《电机学（下）》同步电机复习提纲
第二十章 同步电机概述
1.同步电机的定子——称电枢，电枢铁心嵌放三相对称绕组；
转子——称主磁极，由直流电励磁，分为隐极式和凸极式【P193图20-2】；
隐极转子：气隙均匀，多用于高速电机，如：汽轮发电机，通常极对数p=1，由于转速高，
汽轮发电机直径较小、长度较长；
凸极转子：气隙不均匀，多用于低速电机，如：水轮发电机均采用凸极式，特点是直径大、
长度短；
转子除励磁绕组外，还常装有与感应电机笼型绕组相似的闭合绕组，在发电机称为阻尼绕组，在电
动机称为起动绕组。 2.同步电机定子三相对称绕组通进三相对称电流产生的旋转磁场，与转子旋转磁极的转速恒为同步速s n ， 定、转子旋转磁场轴线之间的夹角为转矩角sr δ，通常认为sr δδ≈【P195图20-6】
δ——称为功率角，是转子磁场轴线超前于定、转子合成磁场轴线的夹角；
当0δ>，相当于转子磁极拖着定、转子合成旋转磁场转，转子输入的机械功率转变为定子输出的电功率——发
电机运行状态；此时机械转矩为驱动转矩、电磁转矩为制动转矩；
当0δ<，相当于定、转子合成旋转磁场拖着转子磁极转，定子输入的电功率转变为转子输出的机械功率——电动机运行状态；此时电磁转矩为驱动转矩、机械转矩为制动转矩；
当0δ=，相当于转子与合成旋转磁场轴线重合，电机内没有有功功率转换——空载运行状态；电磁转矩为零。 3.同步电机的励磁系统有：直流励磁机励磁、交流整流励磁、晶闸管自励恒压励磁等 4.同步电机的额定值（铭牌数据）： N U 、N I ——指电枢（定子）线电压、线电流；
N S ——发电机的额定容量，指三相视在功率；
N P ——指额定运行时的输出三相有功功率，故对发电机是电功率、对电动机是机械功率；
∴N N N
S I =
单位：VA 、KVA
发电机：cos N N N N P I ?
电动机： cos N
N N N N P I ?η= 单位：KW
同步电机的转子转速n 与电枢电流频率f 、电机极对数p 存在严格不变的关系：
60s f
n n p
=
@——称为同步速，单位：/min r （转/分钟）； 我国电网频率 50f Hz =，故：p=1，n S =3000r/min ；p=2，n S =1500r/min ；p=3，n S =1000r/min .......
第二十一章 同步发电机运行原理
（一）同步发电机空载运行和负载时的电枢反应
1.同步发电机空载运行——励磁绕组通入直流励磁电流f I ，原动机拖动转子磁极以同步速n S 旋转，定子电枢绕组开路。
空载时只有f I 建立的励磁磁势f F ，产生空载磁通0φ，以n S 速度切割定子三相对称绕组感生三相空载电势0
E &； 2.同步发电机接上三相对称负载后，电枢三相对称绕组通过三相对称电流I &，产生一个旋转磁势，称为电枢磁势
a F ，a F 的转速也为同步速n S ；即a F 、f F 均与转子转速、转向相同，故不会在转子绕组感应电势。
3..空载时气隙磁场中只有f F ，负载时多了a F ；
因此：负载时电枢磁势a F 对气隙磁场的影响——称为电枢反应 4.电枢反应的性质与内功率因数角0ψ有关，
定义：0ψ——电枢电流I &落后于0
E &的夹角。 直轴（d 轴）——转子主磁极轴线，即f
F 的轴线； 交轴（q 轴）——与直轴正交的轴线；
00ψ=时a F 为交轴磁势，产生交轴电枢反应；
交轴电枢反应的作用：使气隙磁场发生畸变，主极磁场超前于气隙合成磁场，电磁转矩为制动性质，原动
机克服电磁转矩做功，机械能转变为电能。
0090ψ=时a F 为直轴磁势，产生直轴去磁电枢反应； 作用：纯去磁。 0090ψ=-时a F 为直轴磁势，产生直轴增磁电枢反应； 作用：纯增磁。
当0ψ为任意角时，可把a F 分解为一个交轴分量aq F 和一个直轴分量ad F ，其中aq F 产生交轴电枢反应，ad F 产生直轴电枢反应；因此：
00900ψ>>时电枢反应性质：交轴+直轴去磁； 00090ψ>>-时电枢反应性质：交轴+直轴增磁；
5.时-空统一相量图——把时间相量和空间相量合并在一起【P199图21-2】；
时间相量：0E &、I &、0φ&；空间相量：f F 、 a F 在时-空统一相量图中：f F 与0φ&同相、a
F 与I &同相； （二）同步发电机数学模型 1.隐极发电机 ①电磁关系：
定子a a a a
I F E jIx φ→→→=-&&&&系统
E jIx σσσ
φ→→=-&&&]
转子 00
f f I F E φ→→→&&
采用发电机惯例，定子绕组的上述感应电势与定子端电压U
&平衡（忽略电枢绕组电阻
a
R ）：
0a E E E U σ
++=&&&&
其中：
a
E & ——隐极机电枢反应电势；
a
x ——隐极机电枢反应电抗，对应于电枢反应的作用；
E σ
& ——漏磁通感生的漏电势；
x σ
——定子绕组漏电抗，对应于电枢漏磁场的作用；
E & ——转子主磁通在定子感生的励磁电势，对应于主磁场的作用；
②电势方程（注：公式中所有电量均是相值）：
0()a a a s
E U E E U jIx jIx U jI x x U jIx σσσ=--=++=++=+&&&&&&&&&&&
其中：
s a x x x σ
=+——隐极同步电机的同步电抗
③相量图和等效电路如【p202图21-9】：
其中：由于0E &是转子磁场感生的；U &可看成是定、转子合成磁场感生的，因此U &与0
E &之间的夹角就是功率角δ【P208图21-18】；
δ——功率角（0
E &超前于U &的角度） 0ψ——内功率因数角（I &落后于0
E &的角度）； ?——功率因数角（I &
落后于U &的角度）； 0ψδ?=+
2.凸极发电机由于气隙不均匀，需采用“双反应理论”的分析方法；
双反应理论——把电枢电流、电枢磁势、电枢反应电抗、同步电抗都分解为直轴（d 轴）和交轴（q 轴）分量分别进行计算，再把结果叠加起来。 ①电磁关系：
定子 d ad ad ad d ad
I I F E jI x φ→→→→=-&&&&&系统
q aq aq aq q aq I F E jI x φ→→→→=-&&&&]
E jIx σσσ
φ→→=-&&&]
转子 00
f f I F E φ→→→&&
定子绕组的上述感应电势与定子端电压
U
&平衡（忽略
a
R ）：
0ad aq E E E E U σ
+++=&&&&&
其中：d q
I I I =+&&& d I &、ad F 、ad E &、ad x ——分别为直轴电流、直轴电枢磁势、直轴电枢反应电势、直轴电枢反应电抗；
q
I &、aq F 、aq E &、aq x ——分别为交轴电流、交轴电枢磁势、交轴电枢反应电势、交轴电枢反应电抗； ②凸极发电机电势方程（注：公式中所有电量均是相值）：
0ad aq E U E E E σ
=---&&&&& d ad q aq U jI x jI x jIx σ=+++&&&&
()()d ad q aq U jI x x jI x x σσ=++++&&& d d q q
U jI x jI x =++&&&
其中：d ad x x x σ=+——凸极同步电机的直轴同步电抗；
q aq x x x σ
=+——凸极同步电机的交轴同步电抗；
电抗的大小与磁导成正比，由于直轴气隙比交轴小故磁导比交轴大，所以d q
x x >；
隐极机由于气隙均匀，相当于d q s
x x x ==。
上式变为：
0()d s q s d q s s
E U jI x jI x U j I I x U jIx =++=++=+&&&&&&&&&——隐极机电势方程；
可见，隐极机可看成是凸极机当
d q s x x x =@时的特例。
③凸极机相量图如【P205图21-13、图21-14】：
由于d 轴就是励磁磁通0φ&的方向， 0E &比0φ&落后090，q 轴与d 轴垂直(正交)，∴0
E &一定在q 轴方向； ∵相量d q
I I I =+&&&，∴大小0sin d I I ψ=、0cos q I I ψ=； ④利用凸极机相量图可采用几何方法求0ψ、δ、0E ：
由【P205图21-14】可见：
忽略a R ，过U &的矢端作I &的垂线与q 轴相交；所组成的直角三角形中，0ψ角的邻边长度为cos U ?、对边
长度为sin q Ix U ?+；因此：0sin arctan cos q Ix U U ?ψ?
