小功率同步电动机

第9章小功率同步电动机

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。

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。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：

p f

n s

60

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

9.2 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n s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

n s )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n s 转动，即转子转速为

min 60r p f n n s ==

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，影响永磁式同步电动机不能自行起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起动，在转子上一般都装有起动绕组。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起动绕组还是会自己起动的。

图 9 - 6 永磁式同步电动机转子结构

Surface PM Motor with No Rotor Saliency

Inset PM Motor with Teeth Between Magnets to

Create Rotor Saliency

Interior PM Machine

Magnetic field in the cross-section of a 3-phase 9-slot 6-pole electronically controlled IPM motor. Coils are wound around every tooth and inter-connected to

produce a concentrated type winding.

Interior PM Motor with Rotor Saliency via a Single

Flux Barrier

Interior PM Motor with Multiple Flux Barrier Rotor Saliency

Interior PM Motor with Rotor Saliency via a Single Flux Barrier -and a Squirrel Cage Winding for Starting

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。

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。这种电机的转子本身是没有磁性的， 只是依靠转子上两个正交方向磁阻的不同而产生转矩(这种转矩一般称为反应转矩)的。图9 - 7所表示的凸极转子就是这种转子。

⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+Ω=θθ2sin 112sin 20d q d X X U X U E m T

图9 – 7 反应式同步电动机的工作原理

与永磁式同步电动机一样，反应式同步电动机的起动也比较困难。反应式同步电动机转子

1—鼠笼条； 2—铁心

图 9 - 12 反应式同步电动机转子

9.4 磁滞式同步电动机

9.4.1 作用原理

1）软磁材料

矫顽力小于100A/m

作为导磁部件构成磁路：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主要特点在于它的转子铁心不是用一般的软磁材料，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，也就是说，它的剩余磁感应B r及矫顽磁力H c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般的异步电动机定子之中，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对于转子旋转时，转子的每一部分都要被交变地磁化，转子中所有磁分子将跟着旋转磁场的方向进行排列。如果在开始瞬间，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)，此时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，转子磁分子也要跟随旋转磁场方向转动。可是，由于转子是由硬磁材料做成的，它的剩余磁感应B r及矫顽磁力H c比较大，磁分子之间具有很大的摩擦力，因此，磁分子在转动时便不能立即随着旋转磁场方向转过同样的角度，而要落后一个角度θ。这样，所有磁分子产生的合成磁通，也就是转子磁通，就要落后定子旋转磁场一个角度θ，如图9 - 14(b)所示。根据N极与