第8章-小功率同步电动机

第9章小功率同步电动机第8章小功率同步电动机8.1概述8.2永磁式同步电动机8.3反应式同步电动机8.4磁滞式同步电动机8.5电磁减速式同步电动机思考题与习题第9章小功率同步电动机8.1概述同步电动机的主要特点（要求）：电动机的转速不随负载和电压的变化而变化。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。第9章小功率同步电动机小功率同步电动机（交流电动机）：定子和转子。各种同步电动机的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，在槽中嵌入三相或两相绕组。当三相电流通入三相绕组或两相电流通入两相绕组时，在定子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：pfns60第9章小功率同步电动机在一些微小容量的交流电动机中，定子结构采用罩极型式，如图8-1所示。图中定子铁心采用凸极型式，是由硅钢片叠成，可以做成两极(如图8-1(a)所示)，也可做成多极(如图8-1(b)所示)。每个极上绕有工作绕组A并接到单相交流电源上，同时每个极的一部分套有一个短路环B，称为罩极绕组。依靠这些罩极绕组的作用，可以使单相绕组通入单相交流电后产生旋转磁场。A—工作绕组；B—图8-1罩极式电动机的定子(a)两极；(b)四极第9章小功率同步电动机图8-2罩极式电动机的磁通及其相量图由于Φk的作用，使极面下的两部分磁通Φ1和Φ2在时间上有了β的相位移。为什么能产生旋转磁场呢?第9章小功率同步电动机图8–3空间上的关系：磁通Φ1和Φ2'时间上有相移角度，空间上互相垂直。在这两个磁通作用下，罩极式定子的电机就会产生旋转磁场。由于空间上互相垂直的两个磁通，其幅值不相等，时间上的线角又小于90o，产生椭圆磁场。第9章小功率同步电动机由于旋转磁场的转向是从磁通超前（电流超前）的绕组的轴线转向磁通落后的绕组的轴线，对于罩极式电机，因为罩极下的磁通Φ2在时间上的相位总是落后于未罩部分的磁通Φ1，因而旋转磁场的转向也总是由未罩部分转到罩极的轴线。在罩极式电机中，旋转磁场的转向，即电机的转向总是固定不变地由未罩极地轴线转向罩极地轴线，只有罩极的位置改变时，电机才改变方向。第9章小功率同步电动机8.2永磁式同步电动机永磁式同步电动机的转子由永久磁钢做成。图8-4中所表示的转子是一个具有两个极的永磁转子。当同步电动机的定子通上交流电源后，就能产生一个旋转磁场，这个旋转磁场在图中用另一对旋转磁极表示。图8-4永磁式同步电动机的工作原理第9章小功率同步电动机转磁场以同步速ns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ns转动，即转子转速为min60rpfnns第9章小功率同步电动机转子转速只决定于电源频率和电机极对数。如果轴上负载阻转矩超出一定限度，转子就不再以同步速运行，甚至最后会停转，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。因此使用同步电动机时，负载阻转矩不能大于最大同步转矩。第9章小功率同步电动机图8-5永磁式同步电动机的启动转矩永磁式同步电动机启动比较困难。原因是由于刚启动时，虽然合上了电源，电机内产生了旋转磁场，但转子还是静止的，转子在惯性的作用下跟不上旋转磁场的转动。因此，定、转子两对磁极之间存在着相对运动，转子所受到的平均转矩为0。第9章小功率同步电动机在图8-5(a)所表示的这一瞬间，定、转子磁极的相互作用倾向于使转子依逆时针方向旋转，但由于惯性的影响，转子受到作用后不能马上转动；当转子还来不及转起来时，定子旋转磁场已转过180°，到了如图8-5(b)所示的位置，这时定、转子磁极的相互作用又趋向于使转子依顺时针方向旋转。