第八章同步电机
同步电机原理和结构
1．同步发电机原理简述
（1）结构模型：
同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。最常用的转场式同步电机的定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间
的分布磁场，称为励磁磁场（也称主磁场、转
子磁场）。除了转场式同步电机外，还有转枢式
同步发电机，其磁极安装于定子上，而交流绕
组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转
子充当了电枢。图8-1-1给出了典型的转场式
同步发电机的结构模型。图中用AX、BY，CZ 共
3个在空间错开120°电角度分布的线圈代表
三相对称交流绕组。
（2）工作原理
同步电机电枢绕组是三相对称交流绕组，当
图8-1-1 同步电机结构模型
原动拖动转子旋转时，通入三相对称电流后，会
产生高速旋转磁场，随轴一起旋转并顺次切割定
子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场），会在其中感应出大小和方向按周期性变化的交变电势，每相感应电势的有效值为，
E0＝Фf k w （8-1-1）式中f——电源频率；Фf——每极平均磁通；
N——绕组总导体数；k w——绕组系数；
E0是由励磁绕组产生的磁通Фf在电枢绕组中感应而得，称为励磁电势（也称主电势、空载电势、转子电势）。由于三相电枢绕组在空间分布的对称性，决定了三相绕组中的感应电势将在的时间上呈现出对称性，即在时间相位上相互错开1/3周期。通过绕组的出线端将三相感应电势引出后可以作为交流电源。可见，同步发电机可以将原动机提供给转子的
旋转机械能转化为三相对称的交变电能。
感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p ，即
供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为f =50Hz 。
2．同步电机的额定值和型号
（1）额定值：
额定容量S N (VA,kVA,MVA)或额定功率P N (W,kW,MW)：指电机输出功率的保证值。发电机通过额定容量值可以确定电枢电流，通过额定功率可以确定配套原动机的容量。电动机的额定容量一般用kW 表示，补偿机则用kWAR 表示。
额定电压U N (V,kV)：指额定运行时定子输出端的线电压。
额定电流I N (A)：指额定运行时定子输出端的线电流。
额定功率因数 N ?cos ：额定运行时电机的功率因数。
额定频率f N (Hz)：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国标准工业频率规定为50Hz 。
额定转速n N (r/min)：额定运行时电机的转速，即同步转速。
除上述额定值外，同步电机铭牌上还常列出一些其它的运行数据，例如额定负载时的温升τN ，励磁容量P fN 和励磁电压U fN 等。
（2）国产同步电机型号：
我国生产的汽轮发电机有QFQ ，QFN ，QFS 等系列，前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式；Q 表示氢外冷，N 表示氢内冷，S 表示双水内冷。我国生产的大型水轮发电机为TS 系列，T 表示同步，S 表示水轮。举例来说：QFS －300－2表示容量为300MW 双水内冷2极汽轮发电机。TSS1264/48表赤双水内冷水轮发电机，定子外径为1264cm ，铁心长为160cm ，极数为48。
此外同步电动机系列有TD ，TDL 等，TD 表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如TDG 表示高速同步电动机；TDL 表示立式同步电动机。同步补偿机为TT 系列。 同步发电机励磁方式简介
1．直流励磁机励磁
直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。如图8-2-1所示。
60
pn
f =
图8-2-2
静止整流器励磁系统
图8-2-1 直流励磁机励磁系统
2．静止整流器励磁
同一轴上有3台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来再转为自励（有时采用永磁发电机）。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出 电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。（见图8-2-2）
3．旋转整流器励磁
静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统，如图8-2-3所示。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电
机，旋转电枢的交流电流经与主轴
一起旋转的硅整器整流后，直接送
到主发电机的转子励绕组。交流主
励磁机的励磁电流由同轴的交流
副励磁机静止的晶闸管整流器整
流后供给。由于这种励磁系统取消
了集电环和电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。
同步电机电枢反应的概念
1．负载后的磁势分析
空载时，同步电机中只有一个以
同步转速旋转的励磁磁势F f ，它在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，其每相有效值为E 0，称为励磁电势。电枢绕组每相端电压U ＝E 0。
当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流 c b a I I I ???和,。我们知道，当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转磁势。由此可见，负载以后同步电机内部将会产生又一个旋转磁势F a ——电枢旋转磁势。因此，同步发电机接上三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转子磁势F f （称为机械旋转磁势）外，又多了一个电枢旋转磁势F a （称为电气旋转磁势）。如图8-3-1所示，不难证明这两个旋转磁势的转速均为同步速，而且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，可以用矢量加法将其合成为一个合成磁势F 。气隙磁场B δ可以看成是由合成磁势F 在电机的气隙中建立起来的磁场。B δ也是以同步转速旋转的旋转磁场。
可见同步发电机负载以后，电机内部
的磁势和磁场将发生显著变化，这一变化
主要由电枢磁势的出现所致。
2．电枢反应
电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大
小和位置发生变化，我们把这一现象称为
电枢反应。电枢反应会对电机性能产生重
大影响。电枢反应的情况决定于空间相量F a 和F f 之间的夹角，从下面的分析可知，这一夹角又和时间相量0??E Ia 和之间的相位差φ相关连。φ称为内功率因数角，其大小由负载的性质决定。可见φ的大小（即负载的性质）决定了F a 和F f 之间的夹角，也即决定了电枢反应的情况。为了分析方便，将转子磁极的轴线定义为直轴，并用d 表示；将与直轴正交的方向定义为交轴，并用q 表示。以下从同步发电机的时空相量图入手对各种情况下的电枢反应进行分析。
（1）同步发电机的时空相量图
如图8-3-2所示的瞬间，A 相绕组中感应电势0?E 达到最大值，此时如果?=0?，即A 相电流a I o E a I ???同相位，则和亦达到最大值。由异步电机介绍可知，电枢磁势（三相合图8-2-3 旋转整流器励磁系统 图8-3-1 负载后电机中的旋转磁势
成磁势）F a 的轴线将和A 相线圈的轴线重合。一般情况下，a I
?（时间相量）滞后或超前
于0?E （时间相量）? 电角度时，F a （空间相量）的轴线位置也滞后或超前于A 相绕组的轴线?电角度。即0E I a 和在时间上的相位差等于F a 的轴线和A 相绕组轴线的空间角度差。以上结论虽然是在一个特殊的瞬间（磁极轴线和A 相绕组轴线重合时）得出的，由于F a 和F f 同速同步旋转，故在负载一定的情况下，F a 和F f 的空间相位差等于?＋90°电角度。
为了分析方便，人们常将时间相量a a f I E ,,,0ΦΦ
和空间相量F f ，F a ，F 画在一起构成所谓的时空相量图（见图8-3-2）。在时空相量图中 （处于磁极轴线
方向，即d 方向）重合， 滞后?Φ?
90f 电角度（处于相邻一对磁极的中性线位置，即q 方向）， 和 之间
的相位差 由负载性质决定，F a 和 重合。 利用时空相量图（图8-3-3），可以方便地分析不同负载情况时同步发电机电枢反应的情况。
（2）
和 同相位或者反相位时的电枢反应 此时，?=0?或者180°，F a 与F f 之间的夹角为90°或者270°，如图8-3-3(a)所示，即二者正交，转子磁势作用在直轴上，而电枢磁势作用在交轴上，电枢反应的结果使得合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。这种作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用。
（3）a I ?滞后于0?
E 90 °时的电枢反应 图8-3-2 同步发电机时空相量图
图8-3-3 用时空相量图分析同步发电机的电枢反应
(a)φ=0°；(b) φ=90°;(c) 0°<φ<90°；(d)-90°＜φ＜0°
?f f F 和?Φ0?E a I ?0?E ?a I ?a I ?0?
E
此时φ=90°，F a 与F f 之间的夹角为180°,如图8-3-3(b)所示，即二者反相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应。
（4）a I ?超前于0?E 90°时的电枢反应
此时φ=90°，F a 与F f 之间的夹角为0°，即二者同相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为纯增磁作用，合成磁势的幅值加大，这一电枢反应称为直轴增磁电枢反应。
（5）一般情况下的电枢反应
一般情况下（φ为任意角度时），参看图8-3-3(c)和(d)，可将 分解为直轴分量 和交轴分量 产生直轴电枢磁势F ad ，F ad 与F f 同相或反相，起增磁或者去磁作用； 产生交轴电枢磁势F aq ，F aq 与F f 正交，起交磁作用。根据正交分解原理有：
8．4 电枢反应电抗和同步电抗 当三相对称的电枢电流流过电枢绕组时，将产生旋转的电枢磁势F a ，F a 将在电机内部产生跨过气隙的电枢反应磁通a ?Φ和不通气隙的漏磁通σσ?
