直流電動(dòng)機(jī)為什么具有優(yōu)良的可控制性能？它在運(yùn)行中為何不會(huì)發(fā)生負(fù)載角的振蕩？關(guān)于這些問題，《電機(jī)學(xué)》中沒有明確論述過。人們認(rèn)為，接至直流電源運(yùn)行是它具有優(yōu)良性能的根本，所以，“直流”電動(dòng)機(jī)這樣的名稱也就成了其性能特征的代名詞。人們?cè)诮忉尅盁o刷直流電動(dòng)機(jī)”這個(gè)名稱時(shí)就是這么說的，但在另一場(chǎng)合，無換向器電動(dòng)機(jī)則被納入了自控式同步電動(dòng)機(jī)之列。

人們解釋說，沒有電刷、換向器的電機(jī)本體乃是同步電動(dòng)機(jī)，而將同步電動(dòng)機(jī)置于自控變頻的電源系統(tǒng)中運(yùn)行，也會(huì)出現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)之性能特征，“自控式同步電動(dòng)機(jī)”^[1]這樣的稱呼也已廣為流傳。其結(jié)果是，有關(guān)同步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)之準(zhǔn)繩，電機(jī)用術(shù)語“箝位”是指在電機(jī)氣隙中，電樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線位置受到直流勵(lì)磁磁極的軸線所箝制，從而使兩者不僅保持相對(duì)靜止（同向、同速地轉(zhuǎn)動(dòng)），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(shí)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(chǎng)來考察電機(jī)中的問題，這將更有利于揭示問題的實(shí)質(zhì)。

直流電動(dòng)機(jī)中的箝位效應(yīng)及其效果

從《電機(jī)學(xué)》知，直流電動(dòng)機(jī)中電樞磁動(dòng)勢(shì)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(duì)電樞磁動(dòng)勢(shì)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(shí)是在電機(jī)氣隙中主極軸線箝制著電樞磁動(dòng)勢(shì)軸線的位置，這就是直流電動(dòng)機(jī)中的箝位效應(yīng)。從圖1所示反裝式直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)中很容易看清這種箝位效應(yīng)。

從直流電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部電路上觀察，箝位效應(yīng)則表現(xiàn)為電刷對(duì)電樞電流的頻率施加了約束并對(duì)電樞電流的相位實(shí)施控制。如果電刷靜止不動(dòng)，箝位的結(jié)果使電樞磁動(dòng)勢(shì)也靜止不動(dòng)，但因?yàn)殡姌惺寝D(zhuǎn)子，它在連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)，所以電樞磁動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(gè)現(xiàn)象如果表現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)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(diǎn)”這句話，如果從圖1所示反裝式直流電動(dòng)機(jī)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(gè)繞組元件成為一相繞組，電刷的移動(dòng)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(duì)電機(jī)基本電磁關(guān)系的影響（略）

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

正常結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組其實(shí)也是多相交流繞組，相數(shù)m為每對(duì)極下的繞組元件數(shù)，整個(gè)繞組自成閉路相當(dāng)于多相繞組采取封閉連接法?？紤]到換向電流不參與形成電樞磁動(dòng)勢(shì)，可認(rèn)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(jì)的間距角2π/m?？梢娭绷麟妱?dòng)機(jī)中電樞電流也是對(duì)稱的多相交變電流。

2、箝位對(duì)頻率與轉(zhuǎn)速關(guān)系的影響

在直流電機(jī)中，由于電刷箝位的結(jié)果，使得電樞磁動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)在自控變頻條件下運(yùn)行是不會(huì)出現(xiàn)振蕩的，因?yàn)檗D(zhuǎn)速一旦變更，電樞磁動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)速也緊跟著改變，在此變動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子的機(jī)械慣性不發(fā)生影響，所以轉(zhuǎn)子不會(huì)失步，當(dāng)然也不會(huì)發(fā)生振蕩。

3、關(guān)于磁動(dòng)勢(shì)分布及電流波形的討論

《電機(jī)學(xué)》中講述直流電機(jī)的電樞磁動(dòng)勢(shì)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(diǎn)，那么，三角形磁動(dòng)勢(shì)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(huì)遇到許多實(shí)際困難，所以理想的方案還是使用三相電動(dòng)機(jī)即令式（12）中的m＝３，這時(shí)，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(jìn)移動(dòng)的空間矢量。但如果m＝３而i₁、i₂、i₃是正弦波的對(duì)稱三相交變電流，那么《電機(jī)學(xué)》中已闡明，只要對(duì)稱三相繞組的線圈短距并分布嵌置，電樞磁動(dòng)勢(shì)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(duì)稱多相交變電流所合成的電樞磁動(dòng)勢(shì)可以與由正弦波對(duì)稱三相交變電流合成的電樞磁動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)。

對(duì)電樞電流相位不加約束的電動(dòng)機(jī)

對(duì)于具有直流勵(lì)磁磁極的三相交流電動(dòng)機(jī)而言，如果對(duì)電樞電流之相位沒有特意施加約束，電樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線位置就不會(huì)受到轉(zhuǎn)子磁極所箝制，這樣的電動(dòng)機(jī)唯有以恒頻電源饋電才能穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)轭l率一旦改變，不存在箝位效應(yīng)的這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子將會(huì)受到機(jī)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(dá)到與新的電樞磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速一致。

凡具有直流勵(lì)磁磁極的電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的先決條件都是電樞磁動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一致，所以在直流電機(jī)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(jī)與同步電機(jī)并非同類電機(jī)。

