本节介绍小功率同步电机的基本概念
本节介绍永磁式、磁阻式、磁滞式同步电机的结构、原理、机械特性、优缺点
本节介绍电磁减速同步电机的结构、原理

文章目录

同步电机概述
永磁式同步电机
- 结构
- 工作原理
- 起动与异步运行
- 机械特性
- 优缺点
磁阻式同步电机
- 结构
- 工作原理
- 电机的起动
- 优缺点
磁滞式同步电机
- 结构
- 工作原理
- 机械特性
- 优缺点
电磁减速同步电动机
- 结构
- 运行原理
- 优缺点

同步电机概述

之前介绍过直流电机和异步电机，它们的转速会随着负载转矩不同、输入电压不同而变化。
但有时我们希望电动机转速恒定，不随负载和电压的变化而变化，所以就有了同步电机。

同步：

电机转子磁场的转速=定子旋转磁场的转速
电机转子转速=定子电流频率的函数

用途：

主要作为发电机运行（绝大部分电都是由同步发电机发出来的）
作为电动机运行（不必采用闭环控制就可以保持恒定的转速）
作为同步补偿机（实质是一台空载的同步电动机，可以改善和调节电网的功率因数）

这里介绍小功率同步电机，指功率从零点几瓦~几百瓦。转速稳定、结构简单、应用方便，往往作为控制系统的执行元件

分类：

按照定子绕组接的电源种类：三相、单相（两相和单相没有本质区别）
按照转子的结构：永磁式、反应式、磁滞式、电磁减速式

一些概念：

基本电磁转矩：由定、转子间的相互作用力产生的电磁转矩

永磁式同步电机

永磁式同步电机的特点是转子采用永磁体制成，可以是单极，也可以是多极。

结构

定子结构与异步电机相同

转子由两部分组成：

永磁体——同步工作时产生转矩
鼠笼绕组——起启动和阻尼作用

鼠笼绕组都是一样的，放在转子最外圈。根据永磁体的位置不同，转子可以分为这么几类：

了解即可，后面分析按照径向式分析。

工作原理

定子磁场以转速nsn_sns旋转，根据磁极间异性相吸、同性相斥的原理，转子跟着旋转磁场一起旋转，且转速n=nsn=n_sn=ns
同步转速：ns=60fp(r/min)n_s=\displaystyle \frac{60f}{p} ~(\rm r/min)ns=p60f (r/min)，f为电源频率；p为电机极对数

转子和定子磁极轴线的夹角θ\thetaθ也被称为失调角、功率角

当转子上负载增加，夹角θ\thetaθ增大，负载转矩减小，夹角又会减小
只要负载不超过某一限度，转子就能始终跟随定子旋转磁场以同步转速转动。
但如果负载超出这一限度，转子就不能再以同步转速运行，甚至停转，发生失步现象。称刚好不失步时的转矩为最大同步转矩

T=Ksin⁡θT=K\sin{\theta}T=Ksinθ，T为基本电磁转矩。K与定子端电压和转子磁势的乘积成正比
若定子、转子磁势在空间分布符合正、余弦规律，则有：

起动与异步运行

由于转子存在惯性，当转子还来不及转起来时，定子、转子旋转磁场之间转速差很大。转子还没怎么转，定子磁场就已经转过了180度，使得转子又受到反方向的转矩。
转子受到交变转矩作用，平均转矩为0，不能自启动
「对于转子惯性小、定子旋转磁场速度慢的电机，还是有可能自启动的」

与之同理，异步运行时，如果转差率过大，平均转矩也近似为0。

因此设计有鼠笼绕组。（结构和原理与异步电动机相同）
接通电源后，电机按照异步电动机起动，逐渐加速到接近同步转速（n≥0.95nsn\ge0.95n_sn≥0.95ns），此时永磁体受到的磁力可以将转子拉入同步转速。进入同步转速后，鼠笼绕组不再切割磁感线，自动停止工作。

此外，鼠笼绕组还可以使电机失步时不会很快停转

机械特性

直线段：同步运行
曲线段：异步运行
TtinT_{tin}Ttin：名义牵入转矩，转差率s=0.05时的异步转矩。当负载转矩小于它时，电机应可以顺利牵入同步
TtmaxT_{tmax}Ttmax：最大同步转矩（失步转矩）