??ΦΦΦ和a ,将在分别在电枢各相绕组中感应出电枢反应电势a E ?和漏磁电势a a I E E ???与电枢电流。σ的大小成正比（不计
饱和），比例常数称为电枢反应电抗X a ，考虑到相位关系后，每相电枢反应电势为： a a a I X E ??-=j (8-4-1) 电枢反应电抗X a 的大小和电枢反应磁通a ?Φ所经过磁路的磁阻成反比，a ?
Φ所经过的磁路与电枢磁势F a 轴线的位置有关。对于凸极电机而言，当F a 和F f 重合时，即F a 和磁极的轴线重合时，a ?Φ经过直轴气隙和铁心而闭合（这条磁路称为交轴磁路），如图8-4-1(a)所示。此时由于直轴磁路中的气隙较短，磁阻较小，所以电枢反应电抗就较大。当F a 和F f 正交时，a I ?d I ?
d q I I ??q I ??
?
?
?
cos sin cos sin a aq a ad aq
ad a aq
ad a a q a d q
d a F F F F F F F F F F I I I I I I I ==+=+===+=???（8-3-2
）
（8-3-1）
即F a 和磁极的轴线垂直时， a ?Φ经过交轴气隙和铁心而闭合（这条磁路称为直轴磁路），如图8-4-1(b)所示。此时由于交轴磁路中的气隙较长，磁阻较大，所以电枢反应电抗就较小。一般情况下，F a 和F f 之间的夹角由负载的性质决定，为a ?Φ+?,90? 的流通路径介于直轴磁路和交轴磁路之间，电枢反应电抗的大小也就介于最大和最小之间。
由于F a 和F f 之间的夹角受制于内功率因数角φ（即负载的性质），不同负载时，F a 和F f 之间的夹角不同，对应的X a 也就不同，这给分析问题带来了诸多不便。为了解决这一问题，人们采用了正交分解法和叠加原理，将F a 看成是其直轴分量F ad 和交轴分量F aq 的叠加，并认为F ad 单独激励直轴电枢反应磁通ad ?Φ，其流通路径为直轴磁路，对应有一个固定的直轴电枢反应电抗X ad ，并在电枢每组绕组中产生直轴电枢反应电势aq ad F E ；?单独激励交轴电枢反应磁通aq ?Φ，其流通路径为交轴磁路，对应有一个固定的交轴电枢反应电抗X aq ，并在电枢每相绕组中产生交轴电枢反应电势aq E ?。电枢绕组总的电枢反应电势a E ?
可以写为 q aq d ad aq ad I jX I jX E E E ?????--=+= (8-4-2) 考虑到漏磁通 引起的漏抗电势σσσX I X E a (j ??-=为电枢绕组的漏电抗）后，电枢
绕组中由电枢电流引起的总的感应电势为 其中，X d =X ad +X σ定义为直轴同步电抗，X q = X aq + X σ定义为交轴同步电抗。
对于隐极电机来说，由于电枢为圆柱体，忽略转子齿槽分布所引起的气隙不均匀后，可以认为隐极电机直轴磁路和交轴磁路的磁阻相等，直轴和交轴电枢反应电抗相等，即X a = X ad = X aq 。结合 ，并代入式（8-4-3）可得 (8-4-4)
式中X s = X a + X σ定义为隐极电机的同步电抗。 8-4-1 凸极电机中枢磁通的流通路径
(a)直轴磁路； (b)交轴磁路
q aq d ad aq ad a I X I X E E E ?????--=+=j j σ
?
Φq d a I I I ???+=a
s d a a a a a q aq d ad a I X I X X I
X I X I X I X I X E E ??
???
????-=+=-=--=+j )j( j j j j j σσσσq
q d d q aq d ad q d q aq d ad a
q aq d ad a I X I X I X X I X X I I X I X I X I jX I X I X E E ????????????-=+-+=+--=---=+j j )j()j( )
(j j j j j σσσσσ
由定义可知，同步电抗包括两部分：电枢绕组的漏电抗和电枢反应电抗。在实用上，常将二者作为一个整体参数来处理，这样便于分析和测量。
同步发电机并入电网条件与方法
把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联，或称为并列、并车、整步。在并车时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏、电网遭受干扰。为此，并车前必须检查发电机和电网是否适合以下条
件：
（1）双方应有一致的相序；
（2）双方应有相等的电压；
（3）双方应有同样或者十分接近的频率
和相位。
下面研究这些条件之一得不到满足时会发生的情况。
（1）如果双方电压有效值不相等，在图8-5-1
图8-5-1 同步发电机并联运行
中，电网用一个等效发电机A来表示，B表示即
将并车的发电机。若U不等于U1，在开关K的两端，会出现差额电压ΔU=U1-U，如果闭合K，在发电机和电网组成的回路中必然会出现瞬态冲击电流。因此，在并车时，电压的有效值必须相等。
（2）如果双方频率或者相位不相等，则U和U1不能同步变化，即U和U1的瞬时值将不相等，并车后也会出现瞬时电压差ΔU，从而引起并车冲击电流。因此，要求频率必须相等或十分接近。
（3）如果双方相序不一致，U和U1的瞬时值将会出现较大的差值电压，错误并车将会产生很大的冲击电流。因此，并车时必须严格保证相序一致。
上述条件中，除相序一致是绝对条件外，其它条件都是相对的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。
并车的准备工作是检查并车条件和确定合闸时刻。通常用电压表测量电网电压U1，并调节发电机的励磁电流使得发电机的输出电压U＝U1的。再借助同步指示器检查调整频率和相位以确定合闸时刻。
同步指示器通常采用以下两种连接方法：
1．灯光明暗法
如图8-5-2(a)所示，将3只灯泡直接跨接于电网与发电机的对应相之间，灯泡两端的电压即为发电机端电压U电网电压U1的差值ΔU＝U－U1，在图8-5-3中，用相量A1，B1，C1表示电网的电压相量，A，B，C代表发电机的电压相量，两组相量分别以角速度ω1，ω旋转。如果两组相量大小相等、相序一致、频率接近，则两组相量转向相同且存在缓慢的相对角速度ω1－ω，ΔU的大小在0~2 U1之间变化，灯光呈现出明暗交替变化。调整发电机的转速使得ω十分接近ω1，等待两组相量完全重合时，ΔU＝0，灯泡熄灭，此时刻是合
闸并车的最佳时刻。
综上所述，明暗法并车方法为：（1）通过调节发电机励磁电流的大小使得U－U1；（2）电压调整好后，如果相序一致，灯光应表现为明暗交替，如果灯光不是明暗交替，则说明相序不一致，这时应调整发电机的出线相序或电网的引相序，严格保证相序一致；（3）通过调节发电机的转速改变U的频率，直到灯光明暗交替十分缓慢时，说明U和U1的频率已十分接近，这时等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并车。
2．灯光旋转法
参看图8-5-2(b)和图8-5-4，灯1跨接于AB1，灯2
跨接于A1B，灯3跨接于C1C 。如果两组相量大小相等、
相序一致、频率接近，则加于3只指示灯的电压ΔU1，Δ
U2，ΔU3的大小将交替变化。假设ω－ω1旋转，在转到
C和C1重合时，3熄灭，1和2亮度一样；再转到C和B1
图8-5-2 三相同步发电机整步
(a)灯光明暗法； (b)灯光旋转法
图8-5-3 灯光明暗法电压相量图
重合时，B 将和A 1重合，2熄灭，3，1同亮；到C 和A 1重合时，A 亦与B 1重合，熄灭2，3同亮。可见灯光发亮的顺序为12→31→23→12…，在圆形的指示器上，相当于灯光顺时钟旋转。同理，如果ω1快于ω则灯光逆时钟旋转。调整发电机转速，直到灯光旋转十分缓慢，等待灯3完全熄灭时，合闸并车。
综上所述，旋转法并车方法为：（1）通过调节发电机励磁电流的大小使得U ＝U 1；（2）电压调整好后，如果相序一致，则灯光旋转，否则说明相序不一致，这时应调整发电机的出线相序或电网的引线相序，严格保证相序一致；（3）通过调节发电机的转速改变U 的频率，直到灯光旋转十分缓慢时，说明U 和U 1频率已十分接近，这时等待灯3完全熄灭的瞬间到来，即可合闸并车。
灯光法又称为理想整步法。由于它对并车条件逐
一检查和调整，所以费时较多。一般可采用简单的自
整步法：在相序一致的情况下将励磁绕组通过适当的电阻短接，再用原动机把发电机拖动到接近同步速（相差2%~5%），在没有接通励磁电流的情况下将发电机接入电网，再接通励磁并调节励磁强弱，依靠定子磁场和转子磁场之间的电磁转矩将转子拉入同步转速，并车过程即告结束。需要注意的是，励磁绕组必须通过一限流电阻短接，因为直接开路，将在其中感应出危险的高压；直接短路，将在定、转子绕组中产生很大的冲击电流。自整步法的优点是：操作简单，方便快捷；缺点是：合闸时有冲击电流。
8．6 同步发电机有功功率及无功功率的调节方法
1．功率平衡与功角概念 同步发电机的功率流程如图8-6-1所示。P 1为自原动机向发电机的输入的机械功率，其中一部分提供轴与轴承间的摩擦、转动部分与空气的摩擦及通风设备的损耗，总计为机
械损耗p m ，另一部分供给定子铁心中的涡流和磁滞损耗，总计为铁心损耗p Fe ，P M =P 1-( p m + p Fe )为通过电磁感应作用转变为定子绕组上的电功率，称为电磁功率。如果是负载运行，定子绕组中还存在定子铜耗p Cul ，P 2=P M - p Cul 就是发电机的输出功率。同步发电机的功率平衡方程式为
图8-5-4 灯光旋转法电压相量图
图8-6-1 同步发电机功率流程图
图8-6-2 功角的空间概念 P ＝P M ＋p Fe ＋p m+
P M =P 2+ p Cul 定子绕组的电阻一般较小，其铜耗可以忽略不计，则有
P M ＝P 2＝mUI cos φ＝mUI cos (φ-δ) (8-6-2)
其中Ψ为内功率因数角，δ＝Ψ-φ定义为
功角。它表示发电机的励磁电势
和端电压 ?U 之间相位差。功角δ对于研究同步电机的功
率变化和运行的稳定性有重要意义。图8-6-2
画出了同步电机的简化时空相量图。图中忽略
了定子绕组的漏磁电势，认为
00,?????++≈E E E E U a 对应于转子磁势a f E F ?