+= ；
0δψ?=-
由【P205图21-13】可见： 忽略a R ，0cos d d
E U I x δ=+
其中：0sin d I I ψ=；
⑤此外由图21-14可见，凸极机0ψ的对边与q 轴相交所组成的直角三角形，其斜边并不是0E &而是Q
E &，Q q
E U jIx =+&&&称为虚拟电动势，与此方程对应的等效电路如【P206图21-15】； 由图21-14：0()Q d d q
E E jI x x =+-&&&； 由于0E &、Q
E &、()d d q jI x x -&同相，故大小为:0()Q d d q E E I x x =+-； 且由该直角三角形可知，忽略a R ：0cos cos Q U E ?ψ=
对于隐极机：∵d q x x =，∴0
Q E E =&&； 书上例题：p206例21-1；
例1： 一台凸极同步发电机，72500N P kW =,10.5N U kV =，Y 接法，cos 0.8N ?=滞后，已知 1.217d x =Ω
0.674q x =Ω，忽略a R 。试求额定负载下运行时发电机的0ψ、d I 、q I 及0E 线。
解：4983()N N I I A ?==
==
3
6062()
N U V ?
===
1
1
00sin 49830.67460620.6
55.27cos 60620.8
N q N N
N N
I X U tg tg U ????ψ?--+?+?===?
0sin 4983sin55.274095()d N I I A ?ψ==?=
0cos 4983cos55.272838.9()q N I I A ?ψ==?=
∵ cos 0.8N ?=，∴0
36.87
N ?=；
000
055.2736.8718.4N δψ?=-=-=
00cos 6062cos18.44095 1.21710735.7()
N d d E U I x V ?δ=+=?+?
=0010735.718595()E V ===线 （三）同步发电机功率方程和转矩方程
1. 功率平衡方程（假设励磁损耗cuf p 由另外电源供给）： ①机械方面的功率平衡：10Fe e e P p p P p P Ω=++=+； 其中：1P ——由原动机输入的机械功率；
e P ——机械转变为电的那部分功率，称为电磁功率；
0()Fe p p p p Ω?=++——空载损耗，它包括机械损耗p Ω、铁耗Fe p ，有时还需考虑杂散损耗p ?； ②电方面的功率平衡：2e cua P p P =+；
其中：2
cua a p mI R =——定子绕组铜耗；
2cos P mUI ?=——发出的电功率；
常忽略a R ，则：2e P P ≈
因此：20cos cos e Q P P mUI mE I ?ψ≈==（隐极机0Q E E =） 注：凡功率符号为大写P ，凡损耗符号为小写p ； 2.转矩平衡方程
把机械方面的功率平衡方程两边除以同步角速度S Ω，可得同步发电机的转矩平衡方程：10e T T T =+
其中：1
1S
P T =
Ω————原动机输入的驱动机械转矩； 00Fe
S S P p p T Ω+=
=ΩΩ————电机的空载损耗转矩； 2e e S S
P P
T =
≈ΩΩ————制动性质的电磁转矩； 其中： 260
S
S n πΩ=
； 单位：/rad s （弧度/秒）；转矩单位：N.m （牛顿.米）； 第二十二章 同步发电机的特性
同步发电机在对称负载下运行时，S n n ==常数、cos ?=常数。
在可测量的f I 、U 、I 三个量中，保持其中一个不变，另两者之间的关系即表示一种特性：
0I =不变、00()f U U E f I ==@——空载特性；
0U =不变、()k f I I f I =@——短路特性； 0I ≠为常数不变、()f U f I =——负载特性；
其中cos 0?=的负载特性称为零功率因数负载特性；
f I =常数不变、()U f I =——外特性；
N U U =不变、()f I f I =——调整特性；
此外还有效率特性——2()f P η=
1.空载特性——0()f E f I =与磁化曲线0()f f F φ=形状相似：【P209图22-1】
当0φ较小时磁路未饱和，空载特性是直线，饱和后成为曲线；直线部分的延长线称为气隙线。 通常额定相电压Nph U 点设计在空载特性的拐弯点； 2.短路特性
短路时0U =&，忽略a
R 发电机只剩内部同步电抗压降与0E &平衡，故k I &是纯感性的，∴0
090ψ=， 对隐极机：0s k s
E U jIx jI x =+=&&&&；
对凸极机：由于0
90ψ=，则cos 0q k I I ψ==，
sin d k k
I I I ψ==；
∴0q q d d k d
E U jI x jI x jI x =++=&&&&&
可见无论隐极、凸极机：0k E I ∝
又由于0
090ψ=时的电枢反应是直轴去磁的，即磁通较小电机不饱和，∴0f E I ∝ 因此：k f I I ∝——短路特性是一条直线，【P209图22-2（b ）】。
且由于磁通较小、感应电势较小，故k I 不大， 所以同步发电机三相稳态短路没有危险。 3.利用空载特性和短路特性可求s x 、d x 的不饱和值：【P211图22—6】
由于短路时磁路不饱和，空载特性是直线即气隙线，短路特性也是一条直线； 因此，在图中对应同一励磁电流f I ，从空载特性气隙线上查0E 、从短路特性上查k I ；
据0k s E jI x =&&及0k d E jI x =&&可知，0
E 与k I 的比值就是s x 、d x 的不饱和值： 0
s d k E x x I =
不饱和值、；
4. s x 、
d x 饱和值的近似求法【P212图22—7】： 在空载特性饱和段取Nph U 点，对应于该点找同一励磁电流0f I 下的短路电流k
I '； 则：Nph
s d k
U x x I ≈
'饱和值、 5.短路比c k 定义——产生空载额定电压与额定短路电流所需的励磁电流之比； 由【P212图22—7】：
011f Nph k k c b fk
N Nph N d d I U I I k Z I I U I X x *''=
=
=?=?=饱和饱和
可见：1c d k x
*
=
饱和
书上P212例22-1
6.零功率因数负载特性：
①由于cos 0?=，负载为纯感性，电机本身的阻抗也是纯感性（忽略a R ），故0
90ψ=，0q I =，电枢反应为
直轴去磁；故此时的同步机方程：0d
E U jIx =+&&& ②在空载特性与零功率因数负载特性之间，存在一个特性三角形AE
F ?【P210图22-5】
据上述同步机方程：在空载特性上∵0I =，当0Nph E U =时，励磁电流对应图中BC 段，即BC 段f I 用于建立
空载相电压Nph U ；
在负载特性上∵0I ≠，∴当Nph U U =时，0Nph d Nph ad
E U jIx U jIx jIx σ=+=++&&&&&&， 励磁电流对应图中B
F 段； BF BC CA AF =++
其中：BC 段f I 仍用于建立空载相电压Nph U ，CA 段f I 用于建立漏电抗压降Ix EA σ=，AF 段f I 用于
补偿直轴电枢反应ad Ix 的去磁作用； 由此可得：p
EA
x x I
σ=
@————p x 比实际的电枢漏抗略大，称为坡梯电抗 由于0I ≠不变，故特性AEF ?的大小不变，当三角形的E 点在空载特性上移动时，F 点的轨迹就是零功率因数
负载特性；当三角形的水平边移到与横坐标重合时，F 点=K 点对应短路点。 7.用转差法求d x 、q x 的不饱和值
原动机把同步机拖到接近同步速、转子励磁绕组开路、定子加三相对称低压（其相序应使电枢旋转磁场与转子转向相同）、示波器录下电枢电压U 和电枢电流I 波形，如【P213图22-8】； 则：max min
d U x I =
不饱和；min max q U
x I =不饱和
8.外特性：
实验测得各种负载下的外特性如【P214图22-10】：
令电机工作在Nph U 、N I 点，然后减少发电机的负载I ，可见：
随着负载电流I 的减少，纯阻负载端电压U 上升；感性负载U 上升得更多；容性负载则U 下降； 当I 减为零时，0U E =。
定义同步发电机的电压调整率：0100%
Nph Nph
E U U U -?=?
