同步電動機(jī)原理介紹

1、會計(jì)學(xué)1同步電動機(jī)原理介紹同步電動機(jī)原理介紹同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 第1頁/共41頁同步電動機(jī)的兩類轉(zhuǎn)子同步電動機(jī)的兩類轉(zhuǎn)子第2頁/共41頁9.2 同步電動機(jī)的電磁關(guān)系同步電動機(jī)的電磁關(guān)系9.2.1 同步電動機(jī)的磁通勢同步電動機(jī)的磁通勢第3頁/共41頁9.2.2 凸極同步電動機(jī)的雙反應(yīng)原理凸極同步電動機(jī)的雙反應(yīng)原理第4頁/共41頁 根據(jù)前一章的分析，這里可以寫出由定子電流產(chǎn)生的電樞根據(jù)前一章的分析，這里可以寫出由定子電流產(chǎn)生的電樞磁動勢的表達(dá)式磁動勢的表達(dá)式spW11a22423InkNF將上式分解為將上式分解為d、q軸上的直軸電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢：軸上的直軸電樞磁動勢和交

2、軸電樞磁動勢：dpW11ad22423InkNFqpW11aq22423InkNF第5頁/共41頁 考慮到式（考慮到式（8-2）的關(guān)系，即有）的關(guān)系，即有dqIII即把電樞電流即把電樞電流 按相量的關(guān)系分解成兩個分量：按相量的關(guān)系分解成兩個分量： 一個分一個分量是量是 ，另一個分量是，另一個分量是 ，其中，其中 產(chǎn)生磁動勢產(chǎn)生磁動勢 ； 產(chǎn)生磁動勢產(chǎn)生磁動勢 。 IdIdIqIqIaqFadF第6頁/共41頁 f電磁關(guān)系電磁關(guān)系第7頁/共41頁 9.2.3 同步電動機(jī)的電壓平衡方程式同步電動機(jī)的電壓平衡方程式 1. 凸極同步電動機(jī)的電壓方程凸極同步電動機(jī)的電壓方程 不管是勵磁磁通不管是勵磁磁通

3、 f ， 還是直軸磁通還是直軸磁通 ad 和交軸磁通和交軸磁通 aq， 都是以同步轉(zhuǎn)速逆時針旋轉(zhuǎn)，因此都要在定子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的都是以同步轉(zhuǎn)速逆時針旋轉(zhuǎn)，因此都要在定子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢。根據(jù)圖感應(yīng)電動勢。根據(jù)圖9-6給出的同步電動機(jī)定子繞組各電量正方向給出的同步電動機(jī)定子繞組各電量正方向， 可以列出可以列出A相回路的電壓方程相回路的電壓方程 0adaq11jUEEEI RX（9-1）Rs 定子繞組的相電阻；定子繞組的相電阻；Xs 定子繞阻的相漏電抗。定子繞阻的相漏電抗。 第8頁/共41頁感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢 、 可以寫成可以寫成 adEaqEaddadjXIEaqqaqjXIE式中式

4、中 Xad 直軸電樞反應(yīng)電抗；直軸電樞反應(yīng)電抗； Xaq 交軸電樞反應(yīng)電抗。交軸電樞反應(yīng)電抗。整理，可得整理，可得 0dadqaqs11jjjUEI XI XIRX得得 0dad1qaq1dq1jjUEIXXIXXIIR第9頁/共41頁一般情況下，當(dāng)同步電動機(jī)容量較大時，可忽略電阻一般情況下，當(dāng)同步電動機(jī)容量較大時，可忽略電阻R1，于是，于是 0ddqqjjUEI XI X式中式中 直軸同步電抗，直軸同步電抗， ； 交軸同步電抗交軸同步電抗 。在一般凸極同步電動機(jī)中，在一般凸極同步電動機(jī)中， 。 2. 隱極同步電動機(jī)的電壓方程隱極同步電動機(jī)的電壓方程 對于隱極同步電動機(jī)，由于氣隙均勻，因而直軸

5、和交軸的對于隱極同步電動機(jī)，由于氣隙均勻，因而直軸和交軸的同步電抗在數(shù)值上彼此相等，即有同步電抗在數(shù)值上彼此相等，即有 dad1XXXqaq1XXXqdXXdXqXcqdXXX式中式中 隱極同步電動機(jī)的同步電抗。隱極同步電動機(jī)的同步電抗。 cX第10頁/共41頁這樣，由式（這樣，由式（9-4）可寫出隱極同步電動機(jī)的電壓方程為）可寫出隱極同步電動機(jī)的電壓方程為 （9-5） 9.2.4 同步電動機(jī)相量圖同步電動機(jī)相量圖 同步電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行時，電源必須向電機(jī)的定子繞組同步電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行時，電源必須向電機(jī)的定子繞組輸入有功功率，這時輸入電動機(jī)的有功功率輸入有功功率，這時輸入電動機(jī)的有功功率P1

