【精品课件】小功率同步电动机

目前， 功率从零点几瓦到数百瓦的各种同步电动 机， 在需要恒速运转的自动控制装置中得到了广泛的 应用。 例如它们用于自动和遥控装置， 无线电通讯设 备， 同步联络系统， 磁带录音和钟表工业等。

小功率同步电动机是交流电动机， 在结构上主要 也是由定子和转子两部分组成的。 各种同步电动机的 定子与一般异步电动机的定子没有什么不同， 定子铁 心通常也是由带有齿和槽的冲片叠成， 在槽中嵌入三 相或两相绕组， 如图5 - 8和图7 - 2所示。 当三相电流 通入三相绕组或两相电流(包括单相电源经过电容移相， 如图7 - 53所示)通入两相绕组时， 在定子中就会产生旋 转磁场。 旋转磁场的转速即为同步转速， 以下式表示：
A—工作绕组； B— 图9-1
(a) 两极； (b) 四极
图 9 - 2 罩极式电动机的磁通及其相量图
图9–3
9.2 永磁式同步电动机
永磁式同步电动机的转子由永久磁钢做成。 它可 以做成两极的， 也可做成多极的。 其作用原理相当简 单， 现以两极电动机为例加以说明。
图9 - 4中所表示的转子是一个具有两个极的永磁转 子。 当同步电动机的定子通上交流电源后， 就能产生 一个旋转磁场， 这个旋转磁场在图中用另一对旋转磁 极加以表示。
第9章 小功率同步电动机
9.1 概述 9.2 永磁式同步电动机 9.3 反应式同步电动机 9.4 磁滞式同步电动机 9.5 电磁减速式同步电动机 思考题与习题
9.1 概 述
直流和交流伺服电动机的转速是随电机轴上所带 的负载阻转矩或者加在控制绕组上的信号电压的改变 而变化的。 但是在有些控制设备和自动装置中， 往往 要求电动机具有恒定不变的转速， 即要求电动机的转 速不随负载和电压的变化而变化。 同步电动机就是具 有这种特性的电动机。
转动起来。 等到转子转速上升到接近同步速时， 定子
旋转磁场就与转子永久磁钢相互吸引把转子拉入同步，
与旋转磁场一起以同步速旋转。
随着永磁材料性能的不断提高， 高性能低价格永 磁材料(如钕铁硼)的出现， 使永磁式同步电动机的应 用范围更加扩大。 与其它型式同步电动机相比， 它出 力大， 体积小， 耗电小， 结构简单、 可靠， 因而已 成为同步电动机中最主要的品种。 目前功率从几瓦到 几百瓦， 甚至是几个千瓦的永磁同步电动机在各种自 动控制系统中得到广泛的应用。
图 9 - 4 永磁式同步电动机的工作原理
图 9 - 5 永磁式同步电动机的启动转矩
综上所述， 影响永磁式同步电动机不能自行启动 的因素主要有下面两个方面：
(1) 转子本身存在惯性； (2) 定、 转子磁场之间转速相差过大。 为了使永磁式同步电动机能自行启动， 在转子上 一般都装有启动绕组。 但如果电动机转子本身惯性不 大， 或者是多极的低速电机， 定子旋转磁场转速不很 大， 那末永磁式同步电动机不另装启动绕组还是会自 己启动的。
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60 f p
式中， f为电源频率； p为电机极对数。
另外， 在一些微小容量的交流电动机中， 定子结 构采用罩极型式， 如图9 - 1所示。 图中定子铁心采用 凸极型式， 是由硅钢片叠成， 可以做成两极(如图9 1(a)所示)， 也可做成多极(如图9 - 1(b)所示)。 每个极 上绕有工作绕组A并接到单相交流电源上， 同时每个 极的一部分套有一个短路环B， 称为罩极绕组。 依靠 这些罩极绕组的作用， 可以使单相绕组通入单相交流 电后产生旋转磁场。 为什么能产生旋转磁场呢? 让我 们回忆一下在第 7 章中谈到的产生旋转磁场的情况。
应该注意， 永磁式同步电动机启动比较困难。 主 要原因是由于刚启动时， 虽然合上了电源， 电机内产 生了旋转磁场， 但转子还是静止的， 转子在惯性的作 用下跟不上旋转磁场的转动。 因此， 定、 转子两对磁 极之间存在着相对运动， 转子所受到的平均转矩为0。 例如在图9 - 5(a)所表示的这一瞬间， 定、 转子磁极的 相互作用倾向于使转子依逆时针方向旋转， 但由于惯 性的影响， 转子受到作用后不能马上转动；
转磁场以同步速ns朝着图示的转向旋转时， 根据N 极与S极互相吸引的道理， 定子旋转磁极就要与转子 永久磁极紧紧吸住， 并带着转子一起旋转。 由于转子 是由旋转磁场带着转的， 因而转子的转速应该与旋转 磁场转速(即同步速ns)相等。 当转子上的负载阻转矩增 大时， 定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角θ就会相 应增大； 当负载阻转矩减小时， 夹角又会减小。
当转子还来不及转起来时， 定子旋转磁场已转过 180°， 到了如图9 - 5(b)所示的位置， 这时定、 转子 磁极的相互作用又趋向于使转子依顺时针方向旋转。 所以转子所受到的转矩时正时反， 其平均转矩为0。 因而永磁式同步电动机往往不能自己启动。 从图9 - 5 还可看出， 在同步电动机中， 如果转子的转速与旋转 磁场的转速不相等时， 转子所受到的平均转矩总是为0。
图 9 - 6 永磁式同步电动机转子结构
9.3 反应式同步电动机
9.3.1 工作原理 反应式同步电动机又称为磁阻电动机。 这种电机
永磁式同步电动机的定子与异步电动机定子完全
相同， 转子结构有多种型式，
9 - 6(a)~(e) 所
示。 它们都具有永久磁钢和鼠笼式的启动绕组两部分。
永久磁钢可以做成两极的或多极的， 启动绕组的结构
与鼠笼式伺服电动机转子结构相同。 当永磁式同步电
动机启动时， 依靠该鼠笼式启动绕组， 就可使电机如
同异步电动机工作时一样产生启动转矩， 因而转子就
两对磁极间的磁力线如同弹性的橡皮筋一样。 尽管负 载变化时， 定、 转子磁极轴线之间的夹角会变大或变 小， 但只要负载不超过一定限度， 转子就始终跟着定 子旋转磁场以恒定的同步速ns转动， 即转子转速为
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可见， 转子转速只决定于电源频率和电机极对数。 但是如果轴上负载阻转矩超出一定限度， 转子就不再 以同步速运行， 甚至最后会停转， 这就是同步电动机 的“失步”现象。 这个最大限度的转矩称为最大同步 转矩。 因此使用同步电动机时， 负载阻转矩不能大于 最大同步转矩。