9.调整特性：
调整特性是N U U =不变、()f I f I =的曲线；由外特性可知：当负载为纯阻或感性时，随着I 增大U 是要下降的，且感性比纯阻负载下降更多；现随着I 增大U 要保持不变，则只好加大励磁电流，且感性比纯阻负载加大更多；
同理，容性负载随着I 增大U 是要上升的，现随着I 增大U 要保持不变，则只好减小励磁电流；如【P214图22-12】。 10.效率特性
据同步发电机功率平衡方程：122
Fe cua cuf P p p p p p P p P Ω?=+++++=+∑；
其中：总损耗
Fe cua cuf p p
p p p p Ω
?=++++∑
效率12111211P P P P P P P P P P η-===-=-+∑∑∑∑
第二十三章
（一）同步发电机投入电网并联运行
1.并联条件
为了避免投入电网时产生冲击电流以及产生冲击转矩，并联时应使【P217图23-1】中开关Q 两端的电压差U ?&为零，即发电机0
E &与电网U &的瞬时值必须一直保持相等；
因此并联条件：发电机与电网相序、电压波形、频率一致；0
E &与U &大小相等、相位相同； 2.并联方法：发电机投入并联所进行的调节和操作过程，称为整步过程
由于电压波形设计时已保证，电机转向和相序已标明；故整步过程只需实现0
E &与U &大小、相位相同、频率相等； ①准确整步法：把发电机调整到完全符合并联条件再投入电网
灯光熄灭法【P218图23-3】：合闸条件：三灯全灭；
当0
E &与U &大小不等或相位不等时，三灯等亮；当频率不等时，三灯同时出现时亮时暗； 灯光旋转法【P219图23-4】：合闸条件：一灯灭、两灯等亮；
当0
E &与U &大小不等或相位不等时，三灯均亮但亮度不等；当频率不等时，灯光旋转； ②自整步法：操作简单，但有一定冲击电流
励磁绕组先经限流电阻短路，把发电机拖到接近同步速，发电机投入电网，立即加上直流励磁，依靠电磁转矩把转子牵入同步；
（二）同步发电机的功角特性
1.凸极同步发电机的功角特性()e P f δ= 忽略a R ，凸极机相量图如【P220图23-6】：
2cos e P P mUI ?=B 0cos()mUI ψδ=- 其中：0?ψδ=-
00cos cos sin sin mUI mUI ψδψδ=+ 其中：000cos()cos cos sin sin ψδψδψδ-=+
cos sin q d mUI mUI δδ=+ 其中：0cos q I I ψ=、0sin d
I I ψ=
0cos sin cos sin q d E U U mU
mU x x δδδδ-=+ 其中：sin q q U I x δ
=、0cos d d
E U I x δ-= 2011
sin ()sin 22d q d
UE U m m x x x δδ=+- 其中：1sin cos sin 22δδδ=
12e e P P =+————凸极同步发电机的功角特性【P220图23-7】
其中：1e P ——基本电磁功率，随δ作正弦变化，与励磁电势0E 成正比，当0
90δ=时，1e P 达到最大值；
2e P ——附加电磁功率，随2δ作正弦变化；即使电机没有励磁即00E =，只要凸极效应存在即d q x x ≠，
2e P 就存在，当045δ=时，2e P 达到最大值；
3.隐极同步发电机的功角特性()e P f δ=
由于隐极机d q s x x x ==，故附加分量20e P =，只有基本分量1e P ； ∴0
sin e d
UE P m
x δ=————隐极同步发电机的功角特性；
可见：当090δ=时，隐极机的电磁功率出现最大值，而凸极机的最大电磁功率出现在00
45~90δ=之间。 书上P221例23-1
（三）有功功率调节和静态稳定
同步发电机投入并联的目的，就是要向电网输出功率，电机并联到（无穷大）电网上运行后，其端电压和频率均与电网一致不能变；
1.同步发电机有功功率的调节
增加原动机的输入功率P 1（如调节汽轮机的汽门或水轮机的水门），可使同步发电机的功率角δ增大，从而输出的电磁功率2e P P ≈增大。
2.静态稳定【P223图23-11】（以隐极机为例）： ①当工作点在0
090δ<≤（即
0e
dP d δ
>范围）
，如A 点： 当有扰动使输入功率1P ↑（从而1T ↑）时，引起功率角δ↑，由图23-11可见e P ↑（从而e T ↑）； 据同步发电机的转矩方程：10e T T T =+；驱动转矩与制动转矩均同时增大，可达新的平衡； 故当扰动消失时机组能回到原工作点A ； ②当工作点在0
90180δ<≤（即
0e
dP d δ
<范围）
，如B 点： 当有扰动使输入功率1P ↑（从而1T ↑）时δ→↑，由图23-11可见反而e P ↓（从而e T ↓）
； 使驱动转矩大于制动转矩，机组不能达到平衡；故当扰动消失时机组也不能回到原工作点B ，甚至引起失步； ③可见：机组静态稳定的条件是：0e
dP d δ
> 3.过载能力max
e p N
P k P =
对隐极发电机：0
90δ=时达到max e P ；
∴0max 01
sin sin e s p N
N N s
E U m
P x k E U P m x δδ=
==
（四）无功功率的调节
1.在调节无功功率时，假定输出的有功功率不变，即2e P P ≈不变； 以隐极机为例，由于m 、U 、s x 均是定值，故：
2cos P mUI ?=不变————cos I ?=常数
sin e s
UE P m
x δ=不变————0sin E δ=常数 2.据隐极机相量图【P224图23-12】，当调节f I ，0E 变化时：
为了保持cos I ?=常数，相量I &的矢端必须在CD 线上移动；
为了保持0sin E δ=常数，相量0E &的矢端必须在AB 线上移动； 3.设cos 1?=时的f I 称为正常励磁，对应图中0E &、I &； 当增大f I 大于正常励磁时，称为过励，对应图中0E '&、I '&； 当减少f I 小于正常励磁时，称为欠励，对应图中0E ''&、I ''&；
由图23-12可见：调节发电机的励磁，可调节其无功；
正常励磁时，发电机不输出无功；
过励时，I
'&是落后的电流，即发电机向电网输出落后的无功； 欠励时，I
''&是超前的电流，即发电机向电网输出超前的无功； 4.同步发电机的V 型曲线：e P 一定时 ()f I f I =曲线
由图23-12可见：cos 1?=时，电枢电流I 是最小的，无论发电机过励或欠励，I 都比正常励磁时要大； 因此()f I f I =是一条V 型曲线【P224图23-13】，
其中：最低点对应正常励磁；每一条V 型曲线对应不同的e P ，把各曲线最低点连接起来得到一条cos 1?=的曲线，曲线的右侧为过励状态，发电机输出滞后的无功；曲线的左侧为欠励状态，发电机输出超前的无功；
第二十四章
（一）同步电动机的方程
1.由于电动机相当于定、转子合成磁场拖着转子磁极转，即U &超前于0
E &，若采用发电机惯例和方程讨论电动机，则0δ<， 0e P <，0
90?>、cos 0?<；如【P225图24-1】：
2.为应用方便，采用电动机惯例：
定义功率角M δ——U &超前于0
E &的角度；设输入电流为正方向，即以M I I =-&&代入原发电机方程；有关物理量下标加M ；
则隐极机方程式（忽略a R ）：0M s
U E jI x =+&&&；与之对应的相量图及等效电路如【P225图24-2】； 凸极机方程（忽略a R ）：0dM d qM q
U E jI x jI x =++&&&；相量图如【P226图24-3】； 3.采用电动机惯例后，用几何方法求电动机0M ψ、M δ、0E 的计算公式与发电机相同： 凸极机：0sin arctan
cos M q M
M M
I x U U ?ψ?+= ；
0M M M δψ?=-
0cos M dM d
E U I x δ=+
其中：0sin dM M M I I ψ=；0cos qM M M I I ψ=
4.功率方程和功角特性：
①电方面的功率平衡：1cua e P p P =+；
其中：1cos M M P mUI ?=——由电网输入的电功率；
e P ——电能转变为机械能的那部分功率，称为电磁功率；
2
cua M a p mI R =——定子绕组铜耗；
常忽略a R ，则：1e P P ≈
②机械方面的功率平衡：20e Fe e P p p p P p P Ω?=+++=+；
其中：2P ——输出的机械功率；
0Fe p p p p Ω?=++——空载损耗，它包括了机械损耗p Ω、铁耗Fe p 和杂散损耗p ?；