,对应于电枢磁势F a ，所以可近似认为端电压
?U 由合成磁势F =F f +F a 所感应。
F 和F f 之间的空间相角差即为0?E 和?U 之间的时间相角差δ，可见功角δ在时间上表示端电压和励磁电势之间的相位差，在空间上表现为合成磁场轴线与转子磁场轴线之间的夹角。并网运行时， 为电网电压，其大小和频率不变，对应的合成磁势F 总是以同步速度ω1=2πf 旋转。因此功角δ的大小只能由转子磁势的角速度ω决定。稳定运行时，ω=ω1，因此F 与F f 之间无相对运动，对应每一种稳定状态，δ具有固定的值。
2．功角特性
功角特性指的是电磁功率P M 随功角δ变化的关系曲线P M =f (δ)，下面分别是凸极电机和隐极电机的功角特性。
（1）凸极电机功角特性
式中 δsin 0d M
X UE m P =' ——基本电磁功率； δ2sin )11(22d
q M X X U m P -=''——附加电磁功率。 （2）隐极电机的功角特性：在上式中，令X d =X q =X s 即得，只有基本电磁功率。 (8-6-1
0?E M M
d
q d d q M P P X X U m X UE m X U E mU X U mU P ''+'=-+=-+= 2sin )11(2sin sin cos 20cos 0sin δδδδδδ
（3）有功功率的调节
功角特性P M =f (δ)反映了同步发电机的电磁功率随着功角变化的情况。稳态运行时，同步发电机的转速由电网的频率决定，恒等于同步转速，即发电机的电磁转矩T M 和电磁功率P M 之间成正比关系： Ω=M M P T 式中，Ω为转子的机械角速度。电磁转矩与原动机提供的动力转矩及空载阻力转矩相平衡
T 1＝T M ＋T 0
其中T 0为空载转矩（因摩擦、风阻等引起
的阻力转矩）。
可见要改变发电机输送给电网的有功功率
P M ，就必须改变原动机提供的动力转矩，这一改
变可以通过调节水轮机的进水量或汽轮机的汽
门来达到。当功角处于0到δm 范围内时，随着
δ的增大，P M 亦增大，同步发电机在这一区间能
够稳定运行。而当δ＞δm 时，随着δ的增大，
P M 反而减小，电磁功率无法与输入的机械功率相
平衡，发电机转速越来越大，发电机将失去同
步，故在这一区间发电机不能稳定运行。
（4）并网运行时无功功率的调节：
由异步发电机的V 形曲线（如图8-6-3），通过调节励磁电流可以达到调节同步发电机无功功率的目的。当某一欠励状态开始增加，励磁电流时，发电机输出的超前无功功率开始减少，电枢电流中的无功分量开始减少；达到正常励磁状态时，无功功率变为零，电枢电流中的无功分量也变为零，此时cos φ=1;如果继续增加励磁电流，发电机将输出滞后性的无功功率，电枢电流中的无功分量又开始增加。电枢电流随励磁电流变化的关系表现为一个V 形曲线。V 形曲线是一簇曲线，每一条V 形曲线对应一定的有功功率。V 形曲线上都有一个最低点，对应cos φ=1的情况。将所有的最低点连接起来，将得到与cos φ=1对应的线，该线左边为欠励状态，功率因数超前，右边为过励状态，功率因数滞后。
8．7 同步电动机时运行特性
1．V 形曲线： 图8-6-3 同步发电机的V 形曲线
与发电机类似，同步电动机的功率因数可以通过改变励磁电流的大小来调节。如果增大励磁电流使电动机处于过励状态，则励磁磁势F f 增大，而合成磁势F 的大小是不变的（由电网电压决定），按照磁势平衡原理，电网将输出给电动机一超前电流 ，该电流在电动机内部将产生去磁性的电枢反应，使得磁势得到平衡。电网输出给电动机超前电流相当于电网从电动机处吸取了滞后电流，正好满足了附近电感性负载的需要，使得电网的功率因数得到补偿。
如果减小励磁电流使电动机处于欠励状态，则励磁磁势F 也减小，电网必须输出给电动机一滞后电流来产生增磁电枢反应，以保持合成磁势F 不变。这种情况和异步电动机的情况类似，所以同步电动机一般不采用欠励运行。
如果保持机械负载不变（相当于有功功率不变），调节励磁电流I f ，对应的电枢电流I a 随之而变，和发电机一样可画出同步电动机的V 形曲线（见图8-7-1）。
但是同步电动机亦有一些缺点，如起动
性能较差，结构上较异步电动机复杂，还要
有直流电源来励磁，价格比较贵，维护又较
为复杂，所以一般在小容量设备中还是采用
异步电动机。在中大容量的设备中，尤其是
在低速、恒速的拖动设备中，应优先考虑选
用同步电动机，如拖动恒速轧钢机、电动发
电机组、压缩机、离心泵、球磨机、粉碎机、
通风机等。
利用同步电动机能够改变电网功率因数
这一优点，亦有制造专门用作改变电网功率因数的电动机，不带任何机械负载，这种不带机械负载的同步电动机称之为同步补偿机或
同步调相机。同步调相机是在过励情况下空载
运行的同步电动机。
2．同步电动机的功角特性
同步电动机以凸极转子结构比较多，因此以凸极电机的功角特性为例来研究。
同步电动机的功角特性公式和发电机的一样都可以从相量图中导出来。电动机的功角δ为
的角度，如将发电机功角特性中的δ用－δ来替代，这样电磁功率就变成了负值，电动机状态下是电网向电动机提供有功功率，所以写电动机公式时，将负号去掉，于是功角特性就和发电机的功角特性具有相同的形式： 图8-7-1 同步电动机V 形曲线 a I ?0?
