三相永磁同步电动机
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第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机 8.2 三相永磁同步电动机 8.3 单相异步电动机
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
同步电动机也是一种交流电机。主要做发电机用，也可做电动机用， 一般用于功率较大，转速不要求调节的生产机械，例如大型水泵，空压机和 矿井通风机等。
同步电动机按照其结构形式分类有：同步发电机、同步电动机、同步 调相机。
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。
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
在调速系统中采用同步电机有以下特点： 1）同步电机的转速与电源的基本频率之间保持着同步关系→ 转速精 确控制。 2）同步电机比异步电机对负载（转矩）扰动具有更强的承受能力，能 作出较快反应。 3）同步电机转子有励磁，即使在极低的频率下也能运行，调速范围宽 而异步电机：转子电流靠电磁感应产生，频率极低时，难以很好励磁。 4）同步电机的功率因数：调节转子励磁，调节电机电流功率因数。
假如转子以某种方法起动，并使转速接近n1，这时转子的磁场极性与定 子旋转磁场极性之间异性对齐(定子S 极与转子N 极对齐)。根据磁极异性 相吸原理，定转子磁场间就产生电磁转矩，促使转子跟旋转磁场一起同步 转动即 n n1 ，故称为同步电动机。由于空载运行时总存在阻力，因此
转子的磁极轴线总要滞后旋转磁场轴线一个很小角度 ，促使产生一个异
相对称，只需求其一相绕组的电动势方程式。当不考虑电机铁心的饱和影
响时，可以应用叠加原理。按照电动机惯例重新规定隐极同步电机各物理
量的正方向，隐极同步电动机的电动势平衡方程式为
E0 U I Ra jX c I
式中 E0 —励磁磁通在定子绕组里的感应电动势；
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
8.1.1三相同步电动机的基本结构
同步电动机有旋转电枢式和旋转磁极式两种。旋转电枢式应用在小容 量电动机中，而旋转磁极式用于大容量电动机中。同步电动机的主要结构由 定子部分和转子部分组成。定子部分是同步电动机的电枢。同步电动机转子 上装有磁极，分为凸极式和隐极式两种。当励磁绕组通入电流后，转子上产 生N、S 极。
a 凸极式
b 隐极式
图8-1 同步电机的结构示意图
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
凸极式转子圆周上安装有若干对凸出的磁极，磁极铁心由1~3mm厚的波 钢板冲成冲片后叠压铆成。磁极铁心固定于转子磁轭上，转子磁轭由铸钢 或用波钢板冲制叠压而成，套于转子轴上，起导磁和固定磁极的作用。每 个磁极铁心上套有励磁线圈，各极的励磁线圈按一定的方式连接起来，构 成励磁绕组。两个出线端接在固定于转轴上的两个滑环上，通过电刷与励 磁电源相连。凸极式转子的特点是转子与定子之间的气隙不均匀。
流，产生一个在空间以同步转速n旋转的旋转磁通势 Fa ，称为电枢磁通势 。同步电动机的励磁绕组通入直流励磁电流，产生一个与转子相对静止的 励磁磁通势 Ff 。当转子静止时，将电枢磁通势建立的旋转磁场可以用旋转 磁极等效。转子励磁绕组通电时建立固定磁场。
(a)定子等效极与转子异性磁极的相对位置 (b)转子尚未正相转动时定子等效磁极已转至的相对位置 图8-2 同步电动机起动时平均转矩为零的示意图
第8章 其源自文库交流电动机
8.1 三相同步电动机
3）如果减小励磁电流使电动机处于欠励状态，则励磁磁势 Ff 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。这种情况和异步电机的情况类似，所以同步电动机一般不采用 欠励运行。
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。
1）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 Ff 增大 ，而合成磁势 F 的大小是不变的。
2）按照磁势平衡原理，电网将输出给电动机一超前电流 Ia ，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。
性吸力(电磁场转矩)；此角度的大小取决于转子轴上阻转矩的大小。即负 载转矩变化时，只影响此角度的大小，电磁场转矩随之增大，转子转速则 始终保持同步转速。
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
8.1.3 三相同步电动机的向量图与电磁功率
转子与旋转磁场同步旋转，故转子绕组中不会产生电动势。定子绕组三
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
当定子等效磁极与转子异性磁极的相对位置如图8-2(a)所示时，产生一 个逆时针方向的电磁转矩和转子具有机械惯性，旋转磁场的速度又高，所 以转子尚未正相转动时定子等效磁极已转至某一位置。使得转子又受反向 转矩的作用。结果使得转子所受转矩的平均值为零。因而不能自行起动。
隐极式转子的轴和铁心为一铸钢加工而成的统一体，是圆柱体。外圆 开有槽，嵌放励磁绕组，亦通够滑环和电刷与励磁电源相接。隐极式转子 的特点是转子和定子之间的气隙均匀。
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
8.1.2 三相同步电动机的基本工作原理 如果三相交流电源加在三相同步电动机定子绕组时，流过三相对称电
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
1.定子部分 由机座，定子铁心和定子绕组三部分组成。其作用是吸收电能，产生 旋转磁通势，和三相异步电动机的定子相同。
