同步电机论文

1、同步电机的应用摘要：介绍了同步电机的原理、主要优点、常用的启动方法以及永磁同步电机的应用领域和发展趋势关键字：同步电动机 永磁同步电动机 调速驱动引言同步电动机由于具有转速精度高，基本上不消耗无功功率的优点，其应用也越来越广泛。特别是随着现代电力电子技术的发展，高性能变频器大量出现，同步电动机的起动和调速已变得容易和简单。永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠、损耗少、功率密度高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，应用范围极为广泛，遍及航空航天、国防、工农业和产和日常生活的各个领域。目前，永磁电机的应用领域仍在不断的拓展，风力发电、电动汽车等新能源领域也在大量使用永磁电机。一 同步电机原理

2、同步电动机按转子结构分永磁式、磁阻式、磁滞式和绕线式四种基本类型。其中永磁式由于其转子是永磁铁，结构简单，在小功率场合得到较广泛的应用。下面以两极永磁同步电动机为例，简要说明其原理：如图1，定子绕组中电流产生一个两极的圆形旋转磁场，中间转子是一个两极的永磁体，当定子磁场以同步转速n，按图示方向旋转时，根据磁极间同性相斥，异性相吸原理，转子就应当与旋转磁场一起旋转，由电机统一理论知道，两磁场在电机稳态运行时，必须保持相对静止，才能产生稳定的电磁转矩，驱动电动机以同步转速旋转。其中转子磁极轴线与定子磁极轴线之间的夹角随负载转矩的变化而改变，称为功率角。但永磁式同步电动机起动比较困难，我们以图来说明

3、这个问题。电机原来是静止的，刚一合上电源时，电机气隙内就产生旋转磁场，电机转子受到的力矩为，方向与磁场转向n相同，如图2(a）示，由于转子具有惯性，初速度又为零，所以刚开始时转子转速极低，而定子电流所产生的旋转磁场的转动是没有惯性的，一开始就是同步转速n。当旋转磁场已转了180°时，转子还没有明显的角位移，于是成为图2（b）中的情况，这时转子所受到的转矩与n相反，转子应以相反方向转动。当旋转磁场转动了360°时，转子几乎还在原位，又恢复了图2（a）的情况，转子所受转矩又变成了与n同向。可见，在起动过程中，转子所受到的转矩时正时负，一周期内平均转矩为零，所以电机很难起动。在同

4、步电动机运行过程中，当定、转子磁场转速差出现较大数值时，都会出现这种平均转矩为零的情况，从而迫使电机停转。如果用变频器来控制同步电动机起动，则问题就可以解决，只要将压频（u/f）控制曲线和起动时间设置适当，则同步电动机在缓慢上升的定子旋转磁场驱动下逐渐达到设定速度。同时，电压和频率保持一定的比值，起动电流也小。从而大大改善同步电动机的起动性能。二. 同步电机的主要优点1）功率因数高。同步电机不但本身具有良好的功率因数，还可以通过调节转子励磁电流，向电网馈送感性无功功率，从而有利于提高电网的功率因数。2）转速不随负载变化。同步电机在正常运行过程中，只要定子源频率不变，其转速n。将不随负载的大小而

5、改变。3）运行稳定性高。如果同步电机的励磁电流不受电网电压的硬性影响，其转矩与电网电压成正比。当电网电压下降到额值的80-85时，同步电机的励磁系统一般均能自行调节实行强励磁，以保运行的稳定性。三.常用的启动方法常用的启动方法有异步启动法、调频同步启动法和辅助电机启动法。较大容量的同步电机启动时，由于启动电流过大，会引起电网电压下降，从而影响其他用电设备的正常工作，所以一般较大容量的同步电机启动时都要采用一些辅助措施。因同步电机具有功率因数高、转速不随负载变化、运行稳定性高等优点，故在很多低速、大功率的恒速负载时，通常采用同步电机作为驱动源；但它最大的缺陷是启动困难，不能直接启动。实践证明，同

6、步电机使用变频启动能消除对电网的冲击，并能减轻施加在电机和驱动装置上的机械压力，同时变频启动还能连续调节电机的速度，有利于提高启动过程中的控制精度和电网的利用效率。在大电机启动过程中，使用软启能消除对电网的冲击，同时能减轻施加在电机和驱动装置上的机械压力。在过去的几年中，涌现出很多基于可控整流装置的软启系统。它们大致可以分为两种：变压、恒频启动(VVFF)和变压、变频启动(VVVF)。因为变压、恒频启动不能调节输出频率，所以此种方法不能连续控制电机的速度。而变压变频启动能连续调节电机的速度这有利于提高启动过程中的控制精度和电网的利用效率四. 同步电机的分类根据励磁方式不同，同步电机可以分为电励

7、磁同步电机和永磁同步电机。电磁式：它的转子做成显极式的，安装在磁极铁芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的极性，并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。磁场线圈是由一只小型直流发电机或蓄电池来激励，在大多数同步电动机中，直流发电机是装在电动机轴上的，用以供应转子磁极线圈的励磁电流。由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动机启动之用。鼠笼绕组放在转子的周围，结构与异步电动机相似。当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生了一个旋转磁场，鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场的转速，此时转

8、子磁场线圈经由直流电来激励，使转子上面形成一定的磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。图3 永磁式同步电机的基本结构 永磁式：转子不励磁的同步电动机能够运用于单相电源上，也能运用于多相电源上。这种电动机中，有一种的定子绕组与分相电动机或多相电动机的定子相似，同时有一个鼠笼转子，而转子的表面切成平面。所以是属于显极转子，转子磁极是由一种磁化钢做成的，而且能够经常保持磁性。鼠笼绕组是用来产生启动转矩的，而当电动机旋转到一定的转速时，转子显极就跟住定子线圈的电流频率而达到同步。显极的极性是由定子感应出来的，因此它的数目应和定子上极数相等，当电