③把机械方面的功率平衡方程0e e P p P =+两边除以同步角速度S Ω，可得同步电动机的转矩平衡方程：
02e T T T =+
其中： 1e e S S
P P
T =
≈ΩΩ————驱动性质的电磁转矩； 2
2S
P T =
Ω——电动机轴上输出的机械转矩； ④采用电动机惯例后，功角（矩角）特性方程也与发电机相同：
隐极电动机：0
sin e M s
UE P m
x δ= 0
sin e e M s S s
P UE T m x δ=
=ΩΩ 凸极电动机：2011
sin ()sin 22e M M d q d
UE U P m
m x x x δδ=+- 2011
sin ()sin 22e e M M S S d S q d
P UE U T m m x x x δδ==+-ΩΩΩ
可见：即使没有励磁即00E =，只要有凸极效应存在即d q x x ≠，同步电动机就有驱动电磁转矩，就能转动； 同步电动机过载能力的定义和计算公式也与发电机一样。
书上P227例24-1（1）
注：采用标幺值进行计算时，公式中没有相数m （二）同步电动机的运行特性
1.同步电动机的工作特性：e T 、M I 、η、2cos ()M f P ?=曲线，如【P227图24-4】； 其中：∵2
020e S
P T T T T =+=+
Ω； 0T 、s Ω不变；∴22e P T T ↑→↑→↑ ∵102cos M M e P mUI P p P ?=≈=+；∴21e M P
P P I ↑→≈↑→↑ 各机种的2()f P η=曲线形状基本相同，当可变损耗=不变损耗时，效率达到最大值。 2.同步电动机在不同励磁时的2cos ()M f P ?=曲线如【P227图24-6】； 从三条曲线的变化规律可见：
①当励磁一定时（同一条曲线上），随着2P 增大，电动机从cos M ?（超前）→cos 1M ?=→cos M ?（滞后）； ②在满载时达到cos 1M ?=比半载时达到cos 1M ?=所需的励磁电流要大、比空载时达到cos 1M ?=所需的励磁电流更大；
（三）同步电动机的无功功率调节
与同步发电机一样，调节励磁，可调节电动机的无功； 以隐极机为例，相量图如【P227图24-5】；
1. 调无功时为保证输入有功功率1e P P ≈不变，当调节f I ，0E 变化时，相量M I &的矢端必须在CD 线上移动、相
量0
E &的矢端必须在AB 线上移动； 2.由图24-5可见：正常励磁时，对应图中0E &、M
I &；电动机不吸取无功； 过励时，对应图中0E '&、M I '&；M I '&是超前的电流，即电动机从电网吸取超前的无功；
欠励时，对应图中0E ''&、M I ''&；M I ''&是滞后的电流，即电动机从电网吸取滞后的无功；
注：过励时，同步发电机向电网输出落后的无功、电动机从电网吸取超前的无功；由于吸取超前=输出落后，故为了改善电网落后的功率因数，无论同步发电机还是同步电动机均应调节为过励状态。 （四）同步电动机的起动 同步电动机直接起动时，定子旋转磁场以同步速旋转，转子静止不动，作用在转子上的同步电磁转矩正、反交变，平均转矩为零，电动机不能自行起动；
1.异步起动法：主极极靴上装设自行闭合的起动绕组，类似于感应电动机的笼型绕组，起动过程包括两个阶段； ①异步起动阶段：励磁绕组串接限流电阻后短路，定子旋转磁场在起动绕组中感应电流，产生异步电磁转矩使
电机起动起来；
其中：励磁绕组不能开路，因为励磁绕组匝数较多，起动时定子旋转磁场会在其感应高电压；
励磁绕组也不能直接短路，因为励磁绕组中的感应电流会产生脉振磁场，其分解的反向旋转磁场与定
子绕组相互作用会产生一个“单轴转矩”，使合成转矩在n s /2附近产生明显下凹【P229图24-7】，以 致电动机的转速停滞在n s /2处不能继续上升；
②牵入同步阶段：当转子接近同步速时，加入直流励磁，可牵入同步； 2.同步电动机还可采用其他辅助动力机来起动，或采用变频起动。 （五）同步补偿机
1. 同步补偿机相当一台空载运行的同步电动机，不实现有功功率的传递；正常励磁时电枢电流接近于零；
2.与同步电动机一样：正常励磁时，补偿机不吸取无功；
过励时，从电网吸取超前的无功；
欠励时，从电网吸取落后的无功；
3.电网中大部分负载为感性，需从电网吸取落后的无功，电网上装设同步补偿机并调为过励，则可从电网吸取超前的无功，以补偿感性负载所需的无功，相当于向电网发出了滞后的无功，从而提高电网的功率因数。
注意：
1. 所有计算要先写公式再代数据最后写答案。
2. 所有物理量最后答案要写单位。
作业：
P233题5-23（1）（2）（3）
P
P234题5-26（1）（2）改求
eN
P234题5-30
交流永磁同步电机结构与工作原理 2。1。1交流永磁同步电机得结构 永磁同步电机得种类繁多,按照定子绕组感应电动势得波形得不同,可以分为正 弦波永磁同步电机（PMSM）与梯形波永磁同步电机（BＬＤC）【261.正弦波永磁同步电机 定子由三相绕组以及铁芯构成，电枢绕组常以Y型连接，采用短距分布绕组;气隙场 设计为正弦波，以产生正弦波反电动势；转子采用永磁体代替电励磁,根据永磁体在 转子上得安装位置不同，正弦波永磁同步电机又分为三类:凸装式、嵌入式与内埋式。 本文中采用得电机为凸装式正弦波永磁同步电机,结构如图2一l所示，定子绕组一 般制成多相,转子由永久磁钢按一定对数组成，本系统得电机转子磁极对数为两对, 则电机转速为n=60ｆ/p，f为电流频率,Ｐ为极对数。
图2一l凸装式正弦波永磁同步电机结构图 目前,三相同步电机现在主要有两种控制方式,一种就是她控式（又称为频率开环 控制)；另一种就是自控式(又称为频率闭环控制）[27】。她控式方式主要就是通过独立控 N＃l－部电源频率得方式来调节转子得转速不需要知道转子得位置信息,经常采用恒压 频比得开环控制方案。自控式永磁同步电机也就是通过改变外部电源得频率来调节转子 得转速，与她控式不同，外部电源频率得改变就是与转子得位置信息就是有关联得，转子
转速越高，定子通电频率就越高，转子得转速就是通过改变定子绕组外加电压(或电流） 频率得大小来调节得。由于自控式同步电机不存在她控式同步电机得失步与振荡问 题,并且永磁同步电机永磁体做转子也不存在电刷与换向器,降低了转子得体积与质 量，提高了系统得响应速度与调速范围，且具有直流电动机得性能，所以本文采用了 自控式交流永磁同步电机.当把三相对称电源加到三相对称绕组上后,自然会产生同 步速得旋转得定子磁场，同步电机转子得转速就是与外部电源频率保持严格得同步,且 与负载大小没关系. 2。1.２交流永磁同步电机得工作原理 本系统采用得就是自控式交直交电压型电机控制方式，由整流桥、三相逆变电路、 控制电路、三相交流永磁电机与位置传感器构成，其结构原理图如图2-2所示.在 图2-2中，50HZ得市电经整流后,由三相逆变器给电机得三相绕组供电，三相对称 电流合成得旋转磁场与转子永久磁钢所产生得磁场相互作用产生转矩，拖动转子同步
电动机维修保养技术标准 一、适用范围 本技术标准规定了电动机的标准小修项目及质量验收标准等内容，适用于200KW及以上电动机的保养检修 二、电机保养周期 熔融天车主起升200KW以上三相异步电动机每三年大修一次，每六个月至一年保养一次，遇有大修则保养不另进行。 三、大修及保养项目 序号大修保养 1 电动机解体与清除灰尘、污垢打开电动机非负荷端端盖及前后轴承盖 检查，必要时更换轴承油 2 定子的检修清扫过滤器及通风道，用压缩空气吹灰 3 转子的检修检查滑环、电刷、刷架、适量更换电刷 4 轴承的检修检查清理接线盒，紧固地脚螺丝及支持瓷瓶，测量定转子绕组的直流电阻及绝缘 5 冷却系统的检修 四、项目检修及检查标准 1、电机内灰尘及污垢的清理 吹灰清扫时，应用2—3kg／cm2的清洁、无油、无水的压缩空气进行。除去线圈上的油污时可用航空汽油、四氯化碳、甲苯或带电清洗剂等进行擦试，不得使用有害溶液或金属工具。 2、定子检修及检查标准 2.1、线圈无接地、短路、断线等故障。线圈绝缘表面应无损伤、龟裂、变色、焦脆、磨损及严重变形等现象，否则应查明原因予以处理。各绑线、