所以转子所受到的转矩时正时反，其平均转矩为0。因而永磁式同步电动机往往不能自己启动。从图8-5还可看出，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时，转子所受到的平均转矩总是为0。第9章小功率同步电动机影响永磁式同步电动机不能自行启动的因素主要有两个方面：(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启动，在转子上一般都装有启动绕组。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启动绕组还是会自己启动的。第9章小功率同步电动机图8-6永磁式同步电动机转子结构永磁式同步电动机的定子与异步电动机定子完全相同，转子结构有多种型式，8-6(a)~(e)所示。它们都具有永久磁钢和鼠笼式的启动绕组两部分。第9章小功率同步电动机永久磁钢可以做成两极的或多极的，启动绕组的结构与鼠笼式伺服电动机转子结构相同。当永磁式同步电动机启动时，依靠该鼠笼式启动绕组，就可使电机如同异步电动机工作时一样产生启动转矩，因而转子就转动起来。等到转子转速上升到接近同步速时，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，与旋转磁场一起以同步速旋转。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，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。第9章小功率同步电动机8.3反应式同步电动机8.3.1工作原理反应式同步电动机又称为磁阻电动机。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8-7所表示的凸极转子就是这种转子。图8-7反应式同步电动机的工作原理第9章小功率同步电动机反应式同步电动机的工作原理可以用图8-7来说明。图中外边的磁极表示定子绕组所产生的旋转磁场，中间是一个凸极式的转子，凸极转子可以看成具有两个方向，一个是顺着凸极的方向，称为直轴方向；另一个是与凸极轴线正交的方向，称为横轴方向。显然，当旋转磁场轴线与转子直轴方向一致时，磁通所通过的路径的磁阻最小；与转子横轴方向一致时，磁阻最大；其它位置的磁阻处于两者之间。第9章小功率同步电动机如果在某一瞬间，旋转磁场的轴线与转子直轴方向相夹θ角，磁通所经过的路径如图中所示。由图可见，这时磁通被扭歪了。由于磁通类似于弹簧或橡皮筋，有尽量把自己收缩到最短，使磁通所经过的路径的磁阻为最小的性质，因此磁通就要收缩，力图使转子直轴方向与定子磁极的轴线一致，到达磁阻最小的位置。由于磁通的收缩，转子就受到了转矩的作用，迫使转子跟着旋转磁场以同步速转动。所以反应式同步电动机的转速也总是等于同步速，即min60rpfnns第9章小功率同步电动机显然，加在转子轴上的负载阻转矩越大，定子旋转磁场的轴线与转子直轴方向的夹角θ也就越大。这样，磁通的歪曲更大，磁通的收缩力也更大，因而可以产生更大的转矩，使与加在转子轴上的负载阻转矩相平衡。与永磁式同步电动机一样，只要负载阻转矩不超过一定限度，反应式电动机转子始终跟着旋转磁场以同步速转动。但如果负载阻转矩超出了这个限度，电机就会失步，甚至停转，这个最大限度的转矩也称为最大同步转矩。第9章小功率同步电动机产生反应转矩必须具备的条件是转子上正交的两个方向应具有不同的磁阻。图8-7所示的凸极转子具有这个条件。如果转子是一般圆柱形的转子，由于它各个方向的磁阻都是一样的，当旋转磁场转动时，磁通不发生歪扭，也不产生收缩，如图8-8所示，所以也不会有反应转矩，故转子不能转动。