?E U 超前
M M
d
q d d
q M P P X X U m X UE m X U E mU X U mU P ''+'=-+=-+= 2sin )11(2sin sin cos 20cos 0sin δδδδδδ (8-7-1) 相应的电磁转矩为：
M M M M M M T T P P P T ''+'=Ω
''+'=Ω=
(8-7-2) 从上面式子可以看出： 同步电动机的电磁转矩包括基本电磁转矩
和附加电磁转矩 两部分，当励磁电流为零时，即E 0＝0时，仍具有附加电磁转矩
。利用此原理，可以制成所谓的磁阻同步电动机。这种电机的转子上没有励磁绕组，是凸极式的，靠它的直轴与交轴磁阻不相等而产生电磁转矩。它的容量一般很小，常做成10kW 以下的电动机，能在变频、变压的电源下运行，而且速度比较均匀，常在转速需要均匀的情况下被采用，如精密机床工业、人造纤维工业、电子计算机等方面。
3．同步电动机的异步起动
当定子绕组接到电源后，按照同步电机的原理，同步电动机是不能产生起动转矩的。目前工矿企业中看到的同步电动机都能够起动，这是利用异步电动机的原理来产生起动转矩，使得电机转动起来的。下面我们分析同步电动机没有起动转矩的原因及起动问题的解决方法。
图8-7-2是一台两极同步电动机，假设在合闸瞬间，转子（已经加励磁）处于图8-7-2(a)所示的位置，此时，电磁转矩T 倾向于使转子逆时钟转动；在另一个瞬间（图8-7-2(b)所示），定子磁场已转过180°，而转子由于机械惯性尚未起动，电磁转矩T 倾向于使转子顺时钟转动。由于定子磁场以同步速旋转，作用于转子上的力矩随时间以f =50Hz 作交变，那么转子上受到的平均转矩为零。因此同步电动机是不能自行起动的。同步电动机没有起动转矩是它的一大缺点，它的起动只能依靠其它方法，使得转子转动到接近同步速时，经过拉入同步过程，才能实现同步电动机运行。
同步电动机的起动方法，目前几乎都采用异步起动法。要实现同步电动机的异步起动，就需要在转子磁极表面装有类似异步电动机鼠笼转子的短路绕组，称之为起动绕组。与异M T 'M T ''M T ''
步机工作相似，旋转磁场将在转子起动绕组中感应电流，此电流和旋转磁场相互作用产生异步转矩，这样同步电动机就按照异步电动机的原理转动起来。在转速上升到接近同步转速时，再给励磁绕组中通入直流励磁电流，使得转子产生磁极磁场，此时它和气隙磁场的转速已经十分接近，依靠这两个磁场间的相互吸引力产生转矩（称为同步转矩），将转子磁
极拉入同步，这个过程称为拉入同步过程。
8．8 同步发电机的绝缘、温升要求、冷却方式
同步发电机的绝缘、温升要求的总原则与第7章的异步电动机相应理论相似，在此不多叙述。但由于同步发电机输出功率巨大，发热量大，冷却成为主要难题常见的发电机冷却形式介绍如下：
（1）空气冷却发电机：
在该系统内，冷风经鼓风经三路进入电机：一路从护环下进入，吹拂转子绕组端部表面后，进入定、转子之间的气隙；一路是直接进入气隙；另一路经定子机座端部和通风管吹拂定子线圈端部和铁心两侧的结构部件，再流经定子铁心的部分通风道后也进入气隙。这三路风分别吸取了一定的热量，在气隙汇合后再一同经定子铁心的另一部分通风道，成为热风而排出，这是典型的空气表面冷却电机的通风系统。
（2）氢气冷却发电机
氢气的相对密度约为空气的十分之一，采用它来取代空气，可使发电机的通风摩擦损耗减少近90％，从而使电机的总损耗减少30~40%，大大提高了电机的效率。此外氢气有较良好的散热性能，因此较早地取代空气而广泛地应用于汽轮发电机中。 氢气冷却发电机在结构上有两个特殊的要求必须考虑，即防爆和防漏。因此整个电机图
8-7-2 起动时的同步转矩
特别是它的两个轴伸端必须采取十分严密的密封同时电机的外壳也需采用较厚的钢板以能承受发生意外爆炸时的压力，而不致引起事故的扩大。
当采用氢内冷时，定子线圈一般是采用将氢气从线圈的一端进入，而由另一端排出。转子由于发热更严重，常采用两端进风，然后在转子中部沿半径方向出风或多路并联的进出风风路。
（3）水内冷发电机
凝结水电导率低，化学性稳定，流动性好，尤其是具有远远优于空气和氢气的良好散热能力，因此是理想的冷却介质。自1958年我国研制成第一台定子、转子线圈都采用水内冷的12000kW双水内冷汽轮发电机以来，世界各国已制造了不少这种发电机。
双子内冷发电机的定、转子线圈的结构冷水从外部水系统通过管道流至装在定子机座上的进水环和转子上进水支座，再分别经绝缘管流入各个线圈，吸收热量后再经绝缘水管汇总到装在机座上的出水环和转子出水支座，然后排入电机的外部水系统。
（4）超导体发电机
近年来世界各主要工业国已开始研制超导汽轮发电机，它是巨型汽轮发电机的一种很有前途的冷却方式。由于超导状态下电机绕组的电阻完全消失，从而彻底解决了电机的发热温升问题，也大大提高了电机的效率。超导励磁绕组中的许用电流密度可提高为常规绕组的几十倍，这样，电机中的磁通密度可以取得很高，使得传统常规电机中导磁的铁心可以省掉，做成无槽气隙绕组的形式，在它们的最外面再加上一个屏蔽壳以防电机磁场外散。由于省掉了电机传统的铁芯，发电机体积与重量大为下降而综合性能得到极大提高。
(一) PMSM 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势， 忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: d d s d d c q q q s q q c d di u R i L dt di u R i L dt ωψωψ?=+-????=++?? 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相
静止坐标系的变换，如下式所示。 cos sin 22 cos()sin() 33 22 cos()sin() 33 a d b q c u u u u u θθ θπθπ θπθπ ?? ? - ??? ?? ?? =--- ? ?? ?? ?? ?? ? +-+ ?? (2)d/q轴磁链方程： d d d f q q q L i L i ψψ ψ =+ ?? ? = ?? 其中，ψf为永磁体产生的磁链，为常数，0 f r e ω ψ=，而c r p ω ω=是机械角速度，p为同步电机的极对数，ωc为电角速度，e0为空载反电动势，其值为每项 倍。 (3)转矩方程： 3 2 e d q q d T p i i ψψ ?? =- ?? 把它带入上式可得: 3 () 2 33 () 22 e f q d q d q f q d q d q T p i L L i i p i p L L i i ψ ψ ?? =+- ?? =+- 对于上式，前一项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩；后一项是转子突极效应引起的转矩，称为磁阻转矩，若Ld=Lq，则不存在磁阻转矩，此时，转矩方程为： 3 2 e f q t q T p i k i ψ == 这里， t k为转矩常数， 3 2 t f k pψ =。
爪极永磁同步电机的设计特点 李开成张健梅（华中理工大学武汉430074） 【摘要】介绍爪极永磁同步电机转子的结构及设计特点，并说明了一些主要结构尺寸间的关系。 【叙词】永磁电机同步电机设计 1引言 爪极永磁同步电机的永久磁铁形状简单，极间漏磁大，磁铁过载能力强，机械强度高，普遍用于变流机和变频机，发电机的制造容量自数百瓦到数千瓦。当频率在1000Hz以内时，制造容量可达数十千伏安。这种电机由于转子采用爪极结构，而爪极的形状又可多种多样，因此，较普通永磁同步电机计算复杂。这种电机的分析和设计，在国内外文献中介绍较少。本文介绍爪极永磁同步电机的设计特点及爪极转子的设计。 2爪极式转子的结构及其特点
爪极式转子通常由两个带爪的法兰盘和一个圆环形永久磁铁组成，如图1所示。图la和c为左右两个带爪子的法兰盘，二者爪数相等，且等于极数的1/2。图lb为圆环形磁铁沿转子轴向充磁。图ld为装配图，左右为两个法兰盘对合，二者爪子互相错开，沿圆周均匀分布。圆环形永久磁铁夹在两个带爪法兰盘中间，使一个法兰盘上的爪子皆为N极性，另一个法兰盘上的爪子皆为S极性，形成如图le所示的多极转子结构。显然，法兰盘上的爪子起了极靴的作用。 爪极永磁同步电机中，电机的全部磁通(P对极)轴向穿过圆环形磁铁，进入爪极，经气隙进入定子，爪极中的磁路如图2所示。 爪极通常由10号钢制成，或由钢板冲成，也可由粉末冶金直接压制成形。由于磁通轴向通过爪子，爪子的每一截面通过的磁通不相等，爪尖最少，爪根最多。爪子的截面积沿电机轴向是变化的，爪尖部分的面积最小，爪根部分最大。爪极的形状多种多样，有等宽爪极、梯形爪极，还有正弦爪极。图3为梯形爪极形状。
