《小功率同步电动机》PPT课件.ppt

第9章小功率同步电动机,9.1概述9.2永磁式同步电动机9.3反应式同步电动机9.4磁滞式同步电动机9.5电磁减速式同步电动机思考题与习题,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。各种同步电动机的定子与一般异步电动机的定子没有什么不同，定子铁心通常也是由带有齿和槽的冲片叠成，在槽中嵌入三相或两相绕组，如图5-8和图7-2所示。当三相电流通入三相绕组或两相电流(包括单相电源经过电容移相，如图7-53所示)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：,式中，f为电源频率；p为电机极对数。,另外，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9-1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9-1(a)所示)，也可做成多极(如图9-1(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。为什么能产生旋转磁场呢?让我们回忆一下在第7章中谈到的产生旋转磁场的情况。,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93磁通的分解,9.2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。它可以做成两极的，也可做成多极的。其作用原理相当简单，现以两极电动机为例加以说明。图9-4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加以表示。,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,可见，转子转速只决定于电源频率和电机极对数。但是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。,应该注意，永磁式同步电动机启动比较困难。主要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。例如在图9-5(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9-5(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9-5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。,图9-4永磁式同步电动机的工作原理,图9-5永磁式同步电动机的启动转矩,综上所述，影响永磁式同步电动机不能自行启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启动，在转子上一般都装有启动绕组。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启动绕组还是会自己启动的。,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，如图9-6(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。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，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。,图9-6永磁式同步电动机转子结构,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。,反应式同步电动机的工作原理可以用图9-7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。,如果在某一瞬间，旋转磁场的轴线与转子直轴方向相夹角，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,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。,应该指出，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9-7所示的凸极转子具有这个条件。但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9-8所示，所以也不会有反应转矩，故转子不能转动。,图9-7反应式同步电动机的工作原理,图9-8圆柱形转子无反应转矩,图9-9反应式同步电动机的启动,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，例如从图9-9(a)转到图9-9(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。,9.3.2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”。这种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9-10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=1(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=2，此时电动机发出的反应转矩T2又等于TL2。,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，这样夹角就会小于2。时电动机发出的转矩小于负载阻转矩，转子就要减速，夹角又开始增大并趋向于2。当=2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2使夹角大于2。然后再重复前面的过程。,这样，转子要在=2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=2，T2=TL2的情况下运转。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9-11所示。,图9-10同步电动机的振荡,图9-11弹簧的振荡,必须指出，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。,9.3.3结构型式反应式电动机的定子与一般同步电动机或异步电动机相同，在定子槽中嵌着三相或两相绕组，也可以是罩极式的单相绕组。转子结构型式是多种多样的，但是不管型式如何，根据前面所述的原理，为了产生反应转矩，转子直轴与横轴的磁阻必须不同。图9-12是最常用的几种结构型式，其中图9-12(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。