第四章

特殊電機(jī)第六節(jié)：同步電動(dòng)機(jī)

目錄目錄Content儀用互感器同步電動(dòng)機(jī)的工作原理01同步電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)02同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)03微型同步電機(jī)04同步電機(jī)同步電機(jī)是交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的一種，它主要用作發(fā)電機(jī)，也可用作電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī)，圖4-44為一臺(tái)三相永磁同步電機(jī)。在現(xiàn)代電力工業(yè)中，無(wú)論是火力發(fā)電、水力發(fā)電，還是原子能發(fā)電，幾乎全部采用同步發(fā)電機(jī)；在內(nèi)燃機(jī)車(chē)上，柴油機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)三相同步牽引發(fā)電機(jī)發(fā)電給機(jī)車(chē)牽引電動(dòng)機(jī)供電。同步調(diào)相機(jī)專(zhuān)門(mén)用來(lái)改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，以提高電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及電壓的穩(wěn)定性。同步電動(dòng)機(jī)主要用于功率較大、轉(zhuǎn)速不要求調(diào)節(jié)的生產(chǎn)機(jī)械，如大型水泵、空氣壓縮機(jī)、礦井通風(fēng)機(jī)。隨著永磁材料性能的提高和成本的降低，永磁同步電動(dòng)機(jī)以其調(diào)速范圍寬、效率高、功率因數(shù)高和功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為電動(dòng)汽車(chē)、城市軌道機(jī)車(chē)牽引系統(tǒng)的主流電機(jī)之一。一、同步電動(dòng)機(jī)的工作原理1.同步發(fā)電機(jī)的工作原理同步發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電磁裝置。三相同步發(fā)電機(jī)的工作原理示意圖如圖4-45所示。在由硅鋼片疊成的同步發(fā)電機(jī)定子鐵芯槽內(nèi)嵌放有在空間相隔120°電角度的三相對(duì)稱(chēng)繞組U1U2、V1V2、W1W2。轉(zhuǎn)子主要由磁極鐵芯和勵(lì)磁繞組組成。當(dāng)勵(lì)磁繞組通入直流電流后，建立恒定的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)以轉(zhuǎn)速n勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不斷切割定子三相對(duì)稱(chēng)繞組，在三相繞組中感應(yīng)出三相交變電動(dòng)勢(shì)，其方向可用右手定則確定。由于定子三相繞組在空間位置上互差120°電角度，所以三相電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間上互差120°相位。如果同步發(fā)電機(jī)接上負(fù)載，將有三相電流輸出，即同步發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成了三相交流電能。一、同步電動(dòng)機(jī)的工作原理2.同步電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖4-46所示，在同步電動(dòng)機(jī)三相定子繞組內(nèi)通入對(duì)稱(chēng)三相交流電時(shí)，對(duì)稱(chēng)的三相繞組中就產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組加上勵(lì)磁電流時(shí)，轉(zhuǎn)子就好像一個(gè)磁鐵，于是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就帶動(dòng)這個(gè)磁鐵并按旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速m?,即綜上所述，同步電機(jī)無(wú)論作為發(fā)電機(jī)還是作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速與頻率之間都將保持嚴(yán)格不變的關(guān)系，即同步電機(jī)在恒定頻率下的轉(zhuǎn)速恒為同步速度，這是同步電機(jī)和異步電機(jī)的基本差別之一。五、同步電動(dòng)機(jī)作用：將不變的交流信號(hào)變換為轉(zhuǎn)速恒定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，在自控系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。結(jié)構(gòu)：定子結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)相同。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子極數(shù)相同，轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，不需勵(lì)磁，因而沒(méi)有電刷與滑環(huán)，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。二、同步電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)反應(yīng)式（磁阻式）永磁式分類(lèi)：磁滯式五、同步電動(dòng)機(jī)二、同步電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)吸牢轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，亦即同步轉(zhuǎn)速n1

（一）永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)二、同步電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)（一）永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，定子磁場(chǎng)磁極軸線(xiàn)與轉(zhuǎn)子磁極軸線(xiàn)之間的夾角相應(yīng)增大；負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小時(shí)，夾角相應(yīng)減小，轉(zhuǎn)速則始終恒定不變二、同步電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)“失步”負(fù)載轉(zhuǎn)矩超出一定限度（最大同步轉(zhuǎn)矩），電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。異步起動(dòng)法在轉(zhuǎn)子上加裝籠式繞組，利用異步電動(dòng)機(jī)的原理使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來(lái)，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)將轉(zhuǎn)子牽入同步，與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起同步旋轉(zhuǎn).（一）永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)二、同步電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子沖片由鐵磁性材料制成，本身沒(méi)有磁性，但必須有直軸和交軸之分，直軸磁阻小，交軸磁阻大凸極結(jié)構(gòu)外反應(yīng)式圓形內(nèi)反應(yīng)式內(nèi)外反應(yīng)式（二）反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)二、同步電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子典型結(jié)構(gòu)硬磁材料制成的圓柱體或圓環(huán)，裝配在非磁性材料制成的套筒上（三）磁滯式微型同步電動(dòng)機(jī)二、同步電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)

