i_a+i_b+i_c=O，变换到d、q坐标系的两轴电流i_d和i_q为：

式中：θ是d轴对A相轴的交角，θ=ω_t+y；y为初瞬交角，由于t=0时刻F_abc到达A相轴上，y可以反映F_abc对d轴的初瞬交角。将正弦对称三相电流i_a、i_b、i_c代人式(2)得：