,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=(0.950.97)ns)，依靠反应转矩将转子拖入同步运行。,图9-12反应式同步电动机转子,1鼠笼条；2铁心,图9-12(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，录音传真及钟表工业中获得了广泛的应用。目前国内外反应式同步电动机有单相和三相的，功率从几瓦到几百瓦。,9.4磁滞式同步电动机,9.4.1作用原理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磁滞同步电动机的工作原理,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。,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启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。,考虑了磁滞转矩TZ和涡流转矩TB以后，磁滞同步电动机的总转矩为T=TZ+TB相应的总转矩的机械特性如图9-17所示。,从图中可以看出，磁滞同步电动机不但在同步状态运行时能产生转矩，而且在异步状态运行时，也能产生转矩，因而它既可在同步状态下运行，又可在异步状态下运行。当负载阻转矩小于TZ时(如图9-17中的负载阻转矩TL1)，电机同步状态运行(如运转在特性上a点)；当负载阻转矩大于TZ时(如图中负载阻转矩TL2)，电机异步状态下运行(如运转在特性上b点)。,但磁滞同步电动机在异步状态运行的情况极少，这是因为在异步状态运行时，转子铁心被交变磁化，会产生很大的磁滞损耗(由硬磁材料磁分子之间的摩擦力引起的)和涡流损耗。这些损耗随转差率s增大而增大，只有当转子转速等于同步速时才等于0，而在启动时为最大。所以磁滞同步电动机在异步状态下运行，尤其在低速运行时是很不经济的。,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启动转矩，因而它不要附设任何启动绕组就能很快自己启动。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。,为增大磁滞转矩，应利用磁滞回环宽的硬磁材料制造转子，最理想回环是矩形，如图9-18中的虚曲线1。目前在磁滞电动机中所应用的磁滞材料如铁钴钒、铁钴钼等合金的磁滞回环(如回环2)很近于理想。一般电机用的软磁材料的回环很窄小，如回环3，所以，一般异步电动机中虽也有磁滞转矩，但与异步转矩相比小得多，故均略去不计。磁滞同步电动机主要优点是结构简单，运转可靠，启动转矩大，不需要装任何启动装置就能平稳地抵达同步速，运转时噪声也很小。,目前，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200W，其中功率小的(50W以下)应用得更为广泛。,图9-18各种铁磁材料的磁滞回环,图9-19磁滞电动机的转子结构,9.4.2主要结构型式磁滞同步电动机有三相或单相的，其定子与一般同步电动机和异步电动机的相同，转子的通常结构如图9-19所示。图中，外圈为有效层，由整块硬磁材料制成，或者由硬磁材料冲片叠压而成；内圈为套筒，可用磁性或非磁性材料制成。由硬磁材料冲片叠压而成的转子，其涡流转矩极小，电机启动及运行主要依靠磁滞转矩；用整块硬磁材料做成的转子，除了磁滞转矩外，还有涡流转矩，可以增大启动转矩。,有时为了增大电机的转动惯量，以提高电机运转的稳定性，磁滞电动机采用外转子的结构。这时转子罩在定子外面，定子槽内仍放着绕组产生旋转磁场。这种具有外转子的磁滞电动机常应用在陀螺装置、电唱机及其它装置中。,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50Hz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。低速电动机种类很多，有异步的，也有同步的。下面着重介绍目前常用的一种类型，即电磁减速式同步电动机。,9.5.1反应式电磁减速同步电动机图9-20是反应式电磁减速同步电动机的结构示意图。定、转子铁心都做成开口槽，定子槽中放有两相或三相绕组，转子没有绕组。设该电机是一台两极电机(即p=1)，定子齿数Zs=16，转子齿数ZR=18，如图9-21所示。当某一瞬间，定子绕组产生的两极旋转磁场轴线(图中用矢量A表示)正好和定子齿1和齿9的中心线重合时，由于磁力线总是力图要使自己经过的磁路的磁阻为最小，所以这时转子齿1和10处于与定子齿1和9相对齐的位置。,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,图9-20反应式电磁减速同步电动机,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,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,式中，f为电源频率。,9.5.2励磁式电磁减速同步电动机励磁式电磁减速同步电动机分为永久磁钢励磁和直流电励磁两种。小容量电机大多采用永久磁钢励磁式，图9-22是它的结构简图。图中定子结构与反应式一样，转子中间为轴向磁化的环形永久磁钢，磁钢两端各套有一段有开口槽的转子铁心，转子铁心或用整块钢铣槽，或用硅钢片叠成，两段转子铁心径向互相错开半个转子齿距。下面说明它的工作原理。,图922励磁式减速同步电动机,图中虚线表示转子永久磁钢产生的磁通所经过的路径。在A-A截面中，磁通都是从转子铁心出来的经过气隙进入定子，因而A-A截面的转子齿都显示出N极性；而B-B截面处则相反，转子齿都显示出S极性。若定子绕组产生旋转磁场极对数p=2，某一瞬间，定子旋转磁场轴线正处在和定子齿1、5、9、13相重合的位置，由于定、转子磁场同极性相斥，异极性相吸的结果，转子力图处于使A-A截面的转子齿1和10与定子齿1和9(定子S极轴线)相对齐的位置。,此时，定子N极轴线正好处于转子槽的中心，如图9-23(a)所示。当定子旋转磁场顺时针方向转过一个定子齿距时，由于定、转子磁场的相互作用，转子力图转到使转子齿2和11与定子齿2和10相对齐的位置，即定子旋转磁场转过2/Zs弧度时，转子转过=(1/Zs-1/ZR)2弧度。所以定子旋转磁场转速与转子转速之比，即电磁减速系数为,用类似方法分析图9-23(b)B-B截面中磁场的相互作用，可以得到同样结果。可以看出，由于左右两段转子铁心在径向相互错开了半个转子齿距，所以它们产生的转矩及转速的方向是一致的。,图9-23励磁式电磁减速同步电动机的工作原理(a)A-A截面；(b)B-B截面,由图9-23(a)可见，当定子S极的轴线与转子齿中心线对齐时，定子N极轴线应对准转子槽中心，所以定、转子齿数应满足：ZR-Zs=p这样，转子转速为,可见，在同样转子齿数时，励磁式转速比反应式转速缩小一半。,图9-24直流电励磁的电磁减速同步电动机(a)单段式；(b)两段式,上述永久磁钢所产生的磁通也可改为