2.转子部分 同步电动机的转子结构与异步电动机不同，分两种结构形式，即凸极 式和隐极式，凸极式有明显的磁极。适用于极数比较多的情况。隐极式无 明显磁极。适用于两极情况，同步电动机很少采用3000 r/min的转速，所 以一般采用凸极式。
8.1 三相同步电动机 8.2 三相永磁同步电动机 8.3 单相异步电动机
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
同步电动机也是一种交流电机。主要做发电机用，也可做电动机用， 一般用于功率较大，转速不要求调节的生产机械，例如大型水泵，空压机和 矿井通风机等。
同步电动机按照其结构形式分类有：同步发电机、同步电动机、同步 调相机。
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。
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
在调速系统中采用同步电机有以下特点： 1）同步电机的转速与电源的基本频率之间保持着同步关系→ 转速精 确控制。 2）同步电机比异步电机对负载（转矩）扰动具有更强的承受能力，能 作出较快反应。 3）同步电机转子有励磁，即使在极低的频率下也能运行，调速范围宽 而异步电机：转子电流靠电磁感应产生，频率极低时，难以很好励磁。 4）同步电机的功率因数：调节转子励磁，调节电机电流功率因数。
假如转子以某种方法起动，并使转速接近n1，这时转子的磁场极性与定 子旋转磁场极性之间异性对齐(定子S 极与转子N 极对齐)。根据磁极异性 相吸原理，定转子磁场间就产生电磁转矩，促使转子跟旋转磁场一起同步 转动即 n n1 ，故称为同步电动机。由于空载运行时总存在阻力，因此
转子的磁极轴线总要滞后旋转磁场轴线一个很小角度 ，促使产生一个异
相对称，只需求其一相绕组的电动势方程式。当不考虑电机铁心的饱和影
响时，可以应用叠加原理。按照电动机惯例重新规定隐极同步电机各物理
量的正方向，隐极同步电动机的电动势平衡方程式为
E0 U I Ra jX c I
式中 E0 —励磁磁通在定子绕组里的感应电动势；
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
8.1.1三相同步电动机的基本结构
同步电动机有旋转电枢式和旋转磁极式两种。旋转电枢式应用在小容 量电动机中，而旋转磁极式用于大容量电动机中。同步电动机的主要结构由 定子部分和转子部分组成。定子部分是同步电动机的电枢。同步电动机转子 上装有磁极，分为凸极式和隐极式两种。当励磁绕组通入电流后，转子上产 生N、S 极。
a 凸极式
b 隐极式
图8-1 同步电机的结构示意图
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
凸极式转子圆周上安装有若干对凸出的磁极，磁极铁心由1~3mm厚的波 钢板冲成冲片后叠压铆成。磁极铁心固定于转子磁轭上，转子磁轭由铸钢 或用波钢板冲制叠压而成，套于转子轴上，起导磁和固定磁极的作用。每 个磁极铁心上套有励磁线圈，各极的励磁线圈按一定的方式连接起来，构 成励磁绕组。两个出线端接在固定于转轴上的两个滑环上，通过电刷与励 磁电源相连。凸极式转子的特点是转子与定子之间的气隙不均匀。
流，产生一个在空间以同步转速n旋转的旋转磁通势 Fa ，称为电枢磁通势 。同步电动机的励磁绕组通入直流励磁电流，产生一个与转子相对静止的 励磁磁通势 Ff 。当转子静止时，将电枢磁通势建立的旋转磁场可以用旋转 磁极等效。转子励磁绕组通电时建立固定磁场。
(a)定子等效极与转子异性磁极的相对位置 (b)转子尚未正相转动时定子等效磁极已转至的相对位置 图8-2 同步电动机起动时平均转矩为零的示意图
第8章 其源自文库交流电动机
8.1 三相同步电动机
3）如果减小励磁电流使电动机处于欠励状态，则励磁磁势 Ff 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。这种情况和异步电机的情况类似，所以同步电动机一般不采用 欠励运行。
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。
1）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 Ff 增大 ，而合成磁势 F 的大小是不变的。
2）按照磁势平衡原理，电网将输出给电动机一超前电流 Ia ，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。
性吸力(电磁场转矩)；此角度的大小取决于转子轴上阻转矩的大小。即负 载转矩变化时，只影响此角度的大小，电磁场转矩随之增大，转子转速则 始终保持同步转速。
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
8.1.3 三相同步电动机的向量图与电磁功率
转子与旋转磁场同步旋转，故转子绕组中不会产生电动势。定子绕组三
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
当定子等效磁极与转子异性磁极的相对位置如图8-2(a)所示时，产生一 个逆时针方向的电磁转矩和转子具有机械惯性，旋转磁场的速度又高，所 以转子尚未正相转动时定子等效磁极已转至某一位置。使得转子又受反向 转矩的作用。结果使得转子所受转矩的平均值为零。因而不能自行起动。
隐极式转子的轴和铁心为一铸钢加工而成的统一体，是圆柱体。外圆 开有槽，嵌放励磁绕组，亦通够滑环和电刷与励磁电源相接。隐极式转子 的特点是转子和定子之间的气隙均匀。
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
8.1.2 三相同步电动机的基本工作原理 如果三相交流电源加在三相同步电动机定子绕组时，流过三相对称电
第8章 其他交流电动机
8.1 三相同步电动机
1.定子部分 由机座，定子铁心和定子绕组三部分组成。其作用是吸收电能，产生 旋转磁通势，和三相异步电动机的定子相同。
2.转子部分 同步电动机的转子结构与异步电动机不同，分两种结构形式，即凸极 式和隐极式，凸极式有明显的磁极。适用于极数比较多的情况。隐极式无 明显磁极。适用于两极情况，同步电动机很少采用3000 r/min的转速，所 以一般采用凸极式。