在交流電源頻率恒定的前提下，接在恒頻電源上運(yùn)行的全體具有直流勵(lì)磁磁極的電動(dòng)機(jī)必定都是整步轉(zhuǎn)動(dòng)的，即：極對(duì)數(shù)一樣的電機(jī)轉(zhuǎn)速必相同，極對(duì)數(shù)不同的電機(jī)以與極對(duì)數(shù)成反比的轉(zhuǎn)速整步轉(zhuǎn)動(dòng)，這才是稱之為同步電機(jī)的本意。所以，同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)等特征相關(guān)，同步電動(dòng)機(jī)屬于恒速電動(dòng)機(jī)，它以具有恒速的機(jī)械特性作為標(biāo)志。

箝制三相電流或電壓相位的交流電動(dòng)機(jī)

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

可舉出由循環(huán)變流器饋電的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)為例來說明。循環(huán)變流器可以輸出對(duì)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(diǎn)法觸發(fā)方式所需的基準(zhǔn)信號(hào)電壓，用以直接控制各組整流橋內(nèi)晶閘管的觸發(fā)。對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)電壓的要求是，對(duì)稱三相的恒幅正弦波電壓信號(hào)，其頻率與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，其相位與電動(dòng)機(jī)內(nèi)空載電動(dòng)勢(shì)的相位保持確定的相位差。

這樣的信號(hào)電壓就能夠指示電動(dòng)機(jī)中直流勵(lì)磁磁極的軸線在任意時(shí)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(dòng)勢(shì)的軸線位置，并使電樞電流的頻率受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速所支配，達(dá)到自控變頻的功效。

針對(duì)具有直流勵(lì)磁磁極的這種三相交流電動(dòng)機(jī)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(duì)派克方程施加箝位約束條件之后，對(duì)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(jìn)一步推導(dǎo)，所得這種電動(dòng)機(jī)的性能行為將完全不同于同步電動(dòng)機(jī)卻與直流電動(dòng)機(jī)的性能行為極為相似。

在變頻電源饋電的條件下，不僅電動(dòng)機(jī)電樞電流的相位可加以控制，而且電動(dòng)機(jī)端電壓的相位也可以調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)端電壓的相位就意味著可以控制電機(jī)內(nèi)氣隙合成磁場(chǎng)軸線相對(duì)于磁極軸線的交角，從而使電動(dòng)機(jī)的功角處于受控狀態(tài)以達(dá)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(dòng)機(jī)中易起振蕩的功角性質(zhì)不同了，可見該系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)就不是同步電動(dòng)機(jī)而應(yīng)是交流箝位電動(dòng)機(jī)。

變換控制三相電流相位的交流箝位電動(dòng)機(jī)

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(dòng)機(jī)”系統(tǒng)其實(shí)是對(duì)三相電樞電流的相位采取矢量變換控制的交流箝位電動(dòng)機(jī)。

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(dòng)勢(shì)。實(shí)際上，矢量變換就是分解電樞磁動(dòng)勢(shì)空間矢量，并對(duì)分解所得的兩個(gè)分矢量之空間相位加以箝制，亦即：令兩個(gè)分矢量正交，并使其中之一始終對(duì)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)處于另一側(cè)的磁場(chǎng)軸線。

如果電樞的對(duì)方恰是直流勵(lì)磁的磁極，那么由于直流勵(lì)磁磁極的軸線容易檢測(cè)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(cè)出磁極軸線的位置角并輸出其正弦、余弦函數(shù)信號(hào)。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(dòng)勢(shì)的軸線已受到箝制而且與直流勵(lì)磁磁極的軸線總是保持正交，這一情況不會(huì)受到負(fù)載改變的影響。

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

結(jié)語

同步電動(dòng)機(jī)是不存在箝位效應(yīng)的電動(dòng)機(jī)，它唯有以恒頻電源饋電才能穩(wěn)定運(yùn)行，它們可以在交流電網(wǎng)上并聯(lián)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。

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

直流電動(dòng)機(jī)雖可接至直流電源并聯(lián)運(yùn)行，但不會(huì)出現(xiàn)同步運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。交流箝位電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)，盡管該系統(tǒng)中的電機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上很像同步電動(dòng)機(jī)，它們卻不可能在同一變頻電源上并聯(lián)運(yùn)行更不會(huì)發(fā)生同步運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，可見它不是同步電動(dòng)機(jī)。

電機(jī)的類型不能僅憑電機(jī)的結(jié)構(gòu)而是必須根據(jù)它們所具有的實(shí)質(zhì)性的特征來加以辨認(rèn)的。因此，我們可以對(duì)具有直流勵(lì)磁磁極的電動(dòng)機(jī)作這樣的分類：一類以接至恒頻電源可并聯(lián)運(yùn)行并且實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)轉(zhuǎn)為特征，稱為同步電動(dòng)機(jī)，另一類則以電機(jī)內(nèi)具有箝位效應(yīng)為特征，宜稱之為箝位電動(dòng)機(jī)。

如果直流電機(jī)因?yàn)榕c直流電源直接相連的特點(diǎn)以及歷史的原因仍舊保留直流電機(jī)稱呼的話，那么，無刷直流電動(dòng)機(jī)、無換向器電動(dòng)機(jī)、自控式同步電動(dòng)機(jī)以及自控變頻調(diào)速的永磁同步電動(dòng)機(jī)其實(shí)都應(yīng)該統(tǒng)稱為交流箝位電動(dòng)機(jī)。（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(dòng)機(jī)”，作者為童鐘良。）