多台电机同步驱动 图片： 摘要：在涂装行业中，由于传动链一般为几百米至上千米不等，因此传动链驱动通常采用几台电机同时驱动，要求几台电机速度同步才能保证传动链的正常运行，否则就会产生链条堆积或断裂，使系统不能很好的运行。同时本文将重点介绍安邦信G11变频器在传动链多台电机同步控制的应用。 关键词：传动链、同步控制、变频调速 一、前言 目前在涂装行业中由于涂装加工工艺流程较多，且规模较大，机械化生产线取代人工生产线。被加工工件多数采用吊空线或地盘线输送，在整个加工工艺流程中循环运行。传动链一般都很长，几百米至几千米不等。这样，一台电机驱动根本实现不了，就要求几台电机同时驱动一条传动链，就必须让电机实现同步控制，否则链条就容易堆积或断裂。 二、控制方式及控制要求 解决多台马达作同步控制时多数厂家大都采用两种控制方式。 1、采用滑差调速电机拖动（俗称VS马达控制器或速比控）。利用行程开关调整滑差。VS马达控制器是一种相当简单的带电压负反馈的，单相晶闸管整流控制器，其控制器输出一个直流供应给VS马达的励磁线圈。此控制系统的负载特性相当差，低速时速度极不稳定，容易造成系统链条堆积或断裂，且故障率很高。 2、采用变频器加异步电机拖动，利用行程开关调整速差。其控制原理是：在链条的每一传动段中，安装一个驱动座和一个调整座。调整座是可以移动的，可以用于存储过多的链条，当链条区段速度不一致时，链条会伸长和收紧。这样调整座的移动会让其行程开关发生状态
变化，从而调整马达的速度，使之达到平衡输送的目的。此系统工作时，调整是靠行程开关来检测，各区段链条的伸长和收紧。我们知道调整座不可能做得太长，行程开关也不能安装太多。因此，马达的速度调整是有级的、跳变的。调整幅度较大，调整座不断调整，导致系统频繁动作。机械磨损快，且传动链运行速度 下面我向大家介绍一种，性能更优越，成本更低的传动链自动化驱动方案。 首先我们采用深圳市安邦信电子有限公司生产的G11系列多功能矢量控制变频器，因为此变频器在传动链的自动化驱动方面有以下优势。 a、矢量控制技术，稳速精度是开环无速度传感器矢量控制：±0.5% ，闭环有速度传感器矢量控制：±0.02% b、低频转矩大，0.5HZ 满转矩输出。 c、功能强大特有频率源选择模式及给定模式，X、Y模式 d、过程PID控制系统。 只需从模拟量输入端口（0- +10V/0-20MA）引入反馈信号，即可实现过程PID系统的自动化控制。 因此在整个系统中，无需PLC等自动化产品作过程PID系统和其它功能，只要简单的线路联接，就可以实现整个传动链的自动化控制。 （1）各驱动马达基本同步，传动链条不堆积，不断裂。 （2）最高线速度可达到10m/min （3）调整座调整量越小越好. （4）调整座需安装极限保护. 三、控制原理: 1、在调整座的定滑轮上加装一个角位移传感器，将链条的伸长或收紧变化率通过传感器检测，并转换为0-10V/0-20mA的模拟信号，作为PID的反馈信号，送回变频器。 2、通过变频器的键盘设置，调整座的平衡点，系统根据反馈信号与PID给定的平衡点作比较，决定马达的调整方向和速率。 3、由于PID系统反应，调整座与平衡点稍微发生偏移时系统立刻做调整，这样，保证了在高速时能有效调整。 4、由于变频器采用矢量控制保证了速度不随负载的变化而变化。同时，克服低速时速度不稳定的缺陷。 5、采用主-从式结构，所有变频器的控制模式均为开环矢量控制模式,其速度可以通过面板设定或外置电位器给定。将一台E11矢量变频器作为主驱动输出，从驱动均采用G11系列产品，多台从驱动可以共用一台主驱动。 6、主驱动的运行频率通过AO模拟口输出，作为从驱动变频器的初始同步转速，其偏差可以通过模拟量输出口AO的零偏及增益的定义来修正。 7、从驱动的辅助频率源来自于PID。这样，从驱动马达的速度就靠调整座的信号来追踪主驱动马达的速度，达到同步的目的。 8、在每一个调整座安装极限开关，防止意外情况发生。 简易线路图：（见附件） 四、结束语 本系统在优化参数值之后，传动链的运行非常稳定。而且本系统电气器件配置简炼，逻辑清晰，与原老式系统相比，省去了价格昂贵的同步控制板和PLC，成本有较大的降幅。在行
多电机速度同步控制 在传统的传动系统中，要保证多个执行元件间速度的一定关系，其中包括保证其间的速度同步或具有一定的速比，常采用机械传动刚性联接装置来实现。但有时若多个执行元件间的机械传动装置较大，执行元件间的距离较远时，就只得考虑采用独立控制的非刚性联接传动方法。下面以两个例子分别介绍利用PLC和变频器实现两个电机间速度同步和保持速度间一定速比的控制方法。 薄膜吹塑及印刷机组的主要功能是，利用挤出吹塑的方法进行塑料薄膜的加工，然后经过凹版印刷机实现对薄膜的印刷，印刷工艺根据要求不同可以采用单面单色、单面多色、双面单色或双面多色等方法。在整个机组中，有多个电机的速度需要进行控制，如挤出主驱动电机、薄膜拉伸牵引电机、印刷电机以及成品卷绕电机等。电机间的速度有一定的关系，如：挤出主电机的速度由生产量要求确定，但该速度确定之后，根据薄膜厚度，相应的牵引速度也就确定，因此挤出速度和牵引速度之间有一确定的关系；同时，多组印刷胶辘必须保证同步，印刷电机和牵引电机速度也必须保持同步，否则，将影响薄膜的质量、印刷效果以及生产的连续性；卷绕电机的速度受印刷速度的限制，作相应变化，以保证经过印刷的薄膜能以恒定的张力进行卷绕。 在上述机组的传动系统中，多组印刷胶辘的同步驱动可利用刚性的机械轴联接，整个印刷胶辘的驱动由一台电机驱动，这样就保证了它们之间的同步。印刷电机的速度必须保证与牵引电机的速度同步，否则，在此两道工艺之间薄膜会出现过紧或过松的现象，影响印刷质量和生产的连续性。但是印刷生置与牵引装置相距甚远，无法采用机械刚性联接的方法。为实现牵引与印刷间的同步控制，牵引电机和印刷电机各采用变频器进行调速，再用PLC对两台变频器直接控制。 牵引电机和印刷电机采用变频调速，其控制框图如图1所示。在这个闭环控制中，以牵引辘的速度为目标，由印刷电机变频器调节印刷辘速度来跟踪牵引辘的速度。利用旋转编码器1和旋转编码器2分别采集上述两个电机的脉冲信号（编码器位置参见图3），并送到PLC的高速计数口或接在CPU的IR00000~IR00003。以这两个速度信号数据为输入量，进行比例积分（PI）控制算法，运算结果作为输出信号送PLC的模拟量模块，以控制印刷电机的变频器。这样，就可以保证印刷速度跟踪牵引速度的变化而发生变化，使两个速度保持同步。
Ansoft EM专题讨论（三）——异步启动永磁同步电机设计最近有感于论坛Ansoft版区学习的氛围越来越好了，这与各位版主的努力都是分不开的。看到前面两个专题中，我们的超版和技术精英们都做了很多工作，本着向大家学习的原则，我也来凑个热闹 本人在读研期间曾经涉猎过这种电机的设计与仿真，下面就把我很久以前做的一个练习分享给大家。做的不一定对，希望大家多多批评指正！这也是和大家学习的过程，望各位不吝赐教 其实，这种电机在实际设计过程中需要注意的问题还是很多的。很遗憾在校期间没能彻底解决这个领域的一些问题。这里也希望大家广泛针对该类电机的设计进行讨论和交流，向大家学习了! 下面先给出电机结构示意图 电机为典型的4极36槽结构，绕组为单层交叉，Y接形式，内置径向W型永磁体，采用冲片类型为DW315-50。具体的其他的电机参数将在RMxprt设计中给出区别于前面两位版主的纯V11仿真，该算例采用了Ansoft RMxprt V5.0版本与Maxwell V11.1版进行了简易的联合2D仿真。对新人而言，V5.0的界面更加人性化和易于上手，推荐新同学使用。 运用Ansoft RMxprt V5.0进行基本的电磁设计，输入相应电机参数反复调试运行。下面给出本例的参数设置
基本参数 定子内外径和槽形尺寸
转子内外径和磁钢设计
转子槽形和端环设计 以上需要补充说明的是Ansoft RMxprt V5.0的材料设置问题和绕组编辑问题 就材料设置而言，大家可以利用软件自带的.h-b文件自行添加所需要的硅钢片材料，主要是需要查找一些手册来添加磁化曲线和损耗曲线，用记事本的格式进行编辑添加，放在指定的文件夹中，即可在设计中引用，图例DW315-50的.h-b文件，要对应操作窗口的各项参数进行添加，方可正确使用