2.2、定子铁心应无擦铁、过热、生锈、松动和变形等现象，通风沟畅通。撑铁和压板平整无松动，锁键紧固焊接可靠，否则应查明原因予以处理，必要时可作铁损试验进行鉴定。 2.3、引线和跨接线良好，绑扎牢固焊接可靠，各焊接头无过热现象，有足够的机械强度和绝缘强度。 2.4、电动机接线端子相色齐全正确，各载流螺栓螺母和垫片均为铜质，且完好齐全。连接处应平整紧密良好，并要可靠锁紧。连接板绝缘良好无焦脆现象，瓷瓶牢固无裂纹损伤。 2.5、机座、端盖、接线盒、风罩和挡风板等应完好，无损伤和严重变形磨损。否则应采用镶套、烧焊、电镀或更换等方法进行处理。 2.6、绝缘电阻不符合要求的受潮电动机，应采取吹灰、清擦、干燥等方法进行处理。 3、转子检修及检查标准 3.1、转子铁心应紧密平整，无过热、生锈、松动、变形和断齿等现象，槽楔应紧固完整，无空洞声。通风沟应畅通。转子撑铁和锁键无脱焊松动。 3.2、大轴无弯曲或裂纹，与铁心的配合良好，轴颈应完整无磨损、无毛刺。 3.3、转子风扇固定牢固，无松动裂纹，与轴的配合良好。平衡块无松动位移，顶丝锁紧可靠。 3.4、靠背轮无裂纹，内孔配合面与找正面光洁，轴孔键三者配合符合要求，对轮配合螺丝正确并可靠锁紧。 3.5、松动的转子部件，经处理或更新后，应作静平衡，必要时做动平衡试验。
一、 概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有： 1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180℃，一般也可达150℃，已足以满足绝大多数电机的使用要求。表1是各种永磁材料性能比较。 表1各种永磁材料的性能比较 永磁材料剩磁（T）Br(T) 矫顽力HcB(KA/m) 内禀矫顽力Hcj(KA/m) 最大磁能积(BH)m（KJ/m3）剩磁可逆温度系数αB(%C) 居里温度Tc8(C) 中等水平钕铁硼`` 1.26 967 955 310 -0.12 350 较高水平的钐钴1.00 746 766 210 -0.03 850
通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制方式。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念，无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频，从电机理论上讲，无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似，应该归类为交流永磁同步伺服电机；但习惯上被归类为直流电机，因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看，称之为“无刷直流电机”也算是合适的。 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波， 逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。 本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制 策略。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。 最后纠正一个概念，“直流变频”实际上是交流变频，只不过控制对象通常称之为“无刷直流电机”。 仅对电机结构而言，二者确实相差不大，个人认为二者的区别主要在于： 1 概念上的区别。无刷直流电机指的是一个系统，准确地说应该叫“无刷直流电机系统”，它强调的是电机和控制器的一体化设计，是一个整体，相互的依存度非常高，电机和控制器不能独立地存在并独立工作，考核的也是他们整体的技术性能。而交流永磁同步电机指的是一台电机，强调的是电机本身就是一台独立的设备，它可以离开控制器或变频器而独立地存在独立地工作。 2 从设计和性能角度上看，“无刷直流电机系统”设计时主要考虑将普通的机械换向变为电子换向后如何还能保持机械换向电机的优点，考核的重点也是系统的直流电机特性，如调速特性等；而交流永磁同步电机设计主要着重电机本身的性能，特别是交流电机的性能，如电压的波形、电机的功率因数、效率功角特性等。 3 从反电势波形看，无刷直流电机多为方波，而交流永磁同步电机反电势波形多为正弦波。 4 从控制角度看无刷直流电机系统基本不用什么算法，只是依据转子位置考虑给那个绕组通电流即可，而交流永磁同步电机如果需要变频调速则需要一定的算法，需要考虑电枢电流的无功和有功等。 5 关于“那么三相无刷直流电机能不能使用三相正弦交流电呢如果可以，霍耳器件是否可以不用了” 从原理上讲，三相无刷直流电机使用三相正弦交流电是可以运行的，只不过是运行性能可能很差，如果三相无刷直流电机的反电势波形为方波，则使用三相正弦交流电时会产生很大的谐波损耗，温升很高。是否需要霍耳器件与使用什么电源（三相正弦交流电或方波脉冲电源）无关，而与电机的控制算法、控制策略及控制方式等因素有关，如果是用无位置传感
电动机检修技术规范 目录 1 主题内容与适用范围 2 引用标准 3 电动机的检修周期 3.1 电动机的大修周期 3.2 电动机的小修周期 4 电动机的检修项目 4.1 大修项目 4.2 小修项目 5 电动机的检修工艺及质量标准 5.1 大修前的准备工作 5.2 电动机的解体 5.3 定子的检修及质量标准 5.4 转子的检修及质量标准 5.5 轴承的检修及质量标准 6 电动机的组装、试运及验收 6.1 电动机的组装 6.2 电动机的试验 6.3 电动机的试运及验收 7 电动机线圈重绕工艺 7.1 线圈重绕准备 7.2 制作绕线模和线圈 7.3 下线与整形 7.4 试验检查 7.5 浸漆与烘干 8 电动机常见故障及捧除
前言 本标准规定了神化阳光发电公司电动机的小修、大修、特殊项目检修的一般原则和方 法。 下列人员应熟悉或掌握本规程全部或部分内容： 1.生产副厂长、总工程师、副总工程师。· 2.检修分厂电气副主任、电气专责。 3.检修分厂电气检修班长及电气检修人员。 1 主题内容与适用范围 本规程规定了我厂电动机的标准大、小修项目及质量验收标准等内容，适用于我厂各 电动机的检修。 2 引用标准 下列标准包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。在标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨、使用下列标准最新版本的可能性 SD230—87发电厂检修规程 GB755—87旋转电机基本技术要求 3 电动机的检修周期 3.1 电动机的大修周期 3.1.1 机组所属的主要高低压电动机(含直流电动机)随该机组同时大修备用时间长的电动机、机组所属闸门电动机，可适当延长大修周期 3.1.2 其它公用系统电动机，每三年大修一次
高压永磁同步电动机应用与研究 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。为实现中、大功率电动机高效节能目标，高效永磁同步电动机的研发和应用已成为国内外发展的必然趋势。高效永磁同步电动机理论分析、实验室试验和国家权威机构检测成功后，对现场应用尚无完整的试验研究数据，缺少通过试验和监测手段对高效永磁同步电动机进行经济效益分析。本文通过在张家口发电厂首次应用，并通过严格试验得出相关研究数据和分析结果。 标签：高效永磁同步电动机现场方案试验研究结果分析 引言 在工业、建筑以及公用设施领域中电动机是重要的原动力设备，也是电能消耗的最大用户，和节电潜力的最大用户。2012年我国各类电动机总装机容量约为5亿千瓦，其中异步电动机的装机容量占全国电动机装机容量的90%，约占全国用电量的60%，占工业用量的75%，系统用电效率比国外先进水平低5%-15%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。而高效永磁同步电动机能否达到高效节能目标，现场应用前景如何，已经引起国内各大企业关注。2013年工业和信息化部印发（2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案）提出，选择电机在能效提升和绿色发展方面要取得突破。本文将通过在张家口发电厂首次应用和现场试验进行分析。为企业应用永磁同步电动机提供参考。 一、高压永磁同步电动机概述 1.高压永磁同步电动机的发展历程 电机属于电磁装置，其工作原理是通过磁场实现电能与机械能间的不断转换。在电机的工作过程中，气息磁场是必不可少的。获得磁场的方法有两种，其中一种是通过电流得到。该种电机叫做电励磁电机，这种电机需要具备专门用来产生电流磁场的绕组，同时，为了保证电流的正常流动还需要为电机提供不间断的能量供应。另一种方法是通过永磁体来获得磁场，这可以大大简化电机的结构，同时，因为永磁体一旦磁化（充磁）之后就永久具有磁性，不再需要外界供给能量，这也大大的减少了能量的损耗。 高压永磁同步电动机就是通过永磁体获得磁场的电动机，永磁体材料的发展促进了此种电动机的发展。稀土钴和钕铁硼永磁分别在20世纪60年代和80年代出现，这两种永磁材料的出现极大的促进的电动机的发展，因为这两种材料具有特别适用于电机装置的特性，包括高剩磁密度、高矫顽力、线性退磁曲线以及高磁能积。
