直流電動機為什么具有優(yōu)良的可控制性能？它在運行中為何不會發(fā)生負載角的振蕩？關(guān)于這些問題，《電機學(xué)》中沒有明確論述過。人們認為，接至直流電源運行是它具有優(yōu)良性能的根本，所以，“直流”電動機這樣的名稱也就成了其性能特征的代名詞。人們在解釋“無刷直流電動機”這個名稱時就是這么說的，但在另一場合，無換向器電動機則被納入了自控式同步電動機之列。

人們解釋說，沒有電刷、換向器的電機本體乃是同步電動機，而將同步電動機置于自控變頻的電源系統(tǒng)中運行，也會出現(xiàn)直流電動機之性能特征，“自控式同步電動機”^[1]這樣的稱呼也已廣為流傳。其結(jié)果是，有關(guān)同步電動機和直流電動機的基本概念卻被嚴(yán)重地混淆了。

本文指出的箝位效應(yīng)可以作為鑒別直流電動機與同步電動機之準(zhǔn)繩，電機用術(shù)語“箝位”是指在電機氣隙中，電樞磁動勢的軸線位置受到直流勵磁磁極的軸線所箝制，從而使兩者不僅保持相對靜止（同向、同速地轉(zhuǎn)動），而且始終保持確定的夾角。

術(shù)語“箝位”與“自控變頻”本質(zhì)上是一回事，后者是根據(jù)電路上的情況來闡述其實相同的物理情況，其欠缺在于沒有明示電流或電壓的相位亦受到支配，而箝位效應(yīng)則是立足于氣隙磁場來考察電機中的問題，這將更有利于揭示問題的實質(zhì)。

直流電動機中的箝位效應(yīng)及其效果

從《電機學(xué)》知，直流電動機中電樞磁動勢沿氣隙圓周是按三角形波分布的，其軸線位置由電刷決定，這說明電刷對電樞磁動勢起著一種箝制作用。由于電刷位置與主極位置存在著明確的關(guān)系，所以其實是在電機氣隙中主極軸線箝制著電樞磁動勢軸線的位置，這就是直流電動機中的箝位效應(yīng)。從圖1所示反裝式直流電動機的運轉(zhuǎn)中很容易看清這種箝位效應(yīng)。

從直流電動機的內(nèi)部電路上觀察，箝位效應(yīng)則表現(xiàn)為電刷對電樞電流的頻率施加了約束并對電樞電流的相位實施控制。如果電刷靜止不動，箝位的結(jié)果使電樞磁動勢也靜止不動，但因為電樞是轉(zhuǎn)子，它在連續(xù)地轉(zhuǎn)動，所以電樞磁動勢在電樞上的轉(zhuǎn)速恒等于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（兩者轉(zhuǎn)向相反）。

電樞電流的頻率總是正比于電樞磁動勢轉(zhuǎn)速的，因此，箝位效應(yīng)又使電樞電流的頻率取決于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，這個現(xiàn)象如果表現(xiàn)在電動機的外部電路上，就是所謂的自控變頻。

至于我們熟悉的“電刷決定電樞電流換向發(fā)生的地點”這句話，如果從圖1所示反裝式直流電動機上觀察不難看清，繞組元件中的交變電流是依次輪流換向的，這使得每個繞組元件成為一相繞組，電刷的移動使得電樞上各相交變電流具有確定的相位差，這說明電刷還控制著電樞各相交變電流的相位。

1、箝位對電機基本電磁關(guān)系的影響（略）

可用交流電機的數(shù)學(xué)模型來說明直流電動機中的電壓平衡關(guān)系。

正常結(jié)構(gòu)直流電動機的電樞繞組其實也是多相交流繞組，相數(shù)m為每對極下的繞組元件數(shù)，整個繞組自成閉路相當(dāng)于多相繞組采取封閉連接法。考慮到換向電流不參與形成電樞磁動勢，可認為各相電流都是矩形波交變電流，它們的幅值和頻率相同，彼此間的相位差一致且等于相鄰兩換向片之間以電角度計的間距角2π/m。可見直流電動機中電樞電流也是對稱的多相交變電流。

2、箝位對頻率與轉(zhuǎn)速關(guān)系的影響

在直流電機中，由于電刷箝位的結(jié)果，使得電樞磁動勢在電樞上的轉(zhuǎn)速恒等于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（兩者轉(zhuǎn)向相反）。這樣，一方面說明電樞電流的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間也存在正比關(guān)系，更重要的則是表明電樞電流的頻率乃受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速所支配，即以轉(zhuǎn)速的變化為因，電樞電流頻率跟隨調(diào)整為果，這種因果關(guān)系屬于自控變頻性質(zhì)^[4]。