优缺点

转子可多对极，使电机转速低
功率因数80% ~90%，效率70% ~90%，出力大，体积小，耗电少，结构简单可靠

不可长期运行于异步状态
与异步电机相比，结构更加复杂，成本更高
起动电流大（8~20倍额定电流）

磁阻式同步电机

又称为变磁阻或反应式同步电机（变磁阻——转子转到不同位置，磁路磁阻不同；反应式——转子无磁性，只有定子产生的电枢反应磁场）

结构

定子：与异步电机一样
转子：没有磁性，由软磁钢片叠成，两个正交方向磁阻不同

前面两种转子是需要再加上鼠笼绕组的，而第三种，里面叠加的铜或铝导体本身就可以作为鼠笼绕组，因此不必再另加绕组。

对于凸极式转子：
直轴——沿凸极轴线的方向
交轴——与凸极轴线正交的方向

工作原理

在转子的不同位置，磁路磁阻不同。
记旋转磁场轴线与转子直轴方向夹角为θ\thetaθ(电角)

磁力线有将自己收缩到最短、使磁路磁阻最小的趋势，由于磁通的收缩，转子就受到了转矩的作用，这个转矩称为磁阻转矩
从物理本质上来说，转矩是由于：转子材料在磁场中被磁化，产生临时磁极，定子磁极和转子临时磁极之间异性相吸同性相斥。
磁阻电动机：n=ns=60fp(r/min)n=n_s=\displaystyle \frac{60f}{p}~\rm(r/min)n=ns=p60f (r/min)

θ=90°或180°\theta=90\degree或180\degreeθ=90°或180°，磁阻最大，转矩为0，即转矩每180度电角变化一个周期。
取其基波分量：T=K1sin⁡2θT=K_1\sin{2\theta}T=K1sin2θ

忽略定子绕组电阻，则有：T=K(Rmq−Rmd)sin⁡2θT=K(R_{mq}-R_{md})\sin{2\theta}T=K(Rmq−Rmd)sin2θ
RmqR_{mq}Rmq：交轴磁阻
RmdR_{md}Rmd：直轴磁阻
由此式可以看出，直轴与交轴磁阻差越大，电机出力越高。

负载越大，夹角θ\thetaθ越大。负载超过最大同步转矩，电机就会发生失步。

磁阻转矩与基本电磁转矩

磁阻转矩是磁化形成的临时磁极产生的，180度电角一周期
基本电磁转矩是固有磁极产生的，360度电角一周期

对于永磁同步电机，两种转矩同时存在，但磁阻转矩很小，称为附加转矩

电机的起动

跟永磁式电机一样，由于转子存在惯性、转子转速与定子旋转磁场转速差过大，转子还来不及转动，定子旋转磁场就已经转过90度，磁阻转矩方向改变，交变转矩平均值为0，不能自启动。
解决方法也一样，加鼠笼绕组。

优缺点

结构简单，成本低廉
开环变频调速易于永磁式

功率因数仅50%~ 60%，效率仅60%~ 70%
不可长时间异步工作

磁滞式同步电机

结构

定子：和异步电机一样
转子：硬磁材料（磁滞材料）制成
（硬磁材料较贵，因此做成一层，套在转子的外圆周，称为有效层。内部由非磁性材料或者软磁材料制成，称为衬套或套筒）

