小功率同步电动机.docx

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小功率同步电动机

第9章小功率同步电动机

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加在操纵绕组上的信号电压的改变而转变的。

可是在有些操纵设备和自动装置中，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转变而转变。

同步电动机确实是具有这种特性的电动机。

目前，功率从零点几瓦到数百瓦的各类同步电动机，在需要恒速运转的自动操纵装置中取得了普遍的应用。

例如它们用于自动和遥控装置，无线电通信设备，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，在结构上要紧也是由定子和转子两部份组成的。

当定子三相或两相绕组通入三相或两相电流时，电机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：

罩极式定子旋转磁场的产生

A—工作绕组；B—短路环

图9–1罩极式电动机的定子

（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磁通的分解

永磁式同步电动机

图9-4永磁式同步电动机的工作原理

旋转磁场以同步速ns朝着图示的转向旋转时，依照N极与S极相互吸引的道理，定子旋转磁极就要与转子永久磁极牢牢吸住，并带着转子一路旋转。

由于转子是由旋转磁场带着转的，因此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。

两对磁极间的磁力线犹如弹性的橡皮筋一样。

尽管负载转变时，定、转子磁极轴线之间的夹角会变大或变小，但只要负载不超过必然限度，转子就始终随着定子旋转磁场以恒定的同步速ns转动，即转子转速为

永磁式同步电动机启动比较困难

图9–5永磁式同步电动机的起动转矩

综上所述，阻碍永磁式同步电动机不能自行起动的因素要紧有下面两个方面：

（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性能自行起动，在转子上一样都装有起动绕组。

但如果是电动机转子本身惯性不大，或是多极的低速电机，定子旋转磁场转速不专门大，那末永磁式同步电动机不另装起动绕组仍是会自己起动的。

图9-6永磁式同步电动机转子结构

SurfacePMMotorwithNoRotorSaliency

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CreateRotorSaliency

InteriorPMMachine

Magneticfieldinthecross-sectionofa3-phase9-slot6-poleelectronicallycontrolledIPMmotor.Coilsarewoundaroundeverytoothandinter-connectedtoproduceaconcentratedtypewinding.

InteriorPMMotorwithRotorSaliencyviaaSingle

FluxBarrier

InteriorPMMotorwithMultipleFluxBarrierRotorSaliency

InteriorPMMotorwithRotorSaliencyviaaSingleFluxBarrier

-andaSquirrelCageWindingforStarting

随着永磁材料性能的不断提高，高性能低价钱永磁材料（如钕铁硼）的显现，使永磁式同步电动机的应用范围加倍扩大。

与其它型式同步电动机相较，它出力大，体积小，耗电小，结构简单、靠得住，因此已成为同步电动机中最要紧的品种。

目前功率从几瓦到几百瓦，乃至是几个千瓦的永磁同步电动机在各类自动操纵系统中取得普遍的应用。

反映式同步电动机

工作原理

反映式同步电动机又称为磁阻电动机。

这种电机的转子本身是没有磁性的，只是依托转子上两个正交方向磁阻的不同而产生转矩（这种转矩一样称为反映转矩）的。

图9-7所表示的凸极转子确实是这种转子。

图9–7反映式同步电动机的工作原理

与永磁式同步电动机一样，反映式同步电动机的起动也比较困难。

反映式同步电动机转子

1—鼠笼条；2—铁心

图9-12反映式同步电动机转子

磁滞式同步电动机

作用原理

1）软磁材料

矫顽力小于100A/m

作为导磁部件组成磁路：

定转子冲片等

2）半硬磁材料

矫顽力小于100-1000A/m

磁滞材料：

磁滞电机

3）硬磁材料

矫顽力大于1000A/m

作为磁源：

永磁材料

磁滞同步电动机结构上的要紧特点在于它的转子铁心不是用一样的软磁材料，而是用硬磁材料做成的。

这种硬磁材料具有比较宽的磁滞回环，也确实是说，它的剩余磁感应Br及矫顽磁力Hc要比软磁材料大，单位场强的比磁滞损耗比较大，如图9-13所示。

图9–13铁磁材料的磁滞回环

图9-14表示一个用硬磁材料做成的圆柱形转子放在一样的异步电动机定子当中，定子所产生的旋转磁场用一对N-S磁极来表示。

当旋转磁场以同步速相关于转子旋转时，转子的每一部份都要被交变地磁化，转子中所有磁分子将随着旋转磁场的方向进行排列。

若是在开始刹时，转子磁分子排列的方向与旋转磁场轴线的方向一致，如图9-14（a）所示（为了清楚起见，图中只画出两个磁分子），现在定子磁场与转子之间只有径向力F，不产生转矩。

当旋转磁场相对转子转动以后，转子磁分子也要跟从旋转磁场方向转动。

可是，由于转子是由硬磁材料做成的，它的剩余磁感应Br及矫顽磁力Hc比较大，磁分子之间具有专门大的摩擦力，因此，磁分子在转动时便不能当即随着旋转磁场方向转过一样的角度，而要掉队一个角度θ。