维修电工技术等级标准 一、职业定义 使用电工工具和仪器仪表，对设备电气部分（含机电一体化）进行安装、调试、维修。 二、适用范围 各种机床、工艺设备和电气设备的维修、安装；各种交直流电动机、变压器和各种电器的大、中、小修。 三、技术等级线 初、中、高三级。 初级维修电工 一、知识要求 1、常用仪表（兆欧表、万用表、电流表、电压表、转速表等）的名称、型号、规格、用途、使用规则和维护保养方法。 2、常用工具和量具（手电钻、喷灯、拆卸器、验电笔、旋具、钢丝钳、剥线钳、电工刀、电烙铁、游标卡尺、千分表、万能角尺、塞尺、绕线机等）的名称、规格、用途、使用规则和维护保养方法。 3、常用各种电工材料（导电材料、绝缘材料、磁性材料、电碳制器、绝缘漆和电工材料等）的名称、规格和用途。 4、晶体二极管、三极管的识别方法和简单放大电路的工作大原理。 5、机械识图知识。常用电气设备的图形符号和项目代号，常用电气图的系统图、电路图、接线图和有关文字说明方面的知识。 6、交、直流电路的基本知识，一般电路的计算公式和计算方法。 7、电动机和电器铭牌数据的意义。 8、常用变压器、电机（交、直流）、低压电器的名称、种类、构造、工作原理和用途。 9、各种电磁铁和电磁离合器的吸力、电流及行程的相互关系和调整方法。 10、中、小型交流电动机和变压器绕组分类的基本知识。 11、常用轴承和润滑脂的类别、牌号及使用范围。 12、绘制电动机下线接线图和辨别定子2、4、6、8极单路和双路接线的知识。 13、各类熔断器的名称、规格和使用规则。 14、三相交流异步电动机（包括绕线式转子异步电动机）的启、制动原理及常用的控制方法。 15、中、小型异步电动机的拆装、绕线、接线、包扎、干燥、浸漆和轴承装配等工艺规程及试车注意事项。 16、接地线的种类、作用及装接方法。 17、常用设备电器的一般常识，安全用电知识。
第29卷第9期中国电机工程学报V ol.29 No.9 Mar.25, 2009 98 2009年3月25日 Proceedings of the CSEE ?2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号:0258-8013 (2009 09-0098-06 中图分类号:TM 351;TM 359 文献标志码:A 学科分类号:470?40 永磁直线电机精确相变量建模方法 曾理湛1,陈学东1,李长诗2,农先鹏1,伞晓刚1 (1. 数字制造装备与技术国家重点实验室(华中科技大学,湖北省武汉市 430074; 2. 郑州轻工业学院机电工程学院,河南省郑州市 450002 Accurate Phase Variable Modeling of PM Linear Motors ZENG Li-zhan1, CHEN Xue-dong1, LI Chang-shi2, NONG Xian-peng1, SAN Xiao-gang1 (1. State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment & Technology (Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, Henan Province, China ABSTRACT: This paper proposes a general finite element (FE based phase variable modeling method of permanent magnet (PM linear motors for the accurate dynamic simulation of drive systems. A general phase variable model of PM linear motors is established taking account of the effects of the nonideal geometrical structure on the thrust force, in which the mover position dependent variables are obtained from FE
1．目的 为保证设备的正常运转，能正确、科学地检修。 2．适用范围 本程序规定了电动机维修保养标准操作方法，适用于中、小型交、直流电动机的维护和检修。 3. 职责设备维修人员负责本程序的实施。 4．检修类别 检修类别 检修类别分小修、中修、大修。 检修间隔期 表1 5．检修内容 小修 检查轴承油质、油量和油环，更换润滑脂。 检查及处理电动机引线的连接情况和绝缘包扎情况。 检查处理电动机外壳的接地线。
检查清理滑环和换向器，调整或更换电刷。 测量定、转子线圈及电缆线路的绝缘电阻，如果阻值低，要进行干燥处理。 检查清扫电动机的开关、保护、信号、通风、冷却等附属装置。 中修 包括小修内容 清扫定子、转子绕组、铁芯以及通风沟内的积尘污垢。 检查定子线圈(磁极线圈)和槽楔的绝缘有否松动，铁芯有否松动变色，以及与转子有无磨擦现象，必要时进行刷漆、干燥、焊接、绑扎等绝缘处理。 检查转子鼠笼条（或线圈），端环有无断裂，转子平衡块以及风扇螺钉情况，防松装置是否完整。 检查电枢线圈有否断线，电枢绕组线圈与整流片间的焊接是否牢固，修整流子表面检查电枢线圈对地的绝缘电阻。 检查和更换轴承、风叶、风罩。 检查防爆电动机的接合面有否因裂纹磨损、腐蚀等原因而失去防爆性能，必要时测量防爆间隙。 电动的组装、喷漆、防腐及其组装前后的电导规定试验，经过检修后的电动机，应进行空载和起动试验。 大修 包括中修内容 拆开电动机所有零部件进行清洗、防腐、油漆。
铁芯的紧固处理。 更换定、转子部分或全部线圈，并进行浸漆和干燥处理。 更换损坏的集电环，换向器(整流子)，并精车、接槽和磨光。 清扫紧固励磁装置（硅励磁装置），并进行必要的测试。 刷架、刷握装置的分解和检修，更换损坏和修整弹簧。 组装，进行规定的试验。 试运转。 6．检修前的准备 技术准备 做好设备说明书、技术标准、图样等技术资料的准备，应熟悉电动机的各项技术指标和性能，掌握其结构组成和接线方式。 应了解设备的性能，并测试数据(包括：主要技术参数、绝缘电阻、耐压试验、电流、电压、泄漏电流、各部升温、振动、轴窜量等) 材料准备 电气材料，更换件。 检测仪器、拆装工具等。 安全技术准备 对所有公用器具、检测仪器仪表、保护设施等进行检查，保证其精度并且安全可靠。 现场检修应根据环境条件，做好防火、防爆、防毒、防高温等安全措施。
交流永磁同步电动机伺服系统 1 伺服系统的基本概念 1.1 名词 “伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动;讯号来到之后，转子立即转动;当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名—伺服系统。 1.2 定义 伺服系统—是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化的自动控制系统。 伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。 1.3 伺服系统的组成 伺服系统如图1所示，是具有反馈的闭环自动控制系统。它由位置检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成。 1.4 伺服系统的性能要求 伺服系统必须具备可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能。说明一下，可控性好是指讯号消失以后，能立即自行停转;稳定性高是指转速随转距的增加而均匀下降;速应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。 1.5 伺服系统的种类 通常根据伺服驱动机的种类来分类，有电气式、油压式或电气—油压式三种。 伺服系统若按功能来分，则有计量伺服和功率伺服系统;模拟伺服和功率伺服系统;位置伺服和加速度伺服系统等。 电气式伺服系统根据电气信号可分为dc直流伺服系统和ac交流伺服系统二大类。ac交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种。 这里只讨论电气式伺服系统中的一种—交流永磁同步电机伺服系统。 2 交流永磁同步电机伺服系统 伺服驱动系统能够忠实地跟随控制命令而动作，例如数控机床和工业机人，伺服驱动技术对产品的性能有重要影响，甚至起关键作用。故需进一步认识伺服驱动系统在其中的地位和作用。 2.1 ac伺服系统 电气伺服技术应用最广，主要原因是控制方便，灵活，容易获得驱动能源，没有公害污染，维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展，它为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。 早在70年代，小惯量的伺服直流电动机已经实用化了。到了70年代末期交流伺服系统开始发展，逐步实用化，ac伺服电动机的应用越来越广,并且还有取代dc伺服系统的趋势成为电气伺服系统的主流。 在ac伺服系统中，可分为同步和异步型ac伺服系统两种。 ac伺服系统—→异步型—-→两相异步机; →三相异步机(力距电机)。 →同步型→磁阻式(开关式); →磁滞式(反应式); →永磁式。 永磁转子的同步伺服电动机由于永磁材料不断提高，价格不断下降，控制又比异步电机