9、动机转到它应有的速度时，鼠笼绕组就失去了作用，维持旋转是靠着转子与磁极跟住定子磁极，使之同步。其基本结构如图3所示。五. 同步电机的应用（本文主要以永磁式同步电机的应用为例）1)、 定速驱动工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行，例如风机、泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机成本较低，结构简单牢靠，维修方便，很适合该类机械的驱动。但是，异步电动机效率、功率因数低、损耗大，而该类电机使用面广量大，故有大量的电能在使用中被浪费了。其次，工农业中大量使用的风机、水泵往往亦需要调节其流量，通常是通过调节风门、阀来完成的，这其中又

10、浪费了大量的电能。70年代起，人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量，取得可观的节能效果，但变频器的成本又限制了它的使用，而且异步电动机本身的低效率依然存在。例如，家用空调压缩机原先都是采用单相异步电动机，开关式控制其运行，噪声和较高的温度变化幅度是它的不足。90年代初，日本东芝公司首先在压缩机控制上采用了异步电动机的变频调速，变频调速的优点促进了变频空调的发展。近年来日本的日立、三洋等公司开始采用永磁无刷电动机来替代异步电动机的变频调速，显著提高了效率，获得更好的节能效果和进一步降低了噪声，在相同的额定功率和额定转速下，设单相异步电动要的体积和重量为100%，则永磁无刷直

11、流电动机的体积为38.6%，重量为34.8%，用铜量为20.9%，用铁量为36.5%，效率提高10%以上，而且调速方便，价格和异步电动机变频调速相当。永磁无刷直流电动机在空调中的应用促进了空调剂的升级换代。再如仪器仪表等设备上大量使用的冷却风扇，以往都采用单相异步电动机外转子结构的驱动方式，它的体积和重量大，效率低。近年来它已经完全被永磁无刷直流电动机驱动的无刷风机所取代。现代迅速发展的各种计算机等信息设备上更是无例外地使用着无刷风机。这些年，使用无刷风机已形成了完整的系列，品种规格多，外框尺寸从15mm到120mm共有12种，框架厚度有6mm到18mm共7种，电压规格有直流1.5V、3V、5

12、V、12V、24V、48V，转速范围从 2100rpm到14000rpm，分为低转速、中转速、高转速和超高转速4种，寿命30000小时以上，电机是外转子的永磁无刷直流电动机。图4磁无刷直流电动机的系统组成近年来的实践表明，在功率不大于10kW 图4永磁无刷直流电动机的系统组成图5一种典型的正弦波永磁同步电动机调速系统框图。而连续运行的场合，为减小体积、节省材料提高效率和降低能耗等因素，越来越多的异步电动机驱动正被永磁无刷直流电动机逐步替代。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁材料外，还要功率较大的驱动器，故还较少有应用。2)、 调速驱动有相当多的工作机械，其运行速度需要任意设定

13、和调节，但速度控制精度要求并不非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统，70年代后随电力电子技术和控制技术的发展，异步电动机的变频调速迅速渗透到原来的直流调速系统的应用领域。这是因为一方面异步电动机变频调速系统的性能价格完全可与直流调速系统相媲美，另一方面异步电动机与直流电动机相比有着制造工艺简单、效率高、同功率电机用铜量少、维护保养方便等优点。故异步电动机变频调速在许多场合迅速取代了直流调速系统。图5为一种典型的正弦波永磁同步电动机调速系统框图。交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻

14、、高效节能等一系列优点，是当今社会的低碳电机。已越来越引起人们重视，由于同步电机的运行特性和其控制技术日趋成熟。中小功率的直流电动机、异步电动机变频调速正逐步被永磁同步电动机调速系统所取代。电梯驱动就是一个典型的例子。电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、定位都有一定的要求。早期人们采用直流电动机调速系统，其缺点是效率低、维护保养困难。70年代变频技术发展成熟，异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系统。而这近十年电梯行业中逐渐采用最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统，其体积小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置；其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前

15、的驱动系统，也适合在无机房电梯中使用。永磁同步电动机驱动系统很快得到各个行业的青睐，与其配套的各种变频器系列产品已有多种品牌上市。可以预见，在调速驱动的场合，将会是永磁同步电动机的天下。日本富士公司已推出系列的三相永磁同步电动机产品及相配的变频控制器，功率从0.4kW750kW体积比同容量异步电动机小12个机座号，力能指标明显高于异步电动机，可用于机床、泵、压缩机、起重运输机械、挤出机械、升降机等多种场合。3)、 精密控制驱动 高精度的伺服控制系统伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演了十分重要的角色，应用场合的不同对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。实际应用中，伺服电动机有各种不同的控

16、制方式，例如转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制等。伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统，直至近年来最为引人注目的永磁电动机交流伺服系统。最近几年进口的各类自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统。图6 永磁同步电机在荣威E1纯电动车中的应用 信息技术中的永磁同步电动机当今信息技术高度发展，各种计算机外设和办公自动化设备也随之高度发展，与其配套的关键部件微电机需求量大，精度和性能要求也越来越高。对这类微电机的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、高可靠、低噪声和低振动，精度要求更是特别高。例如，硬盘驱动器用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机，它以近10000rpm的高速带动盘片旋转，盘片上执行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有0.10.3微米处作悬浮运动，其精度要求之高可想而知了。信息技术中各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机。受技术水平限制，这类微电机目前国内还不能自己制造，有部分产品在国内组装。 结束语同步电机有永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有