图8-8圆柱形转子无反应转矩第9章小功率同步电动机图8-9反应式同步电动机的启动第9章小功率同步电动机与永磁式同步电动机一样，反应式同步电动机的启动也比较困难。由于转子具有惯性，启动时转子受到作用力矩后，转子来不及转动，定子旋转磁场就转过90°，8-9(a)转到图8-9(b)。显然，这两个位置反应转矩的方向是相反的，所以反应式同步电动机往往也不能自己启动，也需要在转子上另外装设启动绕组(通常也采用鼠笼式的)才能启动。第9章小功率同步电动机8.3.2同步电动机的振荡虽然同步电动机通常以恒定的同步速转动，但有时会发生所谓“振荡现象”。振荡现象一般发生在电机发出的转矩或者轴上的负载阻转矩突然发生变化的时候。下面以反应式同步电动机为例，说明同步电动机的振荡现象。图8-10同步电动机的振荡第9章小功率同步电动机图8-10是说明同步电动机振荡现象的原理图。假定电机原先是在定子磁场轴线与转子直轴方向夹角为θ=θ1(图中未画出)的情况下运转的，此时电动机发出的反应转矩T1与轴上负载阻转矩TL1恰巧平衡。这时如果突然发生扰动(如空气、轴上摩擦等阻转矩发生变化)，使轴上负载阻转矩突然减小为TL2，则电动机发出的转矩就大于负载阻转矩，转子就要加速，定子磁场轴线与转子直轴方向之间的夹角就会减小，直到夹角θ=θ2，此时电动机发出的反应转矩T2又等于TL2。第9章小功率同步电动机但此时转子速度已超过同步速，由于转子具有惯性，在惯性矩作用下，转子不能停留在这个新的平衡点运转，而要越过平衡点，这样夹角θ就会小于θ2。时电动机发出的转矩小于负载阻转矩，转子就要减速，夹角θ又开始增大并趋向于θ2。当θ=θ2时转子转速已低于同步速，又由于转子惯性矩作用，转子要越过θ2使夹角θ大于θ2。然后再重复前面的过程。这样，转子要在θ=θ2处来回振荡一段时间，由于空气和轴上摩擦或其它阻尼作用，振荡就会逐渐衰减，最后在新的平衡点θ=θ2，T2=TL2的情况下运转。第9章小功率同步电动机转子在新的平衡点来回振荡的现象与弹簧的振荡现象相类似。当弹簧下面挂的重量突然变化时，重物也是在新的平衡位置A处上下振荡一段时间，然后再停留在位置A，如图8-11所示。图8-11弹簧的振荡第9章小功率同步电动机注意：振荡现象在各类同步电动机中都会发生，只是程度上有所不同。由于振荡，使同步电动机的瞬时转速产生忽高忽低的不稳定现象，这种情况对于一些要求转速稳定度很高的仪器和设备，如同步随动系统、无线电通讯设备、录音传真设备等会带来很大误差，这是非常不理想的。所以在选用同步电动机时，一般还会提出速度稳定度的要求。减弱同步电动机振荡的方法是很多的，其中之一是在转子上装设鼠笼式的短路绕组。当转子振荡时，转子相对于旋转磁场发生相对运动，在鼠笼导条中产生了切割电流。根据楞次定律，这个电流与磁场相互作用所产生的转矩是阻止转子相对于旋转磁场运动的，因而使振荡得到减弱，起到了阻尼作用。第9章小功率同步电动机8.3.3结构型式转子结构型式是多种多样的，但是不管型式如何，为了产生反应转矩，转子直轴与横轴的磁阻必须不同。图8-12是最常用的几种结构型式，其中图8-12(a)和(b)称为凸极鼠笼转子，这种转子与一般异步鼠笼式转子的差别仅在于具有与定子极数相等的凸极(图(a)为两极，图(b)为四极)，以形成直轴与横轴磁阻不等。图8-12反应式同步电动机转子1—鼠笼条；2—铁心第9章小功率同步电动机转子中的鼠笼用铜或铝制成，当转子振荡时它可以作为阻尼绕组削弱电机的振荡，而在启动时又可作为启动绕组产生异步转矩，使反应式同步电动机异步启动，待到转子转速上升到接近同步速时(n=(0.95~0.97)ns)，依靠反应转矩将转子拖入同步运行。图8-12(c)转子结构除了具有凸极外，在转子铁心中还设置隔离槽(内反应槽)并相应增大凸极极弧。这样，可加大转子直轴与横轴磁阻差，提高电机出力。反应式同步电动机由于结构简单，成本低廉，运行可靠，因而在自动及遥控装置、同步联络装置，录音传真及