第9章小功率同步電動機

1、第9章 小功率同步電動機9.1 概述直流和交流伺服電動機的轉(zhuǎn)速是隨電機軸上所帶的負載阻轉(zhuǎn)矩或者加在控制繞組上的信號電壓的改變而變化的。但是在有些控制設(shè)備和自動裝置中，往往要求電動機具有恒定不變的轉(zhuǎn)速，即要求電動機的轉(zhuǎn)速不隨負載和電壓的變化而變化。同步電動機就是具有這種特性的電動機。目前，功率從零點幾瓦到數(shù)百瓦的各種同步電動機，在需要恒速運轉(zhuǎn)的自動控制裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。例如它們用于自動和遙控裝置，無線電通訊設(shè)備，同步聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，磁帶錄音和鐘表工業(yè)等。小功率同步電動機是交流電動機，在結(jié)構(gòu)上主要也是由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成的。當定子三相或兩相繞組通入三相或兩相電流時，電機中就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁

2、場的轉(zhuǎn)速即為同步轉(zhuǎn)速，以下式表示：罩極式定子旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生A工作繞組； B短路環(huán)圖9 1 罩極式電動機的定子(a) 兩極； (b) 四極圖9 - 2 罩極式電動機的磁通及其相量圖圖9-3 磁通的分解9.2 永磁式同步電動機 圖 9 - 4 永磁式同步電動機的工作原理旋轉(zhuǎn)磁場以同步速ns朝著圖示的轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)N極與S極互相吸引的道理，定子旋轉(zhuǎn)磁極就要與轉(zhuǎn)子永久磁極緊緊吸住，并帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子是由旋轉(zhuǎn)磁場帶著轉(zhuǎn)的，因而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速應(yīng)該與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速(即同步速ns)相等。當轉(zhuǎn)子上的負載阻轉(zhuǎn)矩增大時，定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線間的夾角就會相應(yīng)增大；當負載阻轉(zhuǎn)矩減小時，夾角又會減小。兩對磁極

3、間的磁力線如同彈性的橡皮筋一樣。盡管負載變化時，定、轉(zhuǎn)子磁極軸線之間的夾角會變大或變小，但只要負載不超過一定限度，轉(zhuǎn)子就始終跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場以恒定的同步速ns轉(zhuǎn)動，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為永磁式同步電動機啟動比較困難圖9 5 永磁式同步電動機的起動轉(zhuǎn)矩綜上所述，影響永磁式同步電動機不能自行起動的因素主要有下面兩個方面：(1) 轉(zhuǎn)子本身存在慣性； (2) 定、轉(zhuǎn)子磁場之間轉(zhuǎn)速相差過大。為了使永磁式同步電動機能自行起動，在轉(zhuǎn)子上一般都裝有起動繞組。但如果電動機轉(zhuǎn)子本身慣性不大，或者是多極的低速電機，定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速不很大， 那末永磁式同步電動機不另裝起動繞組還是會自己起動的。圖 9 - 6 永磁式同步電動機轉(zhuǎn)

4、子結(jié)構(gòu)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 electronicallycontrolled IPM motor. Coils are wound around every tooth and inter-connected toproduce a concentr

5、ated 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 rotor for a 2-pole line-fed IPM motor

6、,which operates at synchronous speed without electronic controls. The rotor includes a squirrel cage and PMs隨著永磁材料性能的不斷提高，高性能低價格永磁材料(如釹鐵硼)的出現(xiàn)， 使永磁式同步電動機的應(yīng)用范圍更加擴大。與其它型式同步電動機相比，它出力大，體積小，耗電小，結(jié)構(gòu)簡單、可靠，因而已成為同步電動機中最主要的品種。 目前功率從幾瓦到幾百瓦，甚至是幾個千瓦的永磁同步電動機在各種自動控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 9.3 反應(yīng)式同步電動機9.3.1 工作原理反應(yīng)式同步電動機又稱為磁阻電動機。