第10卷 第1期2006年1月 电 机 与 控 制 学 报 EL EC TR IC MACH I N ES AND CON TROL Vol 110No 11Jan .2006 一种微小型永磁直流直线电机 王坤东, 颜国正 (上海交通大学电信与电气工程学院820所,上海200030) 摘 要:针对永磁直流直线电机的微型化问题,提出了近似拼接的设计方案,优化了结构参数,并 加工出样机进行了试验。在尺寸所限下,该电机使用多个长方体永磁块拼接的正八边形来近似逼近全径向磁化管形磁铁励磁。利用有限元分析软件Max W ell910优化了气隙和磁铁厚度等结构参数。对样机进行了试验分析,结果表明电机驱动力和电流呈线性关系,在整个行程中,输出力均匀,驱动力在电流01004A 时可达0172N,线圈温度在5516°C 。关键词:微小型;永磁;直线电机;有限元优化 中图分类号:T M351 文献标识码:A 文章编号:1007-449X (2006)01-0070-04 A m i n i a ture per manent magnet li n ear DC motor WANG Kun 2dong, Y AN Guo 2zheng (School of Electrical and I nf or mati on Eng .,Shanghai J iaot ong Univ .,Shanghai 200030,China ) Abstract:This paper p resented a method based on j ointed per manents for m iniature of DC linear mot or .Structural para meters were op ti m ized .Pr ot otype was manufactured t o make s ome experi m ents .Under the constraint of m icr o di m ensi on,several rectangular per manent magnets were j oined t o be octagon,whose field app r oaches the filed of tube 2shaped per manent magnetized at radial directi on .Based on the FEA s oft w are Max W ell 910,the structural para meters such as dep th of air gap and per manent magnet were op 2ti m ized .The characters of mot or are analyzed thr ough experi m ents .Research de monstrates that driving f orce is p r oporti onal with the current,and driving force is stable in the whole str oke,and driving force reaches 0172N when the current strength is 01004A ,and the te mperature of coil rises t o 5516°C .Key words:m iniature;per manent;linear mot or;FE op ti m is m 收稿日期:2004-10-21;修订日期:2005-06-15 基金项目:国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2001AA422210) 作者简介:王坤东(1978-),男,博士研究生,研究方向为微型特种机器人; 颜国正(1960-),男,博士后、教授、博士生导师,研究方向为特种机器人、仿生机械。 1 引 言 在微小空间进行作业的行走机构,如工业细小管道或人体消化道的检测机器人等,要求直径在10～15mm 之间,同时对驱动技术也提出了新的要求, 如驱动力大、控制方便、可靠等[1,2] 。微型旋转电机受尺寸的限制,加上将旋转运动变为直线运动的中间机构也占有一定空间,因此将外形尺寸控制在直径为10mm 以下比较困难 [3] 。压电驱动器行程较 短,一般都是在μm 量级,存在如何将位移进行放大 的问题,而且驱动力很难控制[4] 。形状记忆合金驱动器由于记忆合金的加热变形—冷却回复的时间较 长,因此速度较慢[5] 。直线电机是近年来出现的一种新型驱动技术,它将电能直接转换为直线运动的机械能,不需要运动转换的中间机构,因此结构尺寸上能够进一步减小。直线电机种类繁多,其中永磁直流直线电机由永磁励磁,结构简单,控制方便。从现有的产品看,还没有出现直径在10mm 以下的圆
高压永磁同步电动机应用与研究 摘要：目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。为实现中、大功率电动机高效节能目标，高效永磁同步电动机的研发和应用已成为国内外发展的必然趋势。高效永磁同步电动机理论分析、实验室试验和国家权威机构检测成功后，对现场应用尚无完整的试验研究数据，缺少通过试验和监测手段对高效永磁同步电动机进行经济效益分析。本文通过在张家口发电厂首次应用，并通过严格试验得出相关研究数据和分析结果。 关键词：高效永磁同步电动机试验研究结果分析现场方案 引言 在工业、建筑以及公用设施领域中电动机是重要的原动力设备，也是电能消耗的最大用户，和节电潜力的最大用户。2012年我国各类电动机总装机容量约为5亿千瓦，其中异步电动机的装机容量占全国电动机装机容量的90%，约占全国用电量的60%，占工业用量的75%，系统用电效率比国外先进水平低5%-15%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。而高效永磁同步电动机能否达到高效节能目标，现场应用前景如何，已经引起国内各大企业关注。2013年工业和信息化部印发(2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案)提出，选择电机在能效提升和绿色发展方面要取得突破。本文将通过在张家口发电厂首次应用和现场试验进行分析。为企业应用永磁同步电动机提供参考。 一、高压永磁同步电动机概述 1、高压永磁同步电动机的发展历程 电机属于电磁装置，其工作原理是通过磁场实现电能与机械能间的不断转换。在电机的工作过程中，气息磁场是必不可少的。获得磁场的方法有两种，其中一种是通过电流得到。该种电机叫做电励磁电机，这种电机需要具备专门用来产生电流磁场的绕组，同时，为了保证电流的正常流动还需要为电机提供不间断的能量供应。另一种方法是通过永磁体来获得磁场，这可以大大简化电机的结构，同时，因为永磁体一旦磁化(充磁)之后就永久具有磁性，不再需要外界供给能量，这也大大的减少了能量的损耗。 高压永磁同步电动机就是通过永磁体获得磁场的电动机，永磁体材料的发展促进了此种电动机的发展。稀土钴和钕铁硼永磁分别在20世纪60年代和80年代出现，这两种永磁材料的出现极大的促进的电动机的发展，因为这两种材料具有特别适用于电机装置的特性，包括高剩磁密度、高矫顽力、线性退磁曲线以及高磁能积。 我国专家学者自主开发的高效高压永磁同步电动机，采用实心转子磁极铁芯和启动笼复合结构，消弱了齿谐波，减少了转子表面损耗，提高了电机效率。同时，非均匀气隙和优化通风散热，有效的控制了电机温升。该种电机同异步电机相比各项指标显著提供，额定负载效率大于96%，功率因数大于0.98，综合节电率在8%-15%。 2、高压永磁同步电动机的优点