如此，所有磁分子产生的合成磁通，也确实是转子磁通，就要掉队定子旋转磁场一个角度θ，如图9-14（b）所示。

依照N极与S极相互吸引的道理，在转子上就要受到一个力F的作用。

那个力能够分解为一个径向力Fn和一个切向力Ft。

其中切向力Ft就产生了磁滞转矩，用TZ表示，在它的作用下，转子就跟从着定子旋转磁场转动起来。

图9–14磁滞同步电动机的工作原理

由此可见，磁分子轴线掉队于旋转磁场轴线一个角度θ是产生磁滞转矩的全然缘故，那个角度通常称为磁滞角。

显然，磁滞角θ的大小与定子磁场相关于转子的速度无关，它决定于转子所用的硬磁材料的性质。

因此当转子在低于同步速ns运转时（常称异步状态运行），不管转子转速如何，在定子旋转磁场的反复磁化下，转子的磁滞角θ都是相同的，因此所产生的磁滞转矩TZ也与转子转速无关。

在异步状态运行时，磁滞转矩的机械特性是一条与横轴平行的直线，如图9-15所示。

磁滞同步电动机若是在磁滞转矩的作用下起动并抵达同步速运行（称为同步状态运行），转子相对旋转磁场就不动，也再也不被交变磁化，而是被恒定地磁化。

这时，转子类似一个永磁转子，转子磁通的轴线与定子磁场的轴线之间的夹角不是固定不变，而是能够转变的了。

当电机轴上的负载阻转矩为0时，被磁化了的转子所产生的磁通轴线与定子磁场的轴线重合，电机不产生转矩。

当负载阻转矩增大时，电机就要瞬时减速，定、转子两个磁场间的夹角增大，电机产生的转矩也增大，再与负载阻转矩相平稳以同步速运转。

这种转矩平稳的情形与永磁式同步电机运行时完全相同。

除磁滞转矩之外，当转子低于同步速运行时，转子和旋转磁场之间存在相对运动，这时，磁滞转子也要切割旋转磁场而产生涡流；转子涡流与旋转磁场相互作用就产生涡流转矩，用TB表示。

这种涡流转矩的性质与交流伺服电动机产生的转矩完全相同。

涡流转矩随着转子转速的增加而减小；当转子以同步速旋转时，涡流转矩为0，其机械特性如图9-16所示。

涡流转矩能增加启动转矩。

但在磁滞电动机中，由于转子是硬磁材料，涡流转矩与磁滞转矩相较一样是超级小的。

图9-15磁滞转矩的机械特性图9-16涡流转矩的机械特性

图9-17磁滞同步电动机的机械特性

磁滞同步电动机最宝贵的特性是具有专门大的起动转矩，因此它不要附设任何起动绕组就能够专门快自己起动。

这是磁滞同步电动机与其它类型同步电动机相较所具有的一个最大优势。

磁滞同步电动机要紧应用于电钟、电唱机、无线电通信设备、自动记录仪器，和录音、、自动及遥控装置等，功率从分瓦到200W，其中功率小的（50W以下）应用得更为普遍。

电磁减速式同步电动机

在许多自动装置中，需要低转速大转矩的驱动电机（例如需要转速为每分钟几十到上百转）。

可是一样的同步电动机，它们的转速都等于同步速，即n=60f/p。

由于结构和性能上的限制，电机的极数不能做得很多（通常都小于10），因此电机的转速就比较高；为了取得低转速，就要通过齿轮机构减速。

如此，由于增加了齿轮机构，不但使传动系统变得复杂，效率降低，增大了传动装置的体积和重量，而且由于齿轮间不可幸免地存在着间隙和磨损，就会产生噪音、振动，乃至使运转不平稳。

为了克服齿轮减速机构带来的缺点，目前国内外普遍应用各类类型的低速电动机。

这种电机不需用齿轮减速，当频率为50Hz时，从电机的输出轴上就能够够取得每分钟几十转的低速，因此专门适用于需要低速转动的装置中。

反映式电磁减速同步电动机

图9–20反映式电磁减速同步电动机

当旋转磁场转过一个定子齿距到图中矢量B所示位置时，由于磁力线要继续维持自己磁路的磁阻为最小，力图使转子齿2和11转到与定子齿2和10相对齐的位置，即当旋转磁场转过2π/Zs角度时，转子只转过α=（1/Zs-1/ZR）·2π角度。

因此定子旋转磁场转速与转子转速的比（称为电机的电磁减速系数）为

图9-21反映式电磁减速同步电动机的工作原理

由于旋转磁场的同步速ns=60f/p，因此电机转速为

为了使电机产生较大的反映转矩，每极旋转磁场轴线下的定、转子齿应付齐，如此可使磁通通过气隙的磁阻为最小。

这时定、转子齿数应知足：

ZR-Zs=2p

故转子转速为

式中，f为电源频率。