两种结构磁力线路径不同，原理相同。

硬磁材料：

剩磁大、矫顽磁力大，经磁化后保持磁性的能力强。
用磁畴概念解释，就是磁畴之间摩擦力大，其方向变化时，需要更大的力、更多的时间才能完成。

工作原理

外磁场不动，转子被磁化：
外磁场转过一个小角度(θ\thetaθ)：由于硬磁材料的特性，可以认为原磁化状态不变。因此被磁化的转子的磁场轴线与外磁场轴线间夹角为θ\thetaθ，称为磁滞角。转子磁场与定子磁场间的电磁力会产生电磁转矩，称为磁滞转矩。
磁滞转矩产生的根本原因是磁畴轴线[即被磁化的转子的磁场轴线]落后旋转磁场轴线θ\thetaθ角
外磁场连续旋转时，如果θ\thetaθ不超过某一个数值，则原磁化状态一直不变，此时磁滞电机相当于永磁电机。θ\thetaθ角的含义与永磁电机的失调角相同。
磁滞转矩可以用永磁电机的分析结果：T=Ksin⁡θT=K\sin \thetaT=Ksinθ，磁滞转矩随磁滞角（磁场偏转角度）的增加而增加。（类比为静摩擦，摩擦力不同而相对静止速度相同）
此时电机同步运行，转速：n=ns=60fp(r/min)n=n_s=\displaystyle \frac{60f}{p}~(\rm r/min)n=ns=p60f (r/min)
θ\thetaθ超过最大稳态值θm\theta_mθm，转子磁化状态被改变。定子磁场与转子磁场以相同的速度旋转，定子磁场轴线与被磁化的转子的磁场轴线夹角 ( 磁滞角θ\thetaθ）保持为θm\theta_mθm，转子转速不再等于被磁化的转子的磁场的转速
磁滞转矩恒定为最大磁滞转矩。（类比发生了滑动摩擦，摩擦力恒定而速度不同）
此时电机异步运行。
只要负载转矩小于最大磁滞转矩，电机就可以一直加速，直到进入同步。因此，磁滞式电机可以自启动

机械特性

磁滞角相同，磁滞转矩ThmT_{hm}Thm恒定

涡流转矩TeT_eTe：
异步运行状态，转子的磁化状态一直在改变，因此产生涡流，引起涡流转矩。涡流转矩与异步电动机中电磁转矩性质相同，由于硬磁材料电阻率大，因此机械特性软，线性性好。

Te=Tek(1−nns)T_e=T_{ek}(1-\displaystyle \frac{n}{n_s})Te=Tek(1−nsn)

总电磁转矩：Tem=Thm+TeT_{em}=T_{hm}+T_eTem=Thm+Te

优缺点

有天然的启动转矩，不必外加启动绕组，结构简单
启动电流小
可以带较大负载启动
可以在定子上装多个不同极对数的绕组，做成多速磁滞电动机（转子上磁化的磁极对数总是和定子旋转磁场的磁极对数相同）

功率因数低（30-50%）
阻尼弱，易震荡
成本高
异步运行时转子被交变磁化，产生较大涡流损耗和磁滞损耗，低速运行发热严重，不宜长期异步运行

电磁减速同步电动机

有时我们需要低速大转矩的电动机，但是一般电机的同步转速n=60fpn=\frac{60f}{p}n=p60f，由于p不能太多（一般小于10），所以同步转速还是过高。
若采用齿轮减速器：则由于齿轮间隙引起一定范围内的震荡、刚度降低。
电磁减速同步电机是一种低速电机，不需要经过齿轮减速器可以直接驱动负载。具有响应迅速、运行稳定的优点。

结构

定子：硅钢片叠成，定子开槽，齿数为ZsZ_sZs，槽中放绕组
转子：硅钢片叠成，转子开槽，齿数为ZrZ_rZr，Zs<ZrZ_s<Z_rZs<Zr

每个极距下，转子齿数比定子齿数多1，即
Zr2p−Zs2p=1\displaystyle \frac{Z_r}{2p}-\frac{Z_s}{2p}=12pZr−2pZs=1，或Zr=Zs+2pZ_r=Z_s+2pZr=Zs+2p

运行原理

这里只介绍反应式（磁阻式）电磁减速同步电机

定子旋转磁场轴线A与转子齿1轴线重合：定子、转子齿对齐
定子旋转磁场轴线转到B，磁力线力图式磁阻最小，即欲定子齿与转子2齿对齐
可以自启动

转子齿数越多，电机转速越慢。

优缺点

反应式电磁减速同步电机结构简单，制造方便，成本低
转速低
启动、正反转运行时，电流变化不大，可以长期堵转

电源频率高/转子惯性大时不易自启动（常采用电机转轴与负载轴弹性联接的方式改善启动性能）

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