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1、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
2、转磁场的转速即为同步转速，以下式表示： pfns60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 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 就会相应增大；当负
3、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 min60rpfs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
4、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 SaliencyInset PM Motor with Teeth Between Magnets toCreate Rotor SaliencyInterior PM MachineMagnetic field in the cross-section of a 3-phase 9-slot 6-pole electronically controlled IPM motor. Coils are wound around every tooth and int
5、er-connected to produce a concentrated type winding.Interior PM Motor with Rotor Saliency via a SingleFlux BarrierInterior PM Motor with Multiple Flux Barrier Rotor SaliencyInterior PM Motor with Rotor Saliency via a Single Flux Barrier-and a Squirrel Cage Winding for StartingStator and cut-away rot
6、or for a 2-pole line-fed IPM motor, which operates at synchronous speed without electronic controls. The rotor includes a squirrel cage and PMs 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
7、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。2sin12sin0dqdXUXEmT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/
8、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 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
9、。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 Br 及矫顽磁力 Hc 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 。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 ，如图 9 - 14(b)所示。根据 N 极与 S 极互相吸引的道理， 在转子上
10、就要受到一个力 F 的作用。这个力可以分解为一个径向力 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，转子就跟随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，磁分子轴线落后于旋转磁场轴线一个角度 是产生磁滞转矩的根本原因，这个角度通常称为磁滞角。显然，磁滞角 的大小与定子磁场相对于转子的速度无关，它决定于转子所用的硬磁材料的性质。因而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 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
11、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。磁滞同步电动机如果在磁滞转矩的作用下起动并到达同步速运行(称为同步状态运行) ，转子相对旋转磁场就不动，也不再被交变磁化，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，而是可以变化的了。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衡以同步速运转。这种转矩平衡的情况与永磁式同步电机运行时完全相同。除了磁滞转矩
12、以外，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互相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比一般是非常小的。 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 磁滞同步电动机最可贵的特性是具有很大的起动转矩，因而它
13、不要附设任何起动绕组就能很快自己起动。这是磁滞同步电动机与其它类型同步电动机相比所具有的一个最大优点。磁滞同步电动机主要应用于电钟、电唱机、无线电通讯设备、自动记录仪器， 以及录音、传真、自动及遥控装置等，功率从分瓦到 200 W，其中功率小的(50 W 以下) 应用得更为广泛。 9.5 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) 。但是一般的同步电动机，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；为了获得低转速，就要通过齿轮机构减速。这样，由于
14、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避免地存在着间隙和磨损，就会产生噪音、振动，甚至使运转不平稳。为了克服齿轮减速机构带来的缺点，目前国内外广泛应用各种类型的低速电动机。这类电机不需用齿轮减速，当频率为 50 Hz 时，从电机的输出轴上就可以得到每分钟几十转的低速，因而特别适用于需要低速转动的装置中。 9.5.1 反应式电磁减速同步电动机图 9 20 反应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，由于磁力线要继续保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 2/Zs 角度时，转子只转过 =(1/Zs-1/ZR)2 角度。所以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 sRRsssR ZZnk21图 9 - 21 反应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，因而电机转速为 RsRsZfk)(60为了使电机产生较大的反应转矩，每极旋转磁场轴线下的定、转子齿应对齐，这样可使磁通经过气隙的磁阻为最小。这时定、转子齿数应满足： ZR-Zs=2p故转子转速为 min/120rfnR式中，f 为电源频率。
