直流电动机为什么具有优良的可控制性能？它在运行中为何不会发生负载角的振荡？关于这些问题，《电机学》中没有明确论述过。人们认为，接至直流电源运行是它具有优良性能的根本，所以，“直流”电动机这样的名称也就成了其性能特征的代名词。人们在解释“无刷直流电动机”这个名称时就是这么说的，但在另一场合，无换向器电动机则被纳入了自控式同步电动机之列。

人们解释说，没有电刷、换向器的电机本体乃是同步电动机，而将同步电动机置于自控变频的电源系统中运行，也会出现直流电动机之性能特征，“自控式同步电动机”^[1]这样的称呼也已广为流传。其结果是，有关同步电动机和直流电动机的基本概念却被严重地混淆了。

本文指出的箝位效应可以作为鉴别直流电动机与同步电动机之准绳，电机用术语“箝位”是指在电机气隙中，电枢磁动势的轴线位置受到直流励磁磁极的轴线所箝制，从而使两者不仅保持相对静止（同向、同速地转动），而且始终保持确定的夹角。

术语“箝位”与“自控变频”本质上是一回事，后者是根据电路上的情况来阐述其实相同的物理情况，其欠缺在于没有明示电流或电压的相位亦受到支配，而箝位效应则是立足于气隙磁场来考察电机中的问题，这将更有利于揭示问题的实质。

直流电动机中的箝位效应及其效果

从《电机学》知，直流电动机中电枢磁动势沿气隙圆周是按三角形波分布的，其轴线位置由电刷决定，这说明电刷对电枢磁动势起着一种箝制作用。由于电刷位置与主极位置存在着明确的关系，所以其实是在电机气隙中主极轴线箝制着电枢磁动势轴线的位置，这就是直流电动机中的箝位效应。从图1所示反装式直流电动机的运转中很容易看清这种箝位效应。

从直流电动机的内部电路上观察，箝位效应则表现为电刷对电枢电流的频率施加了约束并对电枢电流的相位实施控制。如果电刷静止不动，箝位的结果使电枢磁动势也静止不动，但因为电枢是转子，它在连续地转动，所以电枢磁动势在电枢上的转速恒等于转子的转速（两者转向相反）。

电枢电流的频率总是正比于电枢磁动势转速的，因此，箝位效应又使电枢电流的频率取决于转子的转速，这个现象如果表现在电动机的外部电路上，就是所谓的自控变频。

至于我们熟悉的“电刷决定电枢电流换向发生的地点”这句话，如果从图1所示反装式直流电动机上观察不难看清，绕组元件中的交变电流是依次轮流换向的，这使得每个绕组元件成为一相绕组，电刷的移动使得电枢上各相交变电流具有确定的相位差，这说明电刷还控制着电枢各相交变电流的相位。

1、箝位对电机基本电磁关系的影响（略）

可用交流电机的数学模型来说明直流电动机中的电压平衡关系。

正常结构直流电动机的电枢绕组其实也是多相交流绕组，相数m为每对极下的绕组元件数，整个绕组自成闭路相当于多相绕组采取封闭连接法。考虑到换向电流不参与形成电枢磁动势，可认为各相电流都是矩形波交变电流，它们的幅值和频率相同，彼此间的相位差一致且等于相邻两换向片之间以电角度计的间距角2π/m。可见直流电动机中电枢电流也是对称的多相交变电流。

2、箝位对频率与转速关系的影响

在直流电机中，由于电刷箝位的结果，使得电枢磁动势在电枢上的转速恒等于转子的转速（两者转向相反）。这样，一方面说明电枢电流的频率与转子转速之间也存在正比关系，更重要的则是表明电枢电流的频率乃受转子转速所支配，即以转速的变化为因，电枢电流频率跟随调整为果，这种因果关系属于自控变频性质^[4]。

电动机在自控变频条件下运行是不会出现振荡的，因为转速一旦变更，电枢磁动势的转速也紧跟着改变，在此变动过程中转子的机械惯性不发生影响，所以转子不会失步，当然也不会发生振荡。

3、关于磁动势分布及电流波形的讨论

《电机学》中讲述直流电机的电枢磁动势沿气隙圆周是按三角形波分布的。若将横坐标θ置于气隙圆周上并以主极轴线处作原点，那么，三角形磁动势波的基波分量应为

如果应用电子开关器件来取代电刷、换向器，电枢绕组相数m太多会遇到许多实际困难，所以理想的方案还是使用三相电动机即令式（12）中的m＝３，这时，如果相电流仍为矩形波电流，可以证明，F将是保持定长而跳跃式地步进移动的空间矢量。但如果m＝３而i₁、i₂、i₃是正弦波的对称三相交变电流，那么《电机学》中已阐明，只要对称三相绕组的线圈短距并分布嵌置，电枢磁动势空间矢量F在复数坐标系统中就完全连续旋转。

可见，由相数m相当多的矩形波对称多相交变电流所合成的电枢磁动势可以与由正弦波对称三相交变电流合成的电枢磁动势等效。所以，电枢电流波形上的差异不可能导致生成不同类型的电动机。

对电枢电流相位不加约束的电动机

对于具有直流励磁磁极的三相交流电动机而言，如果对电枢电流之相位没有特意施加约束，电枢磁动势的轴线位置就不会受到转子磁极所箝制，这样的电动机唯有以恒频电源馈电才能稳定地运转。因为频率一旦改变，不存在箝位效应的这种电动机的转子将会受到机械惯性的影响而总是先发生失步，然后经过振荡，转子转速才能达到与新的电枢磁动势转速一致。