7、這種電機的轉(zhuǎn)子本身是沒有磁性的， 只是依靠轉(zhuǎn)子上兩個正交方向磁阻的不同而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩(這種轉(zhuǎn)矩一般稱為反應(yīng)轉(zhuǎn)矩)的。圖9 - 7所表示的凸極轉(zhuǎn)子就是這種轉(zhuǎn)子。圖9 7 反應(yīng)式同步電動機的工作原理與永磁式同步電動機一樣，反應(yīng)式同步電動機的起動也比較困難。反應(yīng)式同步電動機轉(zhuǎn)子1鼠籠條； 2鐵心圖 9 - 12 反應(yīng)式同步電動機轉(zhuǎn)子9.4 磁滯式同步電動機9.4.1 作用原理1）軟磁材料 矯頑力小于100A/m 作為導(dǎo)磁部件構(gòu)成磁路：定轉(zhuǎn)子沖片等2）半硬磁材料 矯頑力小于100-1000A/m 磁滯材料：磁滯電機3）硬磁材料矯頑力大于1000A/m 作為磁源：永磁材料磁滯同步電動機結(jié)構(gòu)上的主要特點在于它

8、的轉(zhuǎn)子鐵心不是用一般的軟磁材料，而是用硬磁材料做成的。這種硬磁材料具有比較寬的磁滯回環(huán)，也就是說， 它的剩余磁感應(yīng)Br及矯頑磁力Hc要比軟磁材料大，單位場強的比磁滯損耗比較大，如圖9 - 13所示。圖9 13 鐵磁材料的磁滯回環(huán) 圖9 - 14表示一個用硬磁材料做成的圓柱形轉(zhuǎn)子放在一般的異步電動機定子之中，定子所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場用一對N - S磁極來表示。當旋轉(zhuǎn)磁場以同步速相對于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子的每一部分都要被交變地磁化，轉(zhuǎn)子中所有磁分子將跟著旋轉(zhuǎn)磁場的方向進行排列。如果在開始瞬間，轉(zhuǎn)子磁分子排列的方向與旋轉(zhuǎn)磁場軸線的方向一致，如圖9 - 14(a)所示(為了清楚起見，圖中只畫出兩個磁分子)，此

9、時定子磁場與轉(zhuǎn)子之間只有徑向力F，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。當旋轉(zhuǎn)磁場相對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動以后，轉(zhuǎn)子磁分子也要跟隨旋轉(zhuǎn)磁場方向轉(zhuǎn)動?？墒牵捎谵D(zhuǎn)子是由硬磁材料做成的，它的剩余磁感應(yīng)Br及矯頑磁力Hc比較大，磁分子之間具有很大的摩擦力， 因此，磁分子在轉(zhuǎn)動時便不能立即隨著旋轉(zhuǎn)磁場方向轉(zhuǎn)過同樣的角度，而要落后一個角度。這樣，所有磁分子產(chǎn)生的合成磁通，也就是轉(zhuǎn)子磁通，就要落后定子旋轉(zhuǎn)磁場一個角度，如圖9 - 14(b)所示。根據(jù)N極與S極互相吸引的道理， 在轉(zhuǎn)子上就要受到一個力F的作用。這個力可以分解為一個徑向力Fn和一個切向力Ft。其中切向力Ft就產(chǎn)生了磁滯轉(zhuǎn)矩，用TZ表示，在它的作用下，轉(zhuǎn)子就跟隨著定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動起

10、來。 圖9 14 磁滯同步電動機的工作原理 由此可見，磁分子軸線落后于旋轉(zhuǎn)磁場軸線一個角度是產(chǎn)生磁滯轉(zhuǎn)矩的根本原因，這個角度通常稱為磁滯角。顯然，磁滯角的大小與定子磁場相對于轉(zhuǎn)子的速度無關(guān)，它決定于轉(zhuǎn)子所用的硬磁材料的性質(zhì)。因而當轉(zhuǎn)子在低于同步速ns運轉(zhuǎn)時(常稱異步狀態(tài)運行)，不管轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速如何，在定子旋轉(zhuǎn)磁場的反復(fù)磁化下，轉(zhuǎn)子的磁滯角都是相同的，因此所產(chǎn)生的磁滯轉(zhuǎn)矩TZ也與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無關(guān)。 在異步狀態(tài)運行時，磁滯轉(zhuǎn)矩的機械特性是一條與橫軸平行的直線，如圖9 - 15所示。磁滯同步電動機如果在磁滯轉(zhuǎn)矩的作用下起動并到達同步速運行(稱為同步狀態(tài)運行)，轉(zhuǎn)子相對旋轉(zhuǎn)磁場就不動，也不再被交變磁化，而是被