摘 要 直线电机在各行各业中发挥着越来越重要的作用，特别是在机床进给驱动系统中。本 文以平板式交流永磁同步直线电机为研究对象，从电机机体到伺服驱动系统的软、硬件设 计作了深入研究。 本文首先介绍了交流永磁同步直线电机机体设计过程中电枢绕组、铝芯和定子磁钢的 设计和改进方法，较大程度上减小了推力波动，并且结合大推力直线电机的特点设计了方 便有效的装配过程。 建立交流永磁同步直线电机的数学模型，在此基础上分析了当今最通用的伺服控制策 略，选择了矢量控制方法。确定0 d i 的矢量控制实现形式。通过SVPWM 方法进行脉宽调 制，合成三相正弦波。选用TI 公司2000系列最新DSP TMS320F2812，深入研究了以上算法 在DSP 中的实现形式。采用了C 语言和汇编语言混合编程的实现方法。在功率放大装置中， 以智能功率模块IPM 为核心，设计了功率伺服驱动系统。还包括电流采样、光电隔离、过 压欠压保护和电源模块等。 由于知识和能力的限制，本次课题只对直线电机做一些理论研究。 关键词：永磁同步直线电机 DSP SVPWM 矢量控制
Abstract Line motors are playing a more and more important role in all kinds of trade , especially in machine tool feed system. We carry out our study in motor , software and hardware servo system based on flat AC permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM). First introduce the design method of armature ,core of al and magnet which can minish the thrust ripples, then introduce the means of assembly base on high thrust permanent magnet synchronous motors. To ensure the accuracy to a high requirements and get a wide speed range, we choose the dsp of Texas Instruments named TMS320F2812 which is the core of the servo system .In the paper we set up mathematical model of PMSLM, then analyse the current control strategies and choose the vector control method which is realized by the method of 0 d i .The three phase sine wave is compounded by space voltage pulse width modulation(SVPWM).The arithmetic realized by C language and assembly language in DSP. Intelligent Power Model (IPM) is the core of the power amplification circuit system which also contains current sampling circuit, photoelectric-isolation circuits, over-voltage protection circuits, under-voltage protection circuits and power supply. As a result of the knowledge and ability limit, this topic only does a fundamental research to the linear motor. Key words: permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM), DSP, SVPWM, vector control
一、概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有：1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改
交流异步电动机和永磁同步电动机的优缺点比较 1.效率 永磁同步电动机的效率略高一些。但6kw的4极交流异步电机效率也能达到90%以上，与永磁同步电机差别并不大。 2.对控制精度的影响。 交流异步电动机和永磁同步电动机都被广泛应用于伺服系统中。在好的电机控制算法控制下，交流异步伺服系统和永磁同步伺服系统在控制精度上基本没有什么差别。特别是对于变桨系统来说，交流异步电动机的控制精度能达到±0.1度，已经足够了。 3.可靠性 变桨系统的可靠性至关重要。交流异步电动机可靠性远远高于永磁同步电动机，特别是在变桨系统应用中。永磁同步电动机有两大可靠性隐患： 1）永磁材料在绕组大电流情况下会永久性失磁或磁性能下降。通常情况下这一点可以通过电机驱动器的过流保护来避免大电流。但是变桨系统的应用恰恰要求有短时间 大电流的能力。特别是在顺桨时，我们为了保证风机的绝对安全，甚至要冒着牺牲 变桨电机和电机驱动器的危险，长时间维持大电流。对于交流电机来说，只要不造 成绕组烧毁，都可以继续使用。而一旦永磁同步电机的永磁材料磁性能下降，就无 法输出足够的力矩，影响风机安全。 2）转子磁钢钕铁硼磁钢的制造工艺复杂，防腐处理不好会造成锈蚀。钕铁硼磁粉很容易锈蚀，需要有很好的处理，包括电镀工艺来达到防腐蚀。如果处理不好，时间久 了可能会出现内部腐蚀。虽然现在磁钢的生产技术水平都提高了，但这一点始终是 个可靠性隐患。 4．成本 永磁同步电机的成本要高于交流异步电机。永磁同步电机的转子磁钢为钕铁硼。钕要从稀土中提取。中国是稀土第一蕴藏大国，也是第一出口大国。由于近几年中国把稀土列为战略物资，限制出口，造成稀土价格翻了几倍。而且以后稀土价格会越来越高，会直接对永磁同步电机成本造成很大影响。 综上所述，交流异步电动机的可靠性更高，成本更低，工艺简单成熟，更适合变桨系统应用。
交流永磁同步直线电机介绍及其控制系统设计 制造业中需要的线形驱动力，传统的方法是用旋转电机加滚珠丝杠的方式提供。实践证明，在许多高精密、高速度场合，这种驱动已经显露出不足。在这种情况下直线电机应运而生。直线电机直接产生直线运动，没有中间转换环节，动力是在气隙磁场中直接产生的，可获得比传统驱动机构高几倍的定位精度和快速响应速度。 本文是在我系研制的同步直线电机基础上进行基于矢量变换控制的驱动系统设计应用。 2. 交流永磁工作原理 直线电机的工作原理上相当于沿径向展开后的旋转电机。交流永磁同步直线电机通入三相交流电流后，会在气隙中产生磁场，若不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布。行波磁场与次级相互作用产生电磁推力，使初级和次级产生相对运动。图1所示为开发设计的交流永磁同步直线电机。 3. 永磁同步直线电机矢量控制原理 由于矢量控制动态响应快，相比较标量控制，在很快的时间内就能达到稳态运行。经过30多年工业实践的考验、改进与提高，目前已经达到成熟阶段[3]，成为交流伺服电机控制的首选方法。因此，直线电机采用了交流矢量控制驱动的方法。
直线电机初级的三相电压（U、V、W相）构成了三相初级坐标系（a，b，c 轴系），其中的三相绕组相角相差120?，即在水平方向上互差1/3极距。参照旋转电机矢量变换理论，设定两相初级坐标系（α-β轴系），由三相初级坐标系到直角坐标系转换称为Clark变换，见式（1）。 从静止坐标系到旋转坐标系的变换称为Park变换，见式（2）。反之称Park 逆变换。 θ是d轴与轴的夹角。根据旋转电机的Park变换理论和两电机结构比较。由于电机运动部分的不同，故直线电机动子相当于旋转电机定子，直线电机定子相当于旋转电机动子。所以在旋转电机中旋转坐标系固定在动子上，旋转坐标系随着电机转子一起同步旋转。在直线电机中，由运动相对性原理，动子的直线运动，