同步电机的控制原理 一、控制原理 主机结构，包括定子、转子以及控制系统。 定子和异步电机完全相同。转子和线绕异步电机转子相同，有三个线圈，其中两个是励磁绕组，一个是阻尼绕组。励磁绕组通直流电，形成和定子对应的转子磁极，转子磁极在定子旋转磁场的作用下旋转，和定子保持同步。阻尼绕组的作用是防止已进入同步运转的电机失步。 启动状态下，转子的三个绕组起异步启动作用，产生感应电流，使电机逐步升速，直到接近于投磁前的亚同步状态。电机被拉入同步以前，两个励磁绕组经凸轮控制器串联，阻尼绕组经线路转换开关自成回路，这时通入直流电，把异步运转的电机强行拉入同步。 同步运转状态下，阻尼绕组和旋转磁场之间没有相对运动，不产生电流；失步状态下，阻尼绕组和旋转磁场之间有相对运动，产生电流和电动力，电动力的方向刚好和电机失步的方向相反，因此能起到阻止电机失步的作用。 控制系统包括一次系统控制回路和二次系统控制回路两部分。 一次系统控制回路主要是一台六氟化硫开关和一系列保护。有差动保护，过流保护，低电压保护，接地方向保护。 差动保护针对的是定子内部的短路或接地，定子内部短路或接地时，差动保护动作。过流保护主要保护电机的过载，在过载情况下动作。低电压保护在电网出现较长时间低电压情况下动作。接地方向保护在6kV单相完全接地或不完全接地情况下动作。各种保护动作，在切断主回路的同时，也切断直流回路。 二次回路包括励磁控制和启动回路。励磁控制是一套可控硅系统，功能和直流电机控制系统类似而较为简单，没有那么多反馈控制环，只有一个电流反馈控制环； 另外有联锁回路和失步、失磁、过激保护回路。励磁投入必须具备一定条件，如各种保护都没有动作，慢动电机处于脱开的位置，电机启动已进入亚同步状态的信号已送出，等。根据这些条件来准备控制可控硅的投入时间就是连锁，相应的回路称为连锁回路。 相对于一次回路的保护而言，失步、失磁和过激保护属于二次回路的保护。失步保护保护电动的失步。电机失步的破坏性很大，形成的异步力量能剪切转子线圈，所以这个保护功能必须可靠，否则一旦发生失步，后果很严重。该回路检测定子电流、电压。 众所周知，电机运行在功率因数超前状态，定子电流比定子电压滞后；运行在功率因数滞后状态，定子电流比定子电压超前。不论超前还是滞后，6kV回路的电流波和电压波之间都没有相对运动。如果电机失步，电机的电流波和电压波之间立即产生来来回回的相对运动，失步检测回路即捕捉此电流波和电压波来回运动时重合的脉冲。重合一次证明失步一次，重合两次失步保护动作。 失磁是欠激的极限状态，不清楚为什么有失磁保护而没有欠激保护，请各位探讨。失磁信号和过激信号的确定都通过比较放大器实现，比较放大器的给定可以调整。 二、启动过程 同步电机启动必须满足三个条件：1、继电器30C不激磁（过电流保护50/51未动作，接地方向继电器67G未动作，差动继电器87未动作，欠压继电器27未动作，故障继电器86X未动作，激磁变压器一次侧空气开关未跳，故障包括：失磁，失步，过激，启动限时，凸轮控制器及线路转换开关过载保护49AX，慢动电机总空气开关，慢动抱闸空气开关，慢动热保护49I，可控硅风机开关，及其热保护49FX，
(一) P M S M 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 (2)d/q 轴磁链方程： 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度，p 为同步电机的极对数，ωc 为电角速度，e0为空载反电动势，其值为每项 倍。 (3)转矩方程： 把它带入上式可得: 对于上式，前一项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩；后一项是转 子突极效应引起的转矩，称为磁阻转矩，若Ld=Lq ，则不存在磁阻转矩，此时，转矩方程为： 这里，t k 为转矩常数，32 t f k p ψ=。 (4)机械运动方程： 其中，m ω是电机转速，L T 是负载转矩，J 是总转动惯量(包括电机惯量和负载惯量)，B 是摩擦系数。 (二) 直线电机原理 永磁直线同步电机是旋转电机在结构上的一种演变，相当于把旋转电机的定子和动子沿轴向剖开，然后将电机展开成直线，由定子演变而来的一侧称为初级，转子演变而来的一侧称为次级。由此得到了直线电机的定子和动子，图1为其转变过程。
同步电机的分类 同步电机是转子转速等于同步转速的一类交流电机。按照功率转换关系，同步电机可分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机三类。 1.三相同步发电机 三相同步发电机由定子和转子两大部分组成。按结构型式分为转磁式和转枢式两种，其中转磁式应用广泛。转磁式同步发电机定子结构与三相异步电动机相同。 其基本工作原理是：在转子励磁绕组中通入直流电产生恒定磁场，由原动机带动转子旋转形成旋转磁场，旋转磁场切割对称三相定子绕组产生对称三相正弦交流电，频率为。 2.三相同步电动机 三相同步电动机的基本结构与同步发电机相同，但转子一般采用凸极式结构。其基本工作原理是：对称三相定子绕组通入对称三相正弦交流电产生旋转磁场。转子励磁绕组通入直流电产生与定子极数相同的恒定磁场。同步电动机就是靠定、转子之间异性磁极的吸引力由旋转磁场带动磁性转子旋转的。 如果负载过重，同步电动机将停转，这种现象称为同
步电动机的“失步”。只要同步电动机的过载能力允许，采用强行励磁是克服同步电动机“失步”的有效方法。 当定子绕组接通电源时，旋转磁场立即产生并高速旋转。转子由于惯性，根本来不及跟着旋转。当定子磁极迅速越过转子磁极时，前后两次作用在转子磁极上的磁力大小相等、方向相反、间隔时间极短，平均转矩为零，因此同步电动机不能自行启动。 同步电动机通常采用异步启动法启动：在转子上装有笼型启动绕组。启动时将励磁绕组用一个10倍于励磁电阻的附加电阻连接成闭合回路。当旋转磁场作用于笼型启动绕组使转子转速达到同步转速的95%时，迅速切除附加电阻，通人励磁电流，使转子迅速拉入同步运行。当同步电动机处于同步运行时，笼型启动绕组是不起作用的。同步电机
多台电机同步调速器的应用 （TB-4同步控制器使用说明书） 同步控制是工业控制中常见的控制方式，传统的机械同步控制由于精度和可调性差而逐渐减少，我所开发的TB-4 同步控制器由于控制精度高，输出模拟量可选性多，能多台同步器并联使用, 等优点而在电线电缆, 皮革, 钢铁, 纺织, 造纸, 等一些需要电机同步同速和同步非同速控制的行业被大量应用。TB-4 同步控制器就其工作原理而言，实际上是一台具有4 路直流模拟量（电压或电流）控制信号输出的信号发生器。 技术参数； 自动控制输入：0-5VDC 。0-10V DC 手动控制：主调10K 电位器 模拟量输出四组电压型；0-5VDC . 1-5VDC. 0-10V . 2-10V 。 模拟量输出四组电压型：0-10ma. 0-20ma .2-10ma.4-20ma 软启动时间调节：0-60 秒 控制电机台数；4-48 台 可接口调速器：力矩电机控制器，直流电机调速器，变频器，电磁电机调速器，等可调速电机控制器。 外型尺寸 原理示意图
同步器的技术及其特点 TB-4 同步器，内部采用MAXI 公司的是最新12 位D/A ，A/D 转换电路，他能通过主调电位器同时输出 4 组电压量或电流量信号，这四组信号可通过4 个多圈微调电位器，在原有主调电位器调节输出的（电压或电流）基础上增加或衰减，以达到多台电机的同步同速和同步非同速控制。 软启动曲线图 该控制器具有输出模拟量（电压或电流）随时间线性上升功能，调节机器内部电位器W1 可使上升时间，0-60秒线性调节（图 1 ） 注：V/I 输出电压和电流，ms 启动时间 应用举例：
同步电机
第八章同步电机 8.1 同步电机原理和结构 1．同步发电机原理简述 （1）结构模型： 同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。最常用的转场式同步电机的定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁 磁场（也称主磁场、转子磁场）。除了 转场式同步电机外，还有转枢式同步发 电机，其磁极安装于定子上，而交流绕 组分布于转子表面的槽内，这种同步电 机的转子充当了电枢。图8-1-1给出了 典型的转场式同步发电机的结构模型。 图中用AX、BY，CZ 共3个在空间错 开120°电角度分布的线圈代表三相对称 交流绕组。 （2）工作原理 同步电机电枢绕组是三相对称交流绕 图8-1-1 同步电机结构模型 组，当原动拖动转子旋转时，通入三相对 称电流后，会产生高速旋转磁场，随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场），会在其中感应出大小和方向按周期性变化的交变电势，每相感应电势的有效值为， E0＝4.44f NФf k w （8-1-1） 式中f——电源频率；Фf——每极平均磁通； N——绕组总导体数；k w——绕组系数； E0是由励磁绕组产生的磁通Фf在电枢绕组中感应而得，称为励磁电势（也称主电势、空载电势、转子电势）。由于三相电枢绕组在空间分布的对称性，决定了三相绕组中的感应电势将在的时间上呈现出对称性，即在时间相位上相互错开1/3周期。通过绕组的出线端将三相感应电势引出后可以作为交流电 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/8418001516.html, 浅析两台异步电机的同步控制 作者：殷雄 来源：《科技资讯》2012年第02期 摘要：在两台异步电机(分别命名为1#，2#，下同)的控制中，以1#电机为基准，采用基 于PLC技术的变频控制，根据根据负载需要，不断改变1#电机的转速，为了达到两台异步电机的同步运行，以1#电机的转速为给定量，2#电机的转速为随动量，也采用基于PLC技术的闭环变频控制。