第六章同步电机

第六章 同步电机

6．1概述

同步电机特点：同步电机转速与极对数、电流频率有严格的关系。

高压、大容量的同步电动机采用旋转磁极式结构；小容量采用旋转电枢式。

转枢式---转子绕组（电枢），定子磁极

转极式---转子磁极，定子电枢。

隐极式：气隙均匀、转子高机械强度高转速。适合细长汽轮发电机。

凸极式：气隙不均匀，适合中速、低速运行。短粗水轮发电机结构。

6．1．1 同步电机的结构型式

一．隐极电机

部件名称作用材料结构

定子铁心形成磁路0.5mm硅钢片叠制。直径

大于1米的铁心用扇形片

拼成开口槽（大型）

定子绕组电路部分，感应

电势圆铜线或扁铜线三相双层短路叠绕组；高压

大电流用多根并绕换位导线

机座机械支撑大型用钢板焊接

气隙磁场耦合绕线转子要利用滑环和电刷

转子铁心磁路的一部分整块的良导磁合金钢（导

磁、承受高转速、大离心

力）高强度合金钢与转轴锻成一

体

转子绕组

励磁绕组流过电流建立磁

场电机用扁铜导线绕成同心

线圈同心线圈被槽楔压紧在槽里

护环保护励磁绕组端

部

中心环阻挡励磁绕组轴

向移动

滑环引入励磁电流

端盖封盖电机两端部无磁性硅铝轻合金材料铸

造

轴承承受转子重量和

离心力

二．凸极同步电机

隐极式同步电机只有卧式一种；凸极式则分为卧式和立式结构。

卧式：多数同步电动机、调相机、内燃机发电机、冲击式水轮发电机立式：低速、大型水轮发电机

1．卧式凸极同步电机的结构特点

磁极用1~3mm的钢板冲制叠成。高速电机用实心磁极。

励磁绕组用扁铜线绕制成同心线圈套在极身上。

磁轭用铸钢或冲片叠制

阻尼绕组用铜条插在磁极极靴槽中。作用是改善起动性能。

2．立式凸极同步电机的结构特点

定子分数槽波绕组

转子：用高强度钢整体锻造，制成空心式以减轻重量；支架由轮毂和轮辐构成；磁极用

1~1.5mm钢板叠压，用螺杆拉紧

6．1．2 同步电机的励磁方式

励磁绕组中通入直流电流，建立磁场。

励磁系统有：1）直流发电机励磁系统：采用独立供电的直流并励发电机，与主发电机同轴。输出的直流电经电刷、滑环引入同步发电机转子励磁绕组。

2）静止式交流整流励磁系统：为解决换相火花问题，采用交流励磁机取代直

流励磁机，但是要经过半导体整流系统把交流电变成直流电供给同步机励

磁绕组。

3）旋转式交流整流励磁系统：亦称无刷励磁系统。转枢式的交流励磁发电机，

与电机一起旋转，整流器也在轴上一起旋转，这样将整流输出直接供给同

步发电机励磁，既不用直流励磁发电机的换向器又不用同步机的电刷滑环

引入系统。

6．1．3 同步电机的冷却方式

空气冷却、氢气冷却、水冷却、超导发电机

6．1．4 同步电机的额定值

与异步电动机一样，额定电压、电流为线值，另外有：

额定容量：发电机出线端额定视在功率，VA kVA.

额定功率：发电机输出电功率

NNNNNNIUSPcos3cos

电动机输出机械功率

NNNNNNNNIUSPcos3cos

额定功率因数及额定效率

6．2同步电机的运行原理

研究三相同步电机在对称负载下稳态运行时的内部物理过程，包括基本方程式、矢量图、等

效电路。电机学教案

３6．2．1 同步发电机的空载运行

1． 空载特性与饱和系数

空载时，定子绕组开路，电流为零，转子绕组通入直流励磁电流，发电机被拖动以同步速度

旋转

转子以同步速度n1旋转时，主磁通切割定子绕组感应电势频率为f，则

01044.4

NfNkE

为主磁通：由N极 气隙 定子齿 定子轭 定子齿 气隙 S极 转子轭

0

N极

特点是经过气隙，同时与定转子交链的磁通。

漏磁通：由N极 极间气隙 S极 转子轭 N极



f

特点是不经过气隙，仅与励磁绕组自身交链，不与定子交链的磁通。

发电机空载特性 ， 因为，经过适当比例变换，可得，)(0fIfE

ffIFE

00)(0fFf

它就是电机的磁化曲线。根据磁化曲线求饱和系数= （1.1~ 1.25）

FF

k0

NUE'

0

F

0 空载额定电压所需要磁势；

F

δ 负载额定电压气隙磁势；

磁路不饱和时，对应F0磁势产生的感应电动势。'

0E

2．空载时-空相量图

空间相量：励磁磁势基波分量F

f1 以及它产生的气隙磁密基波B

f1, 波幅同处于直轴正方

向，都以同步角频率旋转。f21

时间相量：定子绕组交链的磁通，以及它在绕组中感应的电动势。在时间上滞后

0.