罩極式磁滯同步電動(dòng)機(jī)功率極小的磁滯式同步電動(dòng)機(jī)中，定子采用罩極式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子由硬磁薄片組成（三）磁滯式微型同步電動(dòng)機(jī)工作原理：定子繞組通電時(shí)，氣隙中建立圓形或橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩或稱(chēng)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)和永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)一樣存在失步問(wèn)題。同樣也采用轉(zhuǎn)子上裝籠形起動(dòng)繞組的異步起動(dòng)法三、同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)工作原理：硬磁材料制成的實(shí)心轉(zhuǎn)子定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以一對(duì)等效磁極表示定子磁場(chǎng)固定不轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁疇（磁分子）受磁化，排列方向與定子磁場(chǎng)方向相一致定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子之間只有徑向力，切向力和轉(zhuǎn)矩T=0定子磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速n1逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)轉(zhuǎn)子處于旋轉(zhuǎn)磁化狀態(tài)磁疇之間很大的摩擦力，使磁分子不能立即跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過(guò)同樣的角度，而始終要落后一個(gè)空間角度θc，θc稱(chēng)為磁滯角。三、同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)工作原理：磁滯轉(zhuǎn)矩TC：轉(zhuǎn)子所受的磁拉力除徑向分量以外還有一個(gè)切向分量，切向分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為磁滯轉(zhuǎn)矩TC

，使轉(zhuǎn)子朝旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，大小僅決定于硬磁材料的性質(zhì)，而與轉(zhuǎn)子異步運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)

轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子不再被旋轉(zhuǎn)磁化，而是恒定磁化，這時(shí)，磁滯式同步電動(dòng)機(jī)就成為永磁式同步電動(dòng)機(jī)了。同步運(yùn)行以后，轉(zhuǎn)速恒定不變，轉(zhuǎn)子磁極軸線(xiàn)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁極軸線(xiàn)之間的夾角改由負(fù)載大小決定，在0～θc之間磁滯式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間有相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)。磁滯轉(zhuǎn)子中會(huì)產(chǎn)生渦流，與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用產(chǎn)生渦流轉(zhuǎn)矩。所以磁滯式同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，不僅有磁滯轉(zhuǎn)矩，還有渦流轉(zhuǎn)矩，不但能夠自行起動(dòng)，而且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大三、同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

微型或特殊同步電動(dòng)機(jī)指功率在幾瓦至幾千瓦以?xún)?nèi)的電動(dòng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)速就是與供電電源頻率相對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速，具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便等特點(diǎn)，因而在自動(dòng)控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。它主要用于驅(qū)動(dòng)要求恒轉(zhuǎn)速小功率負(fù)載，如紡織機(jī)械、醫(yī)療器械、攝像機(jī)、復(fù)印機(jī)、自動(dòng)記錄裝置、陀螺系統(tǒng)以及家用電器等方面。

微型同步電動(dòng)機(jī)按供電電源的相數(shù)可分為三相同步電動(dòng)機(jī)和單相同步電動(dòng)機(jī)；按電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)可分為電容式和罩極式；按工作原理可分為永磁式、反應(yīng)式和磁滯式三種。1.永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)

永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永久磁鋼構(gòu)成磁極，形成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。它的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以由定子三相對(duì)稱(chēng)繞組產(chǎn)生，也可由單相啟動(dòng)繞組及工作繞組產(chǎn)生(圖4-56)或由單相罩極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子的永久磁鐵則被其吸引隨之同步旋轉(zhuǎn)。因此同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極數(shù)必須與定子磁極數(shù)相等。另外同步電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極的軸線(xiàn)不重合，而是要相隔一定的夾角θ,θ角的大小將隨負(fù)載的變化而變化，但只要負(fù)載不超過(guò)額定值，轉(zhuǎn)子就始終跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以恒定的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。四、微型同步電動(dòng)機(jī)四、微型同步電動(dòng)機(jī)2.反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)磁阻式微型同步電動(dòng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)子本身不具有磁性，是利用轉(zhuǎn)子對(duì)定子磁場(chǎng)的反應(yīng)不同而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)。其定子繞組與異步電動(dòng)機(jī)相似，可以是三相、單相或罩極式結(jié)構(gòu)，用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4-58所示，磁極數(shù)與定子繞組磁極數(shù)相等。轉(zhuǎn)子由鐵磁性材料(硅鋼片)和非磁性材料(鋁或銅)拼成，在d軸方向上由鐵磁性材料構(gòu)成磁路，故磁阻很小。在q軸方向由多層非磁性磁路拼成，相當(dāng)于空氣隙，故磁阻很大。反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)即是利用d、q軸磁阻有很大的差別，從而產(chǎn)生附加電磁轉(zhuǎn)矩(又稱(chēng)磁阻轉(zhuǎn)矩)而旋轉(zhuǎn)的。其旋轉(zhuǎn)原理如圖4-59所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖4-59(a)位置時(shí)，磁感線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，因此磁感線(xiàn)的縱向收縮作用只能產(chǎn)生定子和轉(zhuǎn)子之間的吸引力，不會(huì)形成使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的向力