从而实现两台异步电机的精确同步运行，也达到了节能之目的。 关键词：异步电机同步控制节能 中图分类号：TPO文献标识码：A文章编号：1672-3791(2012)01(b)-0134-01 随着国民经济的发展，生产过程中的机械化程度不断提高，而机械化程度的不断提高与电机特别是异步电机的广泛应用和精确控制是密不可分的。在海绵、塑料制品和钢铁行业生产过程中，对异步电机的同步控制要求十分高。例如：在海绵发泡过程中，必须保证两台电机转速的同步，如果2#电机的转速大于1#电机的转速，就会造成切断机刀架拉坏，如果2#电机的转速小于1#电机的转速就不能切断海绵。这两种情况在实际生产中是不允许的，因为这会造成 设备的损坏和产品的报废，从而造成经济损失，影响企业的效益。本文依据负载需要对两台电机采用闭环PLc变频控制，从而实现两台异步电机的转速同步控制，以满足工业生产的需要。 1基于PLC技术的1#电机转速变频控制的实现 先令1#电机以最低频率(35Hz)进行启动，当电机启动后，依据生产需要，不断改变电机转速的给定值，并将给定值输入PLC相应模块，与1#电机的相连的测速电机对1#电机进行测速，并将所测的速度值也输入PLC相应模块，让PLC进行判断。如果测速电机所测的速度大于给定速度时，那么PLC向1#电机的变频器发出无极降速的指令，从而让1#电机的变频器降低频率进而降低转速；如果测速电机所测的速度小于给定速度时，那么PLC向1#电机的变频器发出无极升速的指令，从而让1#电机的变频器提高频率进而升高转速。其PLC闭环控制原理图如图1所示，其PLC闭环控制流程图如图2所示。
每相感应电势的有效值为
(15.2) ◆ 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。 同步转速 ◆同步转速 从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ，故有： (15.3) ◆要使得发电机供给电网50Hz 的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min ，4极电机的同步转速为1500r/min ，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。 运行方式 ◆同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。 ? 西安交通大学电机教研室 版权所有，侵权必究 2000.12?
水轮发电机 水轮发电机的特点是：极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。转子磁极由厚度为1～2mm 的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来拟制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。磁极与磁极轭部采用 T 形或鸽尾形连接，如图15.4所示。 隐极式转子 隐极式转子上没有凸出的磁极，如图15.2b 所示。沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 N 极和 S 极。在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率 密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航 天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电 动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速 永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电 动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另 一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变 频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电 动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行 了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子 冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据：
伺服电机同步控制技术在印刷行业的应用 在印刷机械行业中，多电机的同步控制是一个非常重要的问题。由于印刷产品的特殊工艺要求，尤其是对于多色印刷，为了保证印刷套印精度（一般≤0.05mm），要求各个电机位置转差率很高（一般≤0.02%）。在传统的印刷机械中，以往大都采用以机械长轴作为动力源的同步控制方案，但机械长轴同步控制方案易出现振荡现象，各个机组互相干扰，而且系统中有许多机械零件，不方便系统维护和使用。随着机电一体化技术的发展，现场总线技术不断应用到各个领域并得到了广泛的应用。本文针对机组式印刷机械的同步需求，提出了一种基于CAN现场总线的同步控制解决方案，并得以验证。 一、无轴传动印刷机控制系统的同步需求 机组式卷筒印刷机一般由给纸机组、印刷机组、张力机组、加工机组和复卷机组等机组组成。在传统的有轴传动印刷机中，动力源由异步电机通过皮带轮带动一根机械长轴（约10-20m），然后通过长轴带动各机组的齿轮、凸轮、连杆等传动元件，再通过传动元件带动设备的执行元件完成设备的输人、输出任务。 卷筒印刷机要求印刷速度为300m/min，套印精度≤0.03mm，为了满足套印精度，要求在各个机组定位精度≤0.03 mm。在印刷机印刷过程中，要求各机组轴与机械长轴保持一定的同步运动关系，能否很好的实现各个机组轴的同步关系，将直接影响到印刷速度、套印精度等。其中，给纸机组、印刷机组要求与主轴转动速度成一定的比例关系，张力机组根据不同的印刷速度调整张力系数，加工机组需要与主轴保持凸轮运动关系，而复卷机组的运动规律，要求随着纸卷直径的增大而减小。 我们把机械长轴作为主轴（参考轴），各印刷机组轴为从动轴，如图1，各从动轴与主轴要满足同步关系θ1=f1（θ），θ2=f2（θ），θ3=f3（θ）···，其中，θ为主轴位置转角，θ1、θ2、θ3···为从动轴位置转角。 二、同步控制系统设计
同步电动机原理 Synchronous Motor Principle 三相交流电动机是用三相交流电产生的旋转磁场来带动电机转子旋 转的，有关旋转磁场的产生原理在前面已作介绍，在这里只介绍电机转 子是如何在旋转磁场的作用下旋转的。 永磁交流同步电动机 最简单的方法是在产生旋转磁场的空间放一永久磁铁，该磁铁就会 跟着磁场旋转了。下图就是这样一个永久磁铁转子。 永久磁铁转子 把永久磁铁转子放在能产生旋转磁场的定子铁芯中，它将会跟随旋 转磁场同步旋转，其转速与旋转磁场一致，故称之为同步电动机，下图 便是一个永磁同步电动机模型的示意图。
永磁同步电动机模型 下面是该三相交流同步电动机模型的动画截图，为看清线圈与磁力线，定子与转子用半透明显示。动画中有输入三相电流的变化波形，有旋转磁场与跟着旋转的永磁转子。
永磁同步电动机动画截图 请观看永磁转子同步电动机原理模型3D动画 这个三相交流同步电动机的旋转磁场只有一对磁极，永磁转子也是一对磁极，转速与交流电源相同，用50周的交流电供电时转子转速是每秒50转。
电励磁交流同步电动机 实际上的三相交流同步电动机转子多数是电励磁的，转子上有励磁绕组，用直流励磁电源产生固定磁场，下图是一个电励磁三相交流同步电动机原理模型旋转动画的截图。 电励磁三相交流同步电动机模型 请观看三相交流同步电动机原理3D动画 该三相交流同步电动机的旋转磁场只有一对磁极，电励磁转子也是一对磁极，用50周的交流电供电时转子转速是每秒50转，也即每分钟3000转。两极同步电动机的转子一般采用隐极式转子。
多极交流同步电动机 许多场合需用低转速，大力矩输出的交流同步电动机，此时的电机多做成大直径的多极电机形式，定子绕组产生多对磁极旋转磁场，转子采用多对凸极结构。下图是一个3对磁极同步电动机模型示意图，定子有3个3相绕组，转子有3对（6个）凸极，转速为每分钟1000转。 多极三相交流同步电动机模型