凡具有直流励磁磁极的电机实现机电能量转换的先决条件都是电枢磁动势的转速与转子转速一致，所以在直流电机内同样存在着电枢电流频率与转子转速的正比关系，但直流电机与同步电机并非同类电机。

在交流电源频率恒定的前提下，接在恒频电源上运行的全体具有直流励磁磁极的电动机必定都是整步转动的，即：极对数一样的电机转速必相同，极对数不同的电机以与极对数成反比的转速整步转动，这才是称之为同步电机的本意。所以，同步电动机的一切性能行为都与电源频率恒定、转子经常发生失步以及功角容易变动等特征相关，同步电动机属于恒速电动机，它以具有恒速的机械特性作为标志。

箝制三相电流或电压相位的交流电动机

从直流电动机发展而来的自控式“同步电动机”系统，仅是把逆变器从原在直流电机内的机械接触组件改造成置于机外的电子装备，再用磁极位置传感器接替原直流电机中的电刷及其箝位功能，而将箝位效应仍旧保留在电动机内并没有改变。各式各样磁极位置传感器的功能其实都是一样的，即能够检测出电动机内直流励磁磁极的轴线位置，能够控制馈给电动机的电流或电压的相位。

可举出由循环变流器馈电的电动机系统为例来说明。循环变流器可以输出对称三相正弦波的平均电压，磁极位置传感器能够输出供作余弦交点法触发方式所需的基准信号电压，用以直接控制各组整流桥内晶闸管的触发。对基准信号电压的要求是，对称三相的恒幅正弦波电压信号，其频率与电动机的转速成正比，其相位与电动机内空载电动势的相位保持确定的相位差。

这样的信号电压就能够指示电动机中直流励磁磁极的轴线在任意时刻的位置，可以控制正弦波三相电枢电流在不同瞬间的相位，从而箝住电枢磁动势的轴线位置，并使电枢电流的频率受电动机转速所支配，达到自控变频的功效。

针对具有直流励磁磁极的这种三相交流电动机之电枢部分同样可以导出形式如同式（8）、式（9）所示的派克方程，但在对派克方程施加箝位约束条件之后，对称三相电枢电流的相位就受到箝制而i_d、i_q之比就成为定值，由此再进一步推导，所得这种电动机的性能行为将完全不同于同步电动机却与直流电动机的性能行为极为相似。

在变频电源馈电的条件下，不仅电动机电枢电流的相位可加以控制，而且电动机端电压的相位也可以调节。调节电动机端电压的相位就意味着可以控制电机内气隙合成磁场轴线相对于磁极轴线的交角，从而使电动机的功角处于受控状态以达到调节电磁转矩的目标。这里功角受到箝制之后就与同步电动机中易起振荡的功角性质不同了，可见该系统中的电动机就不是同步电动机而应是交流箝位电动机。

变换控制三相电流相位的交流箝位电动机

以循环变流器馈电、应用矢量变换控制技术的“同步电动机”系统其实是对三相电枢电流的相位采取矢量变换控制的交流箝位电动机。

在矢量变换控制中，被分解的电流矢量乃是综合矢量^[6]，其物理背景就是三相电枢电流的合成旋转磁动势。实际上，矢量变换就是分解电枢磁动势空间矢量，并对分解所得的两个分矢量之空间相位加以箝制，亦即：令两个分矢量正交，并使其中之一始终对准电动机内处于另一侧的磁场轴线。

如果电枢的对方恰是直流励磁的磁极，那么由于直流励磁磁极的轴线容易检测到，于是在此系统内可以使用旋转变压器作为磁极位置传感器。旋转变压器能够方便地检测出磁极轴线的位置角并输出其正弦、余弦函数信号。若选用转子转速的d、q坐标系，并且就在此坐标系中分解电流综合矢量，所得的i_q和i_d是一组直流矢量，再限制i_d＝0，便只有i_q分量了，说明电枢磁动势的轴线已受到箝制而且与直流励磁磁极的轴线总是保持正交，这一情况不会受到负载改变的影响。

可见，将矢量变换控制应用于同步电动机的情况下，由于旋转变压器充当了检测直流励磁磁极轴线的角色，其输出的信号最终能够箝住三相电枢电流的相位和电枢磁动势的轴线，使“同步电动机”失去原有的性能行为而转化成交流箝位电动机。

结语

同步电动机是不存在箝位效应的电动机，它唯有以恒频电源馈电才能稳定运行，它们可以在交流电网上并联运行实现同步运转。

本文论述的箝位效应乃是存在于同一类型电机之中具有共性、能够揭示实质并反映电机特征的一种效应，存在箝位效应的电动机包括直流电动机和交流箝位电动机。

直流电动机虽可接至直流电源并联运行，但不会出现同步运转状态。交流箝位电动机是由逆变器或变频器馈电且须配置磁极位置传感器的一种电动机系统，尽管该系统中的电机本体在结构上很像同步电动机，它们却不可能在同一变频电源上并联运行更不会发生同步运转的情况，可见它不是同步电动机。

电机的类型不能仅凭电机的结构而是必须根据它们所具有的实质性的特征来加以辨认的。因此，我们可以对具有直流励磁磁极的电动机作这样的分类：一类以接至恒频电源可并联运行并且实现同步运转为特征，称为同步电动机，另一类则以电机内具有箝位效应为特征，宜称之为箝位电动机。

如果直流电机因为与直流电源直接相连的特点以及历史的原因仍旧保留直流电机称呼的话，那么，无刷直流电动机、无换向器电动机、自控式同步电动机以及自控变频调速的永磁同步电动机其实都应该统称为交流箝位电动机。（本文选编自《电气技术》，原文标题为“存在箝位效应的直流和交流电动机”，作者为童钟良。）