0.

E0.

E

900电角度。

0.



3. 电压波形正弦性畸变率--- 各次谐波幅值平方和的平方根与基波幅值之比。

%100

122





UU

knn

M

6．2．2 同步电机的电枢反应

同步电机空载时，气隙中的同步旋转主磁场仅由转子励磁电流（直流）建立；

负载时定子绕组流过电流产生磁势（称为电枢磁势），它与励磁磁势共同作用产生合成

气隙磁场。因此存在电枢反应问题。电枢磁场和主极磁场都是相对静止的，二者本身是旋转

的。

电枢反应：电枢磁势基波对主磁场的影响。同样包括去磁、助磁、交磁三种情况。它会

使气隙磁场畸变。电枢磁势基波与励磁磁势同转速、同转向，相对静止；因为励磁磁势转速n1，定子对称三相绕组产生电枢磁势基波转速

11

606060

npn

ppf

n

1．电枢电流滞后励磁电动势一个锐角时的电枢反应，即 0≤≤900.

I.

0E

假设某时刻，A相绕组交链最大磁通，产生最大励磁电动势E0，此时刻作为时

间起点。此时刻电流滞后ψ角，也达到最大值。主磁通超前感应电势E0900。

0.



令时轴与相轴重合，则，（图6.17）

（1）与重合，忽略磁滞涡流时，与重合。（2）与重合

0.

B

0.1fF.

I

aF

根据图6.17b得

和











cossin

aaqaadaqada

FFFFFFF











cossin...

IIIIIII

qdqd

此时产生去磁磁势，产生交磁磁势。

dI

adF

qI

aqF

特殊地： ψ=0 =0 =Fa 只有交轴磁势；ψ=90， 只有直轴磁势。

adF

aqF

只要知道时间相量的相位关系，便可以确定空间相量间的相位关系，进而分析电枢

反应的情况与性质。

2. 隐极同步电机的电枢反应特点

由于隐极同步电机气隙均匀，电枢磁势对主极磁场的影响在气隙圆周上任何位

置都一样，可以整体考虑电枢反应的影响，不用分成交直轴分量考虑。

磁路不饱和：利用叠加原理，分别考虑负载时电枢磁势F

a和励磁磁势Ff1的各自独

立作用，然后进行叠加。即

直流励磁电流 励磁基波磁势 主磁通 感应电动势（定子绕组）.

fI

1fF

0.

0.

E

漏磁通（与转子交链）



f.

负载定子电流 电枢磁势基波 电枢磁通 电枢感应电动势.

I

aF

a.

aE.

定子漏磁通 定子感应漏电势.

.

E

定子绕组上产生的三个感应电动势、、各自滞后于产生它们的磁通90度电0.

EaE.

.

E

角度。

合成气隙磁通 ， 气隙电动势..

0.

a

..

0.

aEEE

电机学教案

５磁路饱和：不能使用叠加原理。电流产生磁势，求合成磁势，再求合成气隙磁通

及感应电动势。即，

.fI

1fF

F.

.

E

.

I

aF

.

.

E

3.凸极同步电机的双反应理论

凸极同步电机的气隙不均匀，同一电枢磁势作用在不同气隙位置时，电枢磁势

对主极磁场的影响不同，所以气隙磁场会有变化。

(1)ψ=90,正弦电枢磁势基波作用在d轴上。

(2)ψ=0, 正弦电枢磁势基波作用在q轴上。

(3)0≤≤900 电枢磁势作用在任意位置，电枢磁场分布不对称，磁场波形与ψ和

F

a大小有关。不能直接确定电枢反应的大小。在这种情况下，为了分析电枢反

应的影响，提出了双反应理论。

双反应理论：当电枢磁势的轴线既不和直轴重合又不和交轴重合时，可以把电枢磁势

分解成直轴分量和交轴分量。分别求出直轴和交轴磁势的电枢反应，最

后再把它们的效果叠加起来。双反应理论适合饱和以及不饱和情况。

4．直轴和交轴电枢磁势的折算

（1）励磁磁密基波幅值（转子励磁磁势产生）（波形系数）

ff

ffffffBB

kF

kkBkB10

1





（2）直轴电枢磁势产生的基波磁密幅值 （电枢磁场波形

adad

daddaddadBB

kF

kkBkB10

1





系数）

（3）交轴电枢磁势产生的基波磁密幅值

aqaq

qaqqaqqaqBB

kF

kkBkB10

1





（4）将正弦波电枢磁势折算为等效的励磁绕组方波磁势，折算前后的基波磁

aqadFF,'',

aqadFF

密幅值不变。

直轴交轴电枢磁势折算









aqaqaq

fq

aqaqfaqqadadad

fd

adadfadd

FkF

kk

FF

kkF

kkFkF

kk

FF

kkF

kk

''00''00









aqadkk,

系数