一、同步电机和异步电机在设计上的不同： ①同步与异步的最大区别就在于看他门的转子速度是不是与定子旋转的磁场速度一致，如果转子的旋转速度与定子是一样的，那就叫同步电动机，如果不一致，就叫异步电动机。。。 ②当极对数一定时，电机的转速和频率之间有严格的关系，用电机专业术语说，就是同步。异步电机也叫感应电机，主要作为电动机使用，其工作时的转子转速总是小于同步电机。 ③所谓“同步”就是电枢（定子）绕组流过电流后，将在气隙中形成一旋转磁场，而该磁场的旋转方向及旋转速度均与转子转向，转速相同，故为同步。 异步电机的话，其旋转磁场与转子存在相对转速，即产生转距。 二、为什么会同步，为什么会不同步呢？ 同步电机和异步电机的定子绕组是相同的，主要区别在于转子的结构。同步电机的转子上有直流励磁绕组，所以需要外加励磁电源，通过滑环引入电流；而异步电机的转子是短路的绕组，靠电磁感应产生电流。相比之下，同步电机较复杂，造价高。 同步和异步电机均属交流动力电机，是靠50Hz交流电网供电而转动。异步电机是定子送入交流电，产生旋转磁场，而转子受感应而产生磁场，这样两磁场作用，使得转子跟着定子的旋转磁场而转动。其中转子比定子旋转磁场慢，有个转差，不同步所以称为异步机。而同步电机定子与异步电机相同，但其转子是人为加入直流电形成不变磁场，这样转子就跟着定子旋转磁场一起转而同步，始称同步电机。 简单的说就是：异步电机的转子上没加直流励磁电流，同步电机的转子上加了一个直流励磁电流使转子的转速与定子与转子切割产生的磁场转速一致。 三、同步发电机转子为什么要通入直流励磁电流，而不通入交流励磁电流？ 按工频50HZ考虑，转子通入直流励磁电流，可在定子绕组中感应出50HZ电势。 转子通入交流励磁电流后，可分解为正向与反向两个旋转磁场，正向旋转磁场旋转速度与转子旋转速度迭加，在定子绕组中感应出100HZ电势；反向旋转磁场旋转速度与转子旋转速度抵消，与定子绕组相对静止，不产生电势，但定子磁通中出现直流分量，可能饱和。
10 三相同步电机 本章我们将简化RMxprt 一些基本介绍，以便介绍一些更高级的使用。有关RMxprt 基本操作的详细介绍请参考第一部分的章节。 10.1 分析方法 三相凸极同步电机有发电机和电动机之分，两者的结构基本相同。三相同步发电机是工业、商业以及民用的主要电能来源，它将机械能转化为电能，其转子上装有由直流电励磁的多级绕组，定子上装有三相正弦分布绕组，转子旋转在气隙中产生旋转磁场。定子上感应出电压，频率为： 60pn f /= (10.1) 其中p 是极对数, n 是转子的机械转速，单位rpm ，又称为同步转速，电机可以根据负载需要来产生有功功率和无功功率。 通常采用频域矢量图来对电机进行分析，发电机和电动机的矢量图如图10.1所示。 a. 发电机 b. 电动机 图10.1 同步电机矢量图 图中R 1和X 1分别为电枢绕组电阻和漏电抗，X ad 和X aq 分别为d 轴电枢电抗和q 轴电枢电抗。相量图中X ad 是经过线性化处理的非线性参数。 以输入电压U 为参考相量，则电流相量为： ?-∠=I I (10.2) 设功率因数角为φ, 是电压相量U 与电流相量I 的夹角， 图中OM 所代表的相量可表示为 ???++-+++=motor for X X R generator for X X R OM aq 11aq 11)j j ()j j (I U I U (10.3) 设E 0与U 的夹角为θ,（对于发电机θ称为功率角，对于电动机θ,称为力矩角），则E 0与I 的夹角为 θ?ψ+= (10.4)
d 轴和q 轴电流可分别按下式求出 ??????=??????=ψψcos sin I I I q d I (10.5) 图中ON 相量代表由d 轴磁链所产生的d 轴反电势。由磁路空载特性曲线，可确定E 0，X ad 和励磁电流I f 1. 对于发电机： 输出电功率： ?cos UI 3P 2= (10.6) 输入功率(机械功率) ： ex Cuf add Fe Cua fw 21P P P P P P P P ++++++= (10.7) 式中：P fw ， P Cua ，P Fe ，P add ，P cuf 和P ex 分别为风摩损耗、电枢铜损、铁心损耗、附加损耗、励磁绕组铜损和励磁机损耗 输入机械转矩： ω1 1P T = (10.8) 式中ω为同步角速度，单位：rad/s 2. 对于电动机： 输入电功率： ?cos UI 3P 1= (10.9) 输出机械功率： ()ex Cuf add Fe Cua fw 12P P P P P P P P +++++-= (10.10) 式中：P fw ， P Cua ，P Fe ，P add ，P cuf 和P ex 分别为风摩损耗、电枢铜损、铁心损耗、附加损耗、 励磁绕组铜损和励磁机损耗 输出机械转矩： ω22P T = (10.11) 电机效率： %100P P 12?=η (10.12) 10.2 主要特点 10.2.1 适用于同步电动机和同步发电机 凸极同步电动机和发电机结构基本相同，相量关系和计算方法有些差别，输出性能数据也有所不同。故RMxprt 将同步电机分为两个设计模块：同步电动机和同步发电机。 10.2.2 三相绕组的自动排布 几乎所有常用的三相和单相，单层和双层，整数槽和分数槽交流绕组都能自动设计。用户不需要一个接一个的自己定义线圈。
高效永磁同步电动机设计技术研究
目录 1、基本情况及背景介绍 (2) 2、高效永磁同步电动机关键技术的研究 (3) 2.1优化转子磁路结构，提高电机的可靠性 (3) 2.2永磁电机防退磁技术研究 (5) 2.3漏磁系数准确计算的研究 (7) 2.4稀土永磁材料的高温退磁特性及应用技术的研究 (10) 2.5稀土永磁材料的剩磁测试技术的研究 (14) 2.6电机的起动性能 (16) 2.7失步转矩倍数 (17) 2.8其它性能指标 (18)
1、基本情况及背景介绍 稀土永磁是一种高性能的功能材料，它的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积等优异磁性能特别适合于制造电机。用它制成的永磁同步电机，不需要用以产生磁场的无功励磁电流，可显著提高功率因数，减少定子电流和定子电阻损耗。在稳定运行时没有转子电阻损耗，使电机温升有较大裕度，从而可将风扇减小甚至不安装风扇，以减少风摩损耗提高电机效率。与普通的电励磁同步电动机相比，不需要用以产生磁场的励磁绕组和直流励磁电源，取消了容易出问题的集电环和电刷装置，成为无刷电机，运行可靠，又效率提高。因此，国内外都投入大量人力物力从事高效钕铁硼永磁电机的研制开发。 相对于异步电机，永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、功率密度高等优点，效率比同规格的感应异步电机高2~8%。我国稀土永磁资源储量占世界储量的80％，发展永磁电机具有得天独厚的优势。 早在1980年，我国有关高校及科研院所就开始从事高效永磁电动机的研制开发，先后研制开发出多种类型电动机的样机，技术水平参差不齐，还存在着转子磁路单一、永磁材料可能退磁、测试和制造工艺复杂等问题，性能价格比不够理想，价格偏高。 为了充分发挥钕铁硼永磁材料的优异磁性能，针对钕铁硼永磁电动机在磁、电、机、热等方面的特点，进行技术集成和创新，特别对转子磁路结构、钕铁硼永磁材料的热稳定性做了深入研究，并应用于产品开发过程，提高其效率、性价比，可靠性（主要指不退磁），扩大应用领域，为把稀土资源优势转化为经济优势作贡献。
第八章同步电机 同步电机原理和结构 1．同步发电机原理简述 （1）结构模型： 同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。最常用的转场式同步电机的定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间 的分布磁场，称为励磁磁场（也称主磁场、转 子磁场）。除了转场式同步电机外，还有转枢式 同步发电机，其磁极安装于定子上，而交流绕 组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转 子充当了电枢。图8-1-1给出了典型的转场式 同步发电机的结构模型。图中用AX、BY，CZ 共 3个在空间错开120°电角度分布的线圈代表 三相对称交流绕组。 （2）工作原理 同步电机电枢绕组是三相对称交流绕组，当 图8-1-1 同步电机结构模型 原动拖动转子旋转时，通入三相对称电流后，会 产生高速旋转磁场，随轴一起旋转并顺次切割定 子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场），会在其中感应出大小和方向按周期性变化的交变电势，每相感应电势的有效值为， E0＝Фf k w （8-1-1）式中f——电源频率；Фf——每极平均磁通； N——绕组总导体数；k w——绕组系数； E0是由励磁绕组产生的磁通Фf在电枢绕组中感应而得，称为励磁电势（也称主电势、空载电势、转子电势）。由于三相电枢绕组在空间分布的对称性，决定了三相绕组中的感应电势将在的时间上呈现出对称性，即在时间相位上相互错开1/3周期。通过绕组的出线端将三相感应电势引出后可以作为交流电源。可见，同步发电机可以将原动机提供给转子的