11、恒定地磁化。 這時，轉(zhuǎn)子類似一個永磁轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子磁通的軸線與定子磁場的軸線之間的夾角不是固定不變，而是可以變化的了。當電機軸上的負載阻轉(zhuǎn)矩為0時，被磁化了的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁通軸線與定子磁場的軸線重合，電機不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。當負載阻轉(zhuǎn)矩增大時，電機就要瞬時減速，定、轉(zhuǎn)子兩個磁場間的夾角增大，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也增大，再與負載阻轉(zhuǎn)矩相平衡以同步速運轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)矩平衡的情況與永磁式同步電機運行時完全相同。除了磁滯轉(zhuǎn)矩以外，當轉(zhuǎn)子低于同步速運行時，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場之間存在相對運動，這時，磁滯轉(zhuǎn)子也要切割旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生渦流；轉(zhuǎn)子渦流與旋轉(zhuǎn)磁場互相作用就產(chǎn)生渦流轉(zhuǎn)矩，用TB表示。這種渦流轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)與交流伺服電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩

12、完全相同。渦流轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而減??；當轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)時，渦流轉(zhuǎn)矩為0，其機械特性如圖9 - 16所示。渦流轉(zhuǎn)矩能增加啟動轉(zhuǎn)矩。但在磁滯電動機中，由于轉(zhuǎn)子是硬磁材料，渦流轉(zhuǎn)矩與磁滯轉(zhuǎn)矩相比一般是非常小的。 圖9 - 15 磁滯轉(zhuǎn)矩的機械特性圖 9 - 16 渦流轉(zhuǎn)矩的機械特性圖9 - 17 磁滯同步電動機的機械特性 磁滯同步電動機最可貴的特性是具有很大的起動轉(zhuǎn)矩，因而它不要附設(shè)任何起動繞組就能很快自己起動。這是磁滯同步電動機與其它類型同步電動機相比所具有的一個最大優(yōu)點。磁滯同步電動機主要應(yīng)用于電鐘、電唱機、無線電通訊設(shè)備、自動記錄儀器， 以及錄音、傳真、自動及遙控裝置等，功率從分瓦到2

13、00 W，其中功率小的(50 W以下)應(yīng)用得更為廣泛。 9.5 電磁減速式同步電動機在許多自動裝置中，需要低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動電機(例如需要轉(zhuǎn)速為每分鐘幾十到上百轉(zhuǎn))。但是一般的同步電動機，它們的轉(zhuǎn)速都等于同步速，即n=60f/p。 由于結(jié)構(gòu)和性能上的限制，電機的極數(shù)不能做得很多(通常都小于10)，因此電機的轉(zhuǎn)速就比較高；為了獲得低轉(zhuǎn)速，就要通過齒輪機構(gòu)減速。這樣，由于增加了齒輪機構(gòu)，不但使傳動系統(tǒng)變得復(fù)雜，效率降低，增大了傳動裝置的體積和重量，而且由于齒輪間不可避免地存在著間隙和磨損，就會產(chǎn)生噪音、振動，甚至使運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。為了克服齒輪減速機構(gòu)帶來的缺點，目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用各種類型的低速電動機。這類電機不需用齒輪減速，當頻率為50 Hz時，從電機的輸出軸上就可以得到每分鐘幾十轉(zhuǎn)的低速，因而特別適用于需要低速轉(zhuǎn)動的裝置中。 9.5.1 反應(yīng)式電磁減速同步電動機圖9 20 反應(yīng)式電磁減速同步電動機當旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)過一個定子齒距到圖中矢量B所示位置時，由于磁力線要繼續(xù)保持自己磁路的磁阻為最小，力圖使轉(zhuǎn)子齒2和11轉(zhuǎn)到與定子齒2和10相對齊的位置，即