直流電動機中的電刷能夠指示直流勵磁磁極的位置又可以控制電樞電流的相位，直流電動機應是箝位電動機。本文通過理論分析闡明了箝位效應與直流電動機性能特徵之間的關係。箝位和同步是兩種不同的運行特徵，具有直流勵磁磁極的電動機可以據此分成兩類型電動機。自控式「同步電動機」是用磁極位置傳感器接替原直流電動機中的電刷及其箝位功能並對三相電樞電流之相位直接控制的箝位電動機，而矢量變換控制的「同步電動機」實際上是間接控制三相電樞電流相位的箝位電動機。
直流電動機為什麼具有優良的可控制性能？它在運行中為何不會發生負載角的振蕩？關於這些問題，《電機學》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徵的代名詞。人們在解釋「無刷直流電動機」這個名稱時就是這麼說的，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，而將同步電動機置於自控變頻的電源系統中運行，也會出現直流電動機之性能特徵，「自控式同步電動機」這樣的稱呼也已廣為流傳。其結果是，有關同步電動機和直流電動機的基本概念卻被嚴重地混淆了。
本文指出的箝位效應可以作為鑑別直流電動機與同步電動機之準繩，電機用術語「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、同速地轉動），而且始終保持確定的夾角。
術語「箝位」與「自控變頻」本質上是一回事，後者是根據電路上的情況來闡述其實相同的物理情況，其欠缺在於沒有明示電流或電壓的相位亦受到支配，而箝位效應則是立足於氣隙磁場來考察電機中的問題，這將更有利於揭示問題的實質。
直流電動機中的箝位效應及其效果
從《電機學》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製作用。由於電刷位置與主極位置存在著明確的關係，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。從圖1所示反裝式直流電動機的運轉中很容易看清這種箝位效應。
從直流電動機的內部電路上觀察，箝位效應則表現為電刷對電樞電流的頻率施加了約束並對電樞電流的相位實施控制。如果電刷靜止不動，箝位的結果使電樞磁動勢也靜止不動，但因為電樞是轉子，它在連續地轉動，所以電樞磁動勢在電樞上的轉速恆等於轉子的轉速（兩者轉向相反）。
電樞電流的頻率總是正比於電樞磁動勢轉速的，因此，箝位效應又使電樞電流的頻率取決於轉子的轉速，這個現象如果表現在電動機的外部電路上，就是所謂的自控變頻。
至於我們熟悉的「電刷決定電樞電流換向發生的地點」這句話，如果從圖3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係的影響（略）
可用交流電機的數學模型來說明直流電動機中的電壓平衡關係。
正常結構直流電動機的電樞繞組其實也是多相交流繞組，相數m為每對極下的繞組元件數，整個繞組自成閉路相當於多相繞組採取封閉連接法。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於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、箝位對頻率與轉速關係的影響
在直流電機中，由於電刷箝位的結果，使得電樞磁動勢在電樞上的轉速恆等於轉子的轉速（兩者轉向相反）。這樣，一方面說明電樞電流的頻率與轉子轉速之間也存在正比關係，更重要的則是表明電樞電流的頻率乃受轉子轉速所支配，即以轉速的變化為因，電樞電流頻率跟隨調整為果，這種因果關係屬於自控變頻性質。
電動機在自控變頻條件下運行是不會出現振蕩的，因為轉速一旦變更，電樞磁動勢的轉速也緊跟著改變，在此變動過程中轉子的機械慣性不發生影響，所以轉子不會失步，當然也不會發生振蕩。
3、關於磁動勢分布及電流波形的討論（略）
由相數m相當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
對於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子磁極所箝制，這樣的電動機唯有以恆頻電源饋電才能穩定地運轉。因為頻率一旦改變，不存在箝位效應的這種電動機的轉子將會受到機械慣性的影響而總是先發生失步，然後經過振蕩，轉子轉速才能達到與新的電樞磁動勢轉速一致。
凡具有直流勵磁磁極的電機實現機電能量轉換的先決條件都是電樞磁動勢的轉速與轉子轉速一致，所以在直流電機內同樣存在著電樞電流頻率與轉子轉速的正比關係，但直流電機與同步電機並非同類電機。
