第八章微型同步电动机

第八章 微型同步电动机

微型同步电动机的主要特点是其转速不随负载或电源电压的变化而改变。本章主要分析微型同步电动机的结构特点及工作原理。

第一节 概述

在自动控制系统中，往往需要恒转速传动装置，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或电源电压的变化而改变。而微型同步电动机就是具有这种特性的电动机。

同步电动机是交流电动机，在结构上主要由定子和转子两部分构成。

定子与一般异步电动机的定子相同，定子铁心通常由带有齿和槽的冲片叠成，槽钢内嵌放三相或两相绕组。当三相绕组通入三相电流或两相绕组通入两相电流（包括单相电源经过电容分相）时，定子中产生旋转磁场，旋转磁场的转速为同步转速1n 。

微型同步电动机的定子结构都是相同的，或者是三相绕组通入三相交流电，或者是两相绕组通入两相电流（包括单相电源经电容分相），主要作用都是为了产生一个旋转磁场。根据转子的结构型式不同，微型同步电动机主要分为永磁式微型同步电动机、反应式微型同步电动机和磁滞式微型同步电动机。 微型同步电动机转子上无励磁绕组，也不需电刷和滑环，因而结构简单、运行可靠、维护方便。功率从零点几瓦到数百瓦，广泛应用于需要恒速运行的自动控制装置、遥控、无线通讯、有声电影、磁带录音及同步随动系统中。

第二节 永磁式同步电动机

一、式微型同步电动机的结构

永磁式微型同步电动机的定子与异步电动机的定子完全相同，有两相和单相罩极式绕组，通入交流电后产生旋转磁场，转速为1n

永磁式微型同步电动机的转子是由永久磁钢制成的，可以是两极，也可以是多极的，Ｎ、Ｓ极沿圆周方向交替排列，其工作原理比较简单，图8-1（a ）所示为四极转子，(b)为二极转子。转子上装有鼠笼绕组，作为起动绕组。转子极数必须与定子绕组产生的旋转磁场的极数相等。

永磁式微型同步电动机的工作原理比较简单，现以两极永磁式微型同步电动机为例说明。

二、磁式微型同步电动机的工作

原理

图8-2所示是具有两个永久磁极

的转子。当同步电动机的定子接入交

流电源后，产生一个旋转磁场，旋转

磁场用一对旋转磁极表示。 当定子

旋转磁场以转速1n 沿图示方向旋转

时，转子笼型绕组上产生异步起动转

矩，驱动转子起动。当转子加速到接

近同步之后，异步转矩同定子磁场与

永久磁场产生的同步转矩共同，将转子牵入同步，，即根据Ｎ极与Ｓ极相互吸引的原理，定子旋转磁极与转子永久磁极紧紧吸住，带着转子一起旋转。由于转子靠旋转磁场拖动旋转，所以转子的转速与定子磁场的转速相等，为同步转速1n 。当转子上负载转矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角δ就会相应增大，负载转矩减小时夹角δ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图 8-1 永磁式微型同步电动机转子型式 1——永久磁铁 2——鼠笼起动绕组 图8-2 永磁式微型同步电动机工作原理图 δ

大或变小，但只要负载不超过一定的限度，转子就始终跟着定子旋转磁场以同步转速旋转，即转子转速为1n n = r/min

可见，转子的转速只决定于电源的频率和电机的极对数。如果轴上的负载阻转矩超出一定限度，转子不再以同步转速运行，转速降低甚至停转，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，即电磁转矩max T T em =时的值。因此电动机的负载不能大于最大同步转矩，否则电动机将不再为同步运转，

应当注意，永磁式电动机起动比较困难。主要原因是刚起动时，虽然合上了电源，电机内产生了以同步转速的旋转磁场，但转子还是静止的，转子由于惯性的作用而跟不上定子旋转磁场的转速。因此定、转子磁场之间存在着相对运动，转子受到的平均转矩为零——转子不能自起动，平均转矩为0。永磁式微型同步电动机不能自行起动。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，转子所受到的平均转矩总是为0。综上所述，影响永磁式同

步电动机起动的主要因素有二个方面：

（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够自己起

动，除了转子本身惯性很小、极数较多的低

速永磁式同步电动机外，一般的永磁电动机

都需附加起动装置。有：

（1）转子上附加笼型绕组----异步起动

永磁式同步电动机，如图8-4所示，笼型绕

组与异步电动机的转子相同，转子有永久磁

钢和鼠笼式的起动绕组两部分。起动绕组的

结构与鼠笼式电动机的转子结构相同。

当永磁电动机起动时，依靠笼型起动绕

组产生异步起动转矩，等到转子转速上升到

接近同步转速时，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，以同步转速旋转。

（2）转子上附加磁性材料环帮助起动-----磁滞起动永磁式同

步电动机。如图8-5所示。

永磁同步电机功率因数和效率较高，有效材料利用率高，与同

体积的其它类同步电机相比，出力大、体积小、耗电少。随着高性

能低价格永磁材料的出现，永磁式同步电动机的应用范围更加扩大。

目前功率从几瓦到几百瓦，甚至几千瓦的永磁同步电动机在各种自

动控制系统中得到广泛应用。但是永磁同步电机除多极、小转动惯

量的电机外，无自起动能力，且不能在异步状态下运行，这些不及

磁滞式同步电机，与反应式同步电机相比，结构复杂、成本较高。 第三节 反应式同步电动机

一、反应式微型同步电动机的结构

反应式同步电动机就是没有直流励磁的凸极式同步电动机。其定子与一般同步电动机或异步电动机相同，在定子槽内嵌放两相或三相对称绕组，也可能是单相罩极式绕组。转子结构型式是多种多样的，图8-6所示是几种常见的型式，其中图（a ）和（b ）称为凸极鼠笼转子，，这种转子与一般鼠笼异步电动机的差别仅在于具有与定子极数相等的凸极，以形成直轴与交轴磁阻不等。图（c ）转子结构图除了具有凸极以外，在转子铁心中还设置了隔离槽（内反应槽 ）并相应增大凸极极弧。这样一来，可以加大转子直轴和交轴磁阻差，提高电机出力。

图8-5 具有磁性材料环的永磁同

步电动机的转子

图8-4 永磁式同步电动机的转子结构 1——永久磁钢 2——鼠笼式起动绕组