電動機在自控變頻條件下運行是不會出現(xiàn)振蕩的，因為轉(zhuǎn)速一旦變更，電樞磁動勢的轉(zhuǎn)速也緊跟著改變，在此變動過程中轉(zhuǎn)子的機械慣性不發(fā)生影響，所以轉(zhuǎn)子不會失步，當(dāng)然也不會發(fā)生振蕩。

3、關(guān)于磁動勢分布及電流波形的討論

《電機學(xué)》中講述直流電機的電樞磁動勢沿氣隙圓周是按三角形波分布的。若將橫坐標(biāo)θ置于氣隙圓周上并以主極軸線處作原點，那么，三角形磁動勢波的基波分量應(yīng)為

如果應(yīng)用電子開關(guān)器件來取代電刷、換向器，電樞繞組相數(shù)m太多會遇到許多實際困難，所以理想的方案還是使用三相電動機即令式（12）中的m＝３，這時，如果相電流仍為矩形波電流，可以證明，F將是保持定長而跳躍式地步進移動的空間矢量。但如果m＝３而i₁、i₂、i₃是正弦波的對稱三相交變電流，那么《電機學(xué)》中已闡明，只要對稱三相繞組的線圈短距并分布嵌置，電樞磁動勢空間矢量F在復(fù)數(shù)坐標(biāo)系統(tǒng)中就完全連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

可見，由相數(shù)m相當(dāng)多的矩形波對稱多相交變電流所合成的電樞磁動勢可以與由正弦波對稱三相交變電流合成的電樞磁動勢等效。所以，電樞電流波形上的差異不可能導(dǎo)致生成不同類型的電動機。

對電樞電流相位不加約束的電動機

對于具有直流勵磁磁極的三相交流電動機而言，如果對電樞電流之相位沒有特意施加約束，電樞磁動勢的軸線位置就不會受到轉(zhuǎn)子磁極所箝制，這樣的電動機唯有以恒頻電源饋電才能穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)。因為頻率一旦改變，不存在箝位效應(yīng)的這種電動機的轉(zhuǎn)子將會受到機械慣性的影響而總是先發(fā)生失步，然后經(jīng)過振蕩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速才能達到與新的電樞磁動勢轉(zhuǎn)速一致。

凡具有直流勵磁磁極的電機實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的先決條件都是電樞磁動勢的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一致，所以在直流電機內(nèi)同樣存在著電樞電流頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的正比關(guān)系，但直流電機與同步電機并非同類電機。

在交流電源頻率恒定的前提下，接在恒頻電源上運行的全體具有直流勵磁磁極的電動機必定都是整步轉(zhuǎn)動的，即：極對數(shù)一樣的電機轉(zhuǎn)速必相同，極對數(shù)不同的電機以與極對數(shù)成反比的轉(zhuǎn)速整步轉(zhuǎn)動，這才是稱之為同步電機的本意。所以，同步電動機的一切性能行為都與電源頻率恒定、轉(zhuǎn)子經(jīng)常發(fā)生失步以及功角容易變動等特征相關(guān)，同步電動機屬于恒速電動機，它以具有恒速的機械特性作為標(biāo)志。

箝制三相電流或電壓相位的交流電動機

從直流電動機發(fā)展而來的自控式“同步電動機”系統(tǒng)，僅是把逆變器從原在直流電機內(nèi)的機械接觸組件改造成置于機外的電子裝備，再用磁極位置傳感器接替原直流電機中的電刷及其箝位功能，而將箝位效應(yīng)仍舊保留在電動機內(nèi)并沒有改變。各式各樣磁極位置傳感器的功能其實都是一樣的，即能夠檢測出電動機內(nèi)直流勵磁磁極的軸線位置，能夠控制饋給電動機的電流或電壓的相位。

可舉出由循環(huán)變流器饋電的電動機系統(tǒng)為例來說明。循環(huán)變流器可以輸出對稱三相正弦波的平均電壓，磁極位置傳感器能夠輸出供作余弦交點法觸發(fā)方式所需的基準(zhǔn)信號電壓，用以直接控制各組整流橋內(nèi)晶閘管的觸發(fā)。對基準(zhǔn)信號電壓的要求是，對稱三相的恒幅正弦波電壓信號，其頻率與電動機的轉(zhuǎn)速成正比，其相位與電動機內(nèi)空載電動勢的相位保持確定的相位差。

這樣的信號電壓就能夠指示電動機中直流勵磁磁極的軸線在任意時刻的位置，可以控制正弦波三相電樞電流在不同瞬間的相位，從而箝住電樞磁動勢的軸線位置，并使電樞電流的頻率受電動機轉(zhuǎn)速所支配，達到自控變頻的功效。