在交流電源頻率恆定的前提下，接在恆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動的，即：極對數一樣的電機轉速必相同，極對數不同的電機以與極對數成反比的轉速整步轉動，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恆定、轉子經常發生失步以及功角容易變動等特徵相關，同步電動機屬於恆速電動機，它以具有恆速的機械特性作為標誌。
箝制三相電流或電壓相位的交流電動機
從直流電動機發展而來的自控式「同步電動機」系統，僅是把逆變器從原在直流電機內的機械接觸組件改造成置於機外的電子裝備，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，而將箝位效應仍舊保留在電動機內並沒有改變。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。
可舉出由循環變流器饋電的電動機系統為例來說明。循環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餘弦交點法觸發方式所需的基準信號電壓，用以直接控制各組整流橋內晶閘管的觸發。對基準信號電壓的要求是，對稱三相的恆幅正弦波電壓信號，其頻率與電動機的轉速成正比，其相位與電動機內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，並使電樞電流的頻率受電動機轉速所支配，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出派克方程，但在對派克方程施加箝位約束條件之後，對稱三相電樞電流的相位就受到箝制而id、iq之比就成為定值，由此再進一步推導，所得這種電動機的性能行為將完全不同於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節。調節電動機端電壓的相位就意味著可以控制電機內氣隙合成磁場軸線相對於磁極軸線的交角，從而使電動機的功角處於受控狀態以達到調節電磁轉矩的目標。這裡功角受到箝制之後就與同步電動機中易起振蕩的功角性質不同了，可見該系統中的電動機就不是同步電動機而應是交流箝位電動機。
變換控制三相電流相位的交流箝位電動機
以循環變流器饋電、應用矢量變換控制技術的「同步電動機」系統其實是對三相電樞電流的相位採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，其物理背景就是三相電樞電流的合成旋轉磁動勢。實際上，矢量變換就是分解電樞磁動勢空間矢量，並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，並使其中之一始終對準電動機內處於另一側的磁場軸線。
如果電樞的對方恰是直流勵磁的磁極，那麼由於直流勵磁磁極的軸線容易檢測到，於是在此系統內可以使用旋轉變壓器作為磁極位置傳感器。旋轉變壓器能夠方便地檢測出磁極軸線的位置角並輸出其正弦、餘弦函數信號。若選用轉子轉速的d、q坐標系，並且就在此坐標系中分解電流綜合矢量，所得的iq和id是一組直流矢量，再限制id＝0，便只有iq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，將矢量變換控制應用於同步電動機的情況下，由於旋轉變壓器充當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化成交流箝位電動機。
結語
同步電動機是不存在箝位效應的電動機，它唯有以恆頻電源饋電才能穩定運行，它們可以在交流電網上並聯運行實現同步運轉。
本文論述的箝位效應乃是存在於同一類型電機之中具有共性、能夠揭示實質並反映電機特徵的一種效應，存在箝位效應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並聯運行，但不會出現同步運轉狀態。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，儘管該系統中的電機本體在結構上很像同步電動機，它們卻不可能在同一變頻電源上並聯運行更不會發生同步運轉的情況，可見它不是同步電動機。
電機的類型不能僅憑電機的結構而是必須根據它們所具有的實質性的特徵來加以辨認的。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：一類以接至恆頻電源可並聯運行並且實現同步運轉為特徵，稱為同步電動機，另一類則以電機內具有箝位效應為特徵，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，那麼，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速的永磁同步電動機其實都應該統稱為交流箝位電動機。
（本文選編自《電氣技術》，原文標題為「存在箝位效應的直流和交流電動機」，作者為童鍾良。）