針對具有直流勵磁磁極的這種三相交流電動機之電樞部分同樣可以導(dǎo)出形式如同式（8）、式（9）所示的派克方程，但在對派克方程施加箝位約束條件之后，對稱三相電樞電流的相位就受到箝制而i_d、i_q之比就成為定值，由此再進一步推導(dǎo)，所得這種電動機的性能行為將完全不同于同步電動機卻與直流電動機的性能行為極為相似。

在變頻電源饋電的條件下，不僅電動機電樞電流的相位可加以控制，而且電動機端電壓的相位也可以調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)電動機端電壓的相位就意味著可以控制電機內(nèi)氣隙合成磁場軸線相對于磁極軸線的交角，從而使電動機的功角處于受控狀態(tài)以達到調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的目標(biāo)。這里功角受到箝制之后就與同步電動機中易起振蕩的功角性質(zhì)不同了，可見該系統(tǒng)中的電動機就不是同步電動機而應(yīng)是交流箝位電動機。

變換控制三相電流相位的交流箝位電動機

以循環(huán)變流器饋電、應(yīng)用矢量變換控制技術(shù)的“同步電動機”系統(tǒng)其實是對三相電樞電流的相位采取矢量變換控制的交流箝位電動機。

在矢量變換控制中，被分解的電流矢量乃是綜合矢量^[6]，其物理背景就是三相電樞電流的合成旋轉(zhuǎn)磁動勢。實際上，矢量變換就是分解電樞磁動勢空間矢量，并對分解所得的兩個分矢量之空間相位加以箝制，亦即：令兩個分矢量正交，并使其中之一始終對準(zhǔn)電動機內(nèi)處于另一側(cè)的磁場軸線。

如果電樞的對方恰是直流勵磁的磁極，那么由于直流勵磁磁極的軸線容易檢測到，于是在此系統(tǒng)內(nèi)可以使用旋轉(zhuǎn)變壓器作為磁極位置傳感器。旋轉(zhuǎn)變壓器能夠方便地檢測出磁極軸線的位置角并輸出其正弦、余弦函數(shù)信號。若選用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的d、q坐標(biāo)系，并且就在此坐標(biāo)系中分解電流綜合矢量，所得的i_q和i_d是一組直流矢量，再限制i_d＝0，便只有i_q分量了，說明電樞磁動勢的軸線已受到箝制而且與直流勵磁磁極的軸線總是保持正交，這一情況不會受到負載改變的影響。

可見，將矢量變換控制應(yīng)用于同步電動機的情況下，由于旋轉(zhuǎn)變壓器充當(dāng)了檢測直流勵磁磁極軸線的角色，其輸出的信號最終能夠箝住三相電樞電流的相位和電樞磁動勢的軸線，使“同步電動機”失去原有的性能行為而轉(zhuǎn)化成交流箝位電動機。

結(jié)語

同步電動機是不存在箝位效應(yīng)的電動機，它唯有以恒頻電源饋電才能穩(wěn)定運行，它們可以在交流電網(wǎng)上并聯(lián)運行實現(xiàn)同步運轉(zhuǎn)。

本文論述的箝位效應(yīng)乃是存在于同一類型電機之中具有共性、能夠揭示實質(zhì)并反映電機特征的一種效應(yīng)，存在箝位效應(yīng)的電動機包括直流電動機和交流箝位電動機。

直流電動機雖可接至直流電源并聯(lián)運行，但不會出現(xiàn)同步運轉(zhuǎn)狀態(tài)。交流箝位電動機是由逆變器或變頻器饋電且須配置磁極位置傳感器的一種電動機系統(tǒng)，盡管該系統(tǒng)中的電機本體在結(jié)構(gòu)上很像同步電動機，它們卻不可能在同一變頻電源上并聯(lián)運行更不會發(fā)生同步運轉(zhuǎn)的情況，可見它不是同步電動機。

電機的類型不能僅憑電機的結(jié)構(gòu)而是必須根據(jù)它們所具有的實質(zhì)性的特征來加以辨認的。因此，我們可以對具有直流勵磁磁極的電動機作這樣的分類：一類以接至恒頻電源可并聯(lián)運行并且實現(xiàn)同步運轉(zhuǎn)為特征，稱為同步電動機，另一類則以電機內(nèi)具有箝位效應(yīng)為特征，宜稱之為箝位電動機。

如果直流電機因為與直流電源直接相連的特點以及歷史的原因仍舊保留直流電機稱呼的話，那么，無刷直流電動機、無換向器電動機、自控式同步電動機以及自控變頻調(diào)速的永磁同步電動機其實都應(yīng)該統(tǒng)稱為交流箝位電動機。（本文選編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“存在箝位效應(yīng)的直流和交流電動機”，作者為童鐘良。）