6、必須滿足必須滿足 0cjUEIX13cos0PUI這就是說，定子相電流的有功分量這就是說，定子相電流的有功分量 應(yīng)與相電壓應(yīng)與相電壓 同同相位。相位。 由此可見，由此可見， 與與 二者之間的功率因數(shù)角二者之間的功率因數(shù)角 必須必須小于小于90 ，才能使電機(jī)運(yùn)行于電動機(jī)狀態(tài)。圖，才能使電機(jī)運(yùn)行于電動機(jī)狀態(tài)。圖9-9是根據(jù)凸極同是根據(jù)凸極同步電動機(jī)的電壓方程，在步電動機(jī)的電壓方程，在 （超前）時，（超前）時， 電機(jī)運(yùn)行于電機(jī)運(yùn)行于電動機(jī)狀態(tài)的相量圖。電動機(jī)狀態(tài)的相量圖。 1cosIUUIo90第11頁/共41頁圖圖9-7是根據(jù)隱極同步電動機(jī)的電壓方程式畫出的相量圖。是根據(jù)隱極同步電動機(jī)的電壓方程式

7、畫出的相量圖。 第12頁/共41頁第13頁/共41頁9.3.1 同步電動機(jī)的功率方程同步電動機(jī)的功率方程 同步電動機(jī)從電源吸收有功功率同步電動機(jī)從電源吸收有功功率P1 ，在扣除消耗于定子繞，在扣除消耗于定子繞組的銅損耗組的銅損耗 后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β屎螅D(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β蔖M ，即有，即有 ssRIp2Cu31CuMPpP（8-14）從電磁功率從電磁功率PM里再扣除鐵損耗里再扣除鐵損耗 和機(jī)械摩擦損耗和機(jī)械摩擦損耗 后，后，得到輸出給負(fù)載的機(jī)械功率得到輸出給負(fù)載的機(jī)械功率P2FepmpMFem2PppP（8-15）其中，鐵損耗其中，鐵損耗 與機(jī)械損耗與機(jī)械損耗 之和稱為空載損耗之和稱為空載損耗P0

8、，即，即 FepmpmFe0ppP（8-16）9.3同步電動機(jī)的功率關(guān)系和矩角特性同步電動機(jī)的功率關(guān)系和矩角特性第14頁/共41頁圖圖9-11是同步電動機(jī)的功率流程圖。是同步電動機(jī)的功率流程圖。 第15頁/共41頁9.3.2 同步電動機(jī)的電磁功率與功角特性同步電動機(jī)的電磁功率與功角特性 對于凸極同步電動機(jī)，當(dāng)忽略定子繞組的電阻對于凸極同步電動機(jī)，當(dāng)忽略定子繞組的電阻R1 時，同步時，同步電動機(jī)的電磁功率為電動機(jī)的電磁功率為 M13cosPPUI由凸極同步電動機(jī)的相量圖（圖由凸極同步電動機(jī)的相量圖（圖9-7）可見，）可見， ，于是，于是 13coscos3sinsinMPUIUI此外，根據(jù)相量圖

9、可得此外，根據(jù)相量圖可得 dqdd0qqsincoscossinIIIII XEUI XU第16頁/共41頁考慮以上這些關(guān)系，得考慮以上這些關(guān)系，得 接在電網(wǎng)上運(yùn)行的同步電動機(jī)，已知電源電壓接在電網(wǎng)上運(yùn)行的同步電動機(jī)，已知電源電壓U、 電源的頻電源的頻率率f1都維持不變，如果保持電動機(jī)的勵磁電流都維持不變，如果保持電動機(jī)的勵磁電流If 不變，則對應(yīng)的不變，則對應(yīng)的電動勢電動勢E0 的大小也是常數(shù)，此外電動機(jī)的參數(shù)的大小也是常數(shù)，此外電動機(jī)的參數(shù)Xd 、Xq又是已知又是已知的常數(shù)，這樣同步電動機(jī)的電磁功率的常數(shù)，這樣同步電動機(jī)的電磁功率PM 就僅僅是就僅僅是的函數(shù)，的函數(shù)， 當(dāng)當(dāng)角變化時，電磁功

10、率角變化時，電磁功率PM也跟著變化。也跟著變化。 我們把我們把 的關(guān)系的關(guān)系定義為同步電動機(jī)的功角特性，定義為同步電動機(jī)的功角特性， 由此所繪制出的曲線稱為由此所繪制出的曲線稱為功角功角特性曲線特性曲線，如圖，如圖9-12所示。所示。 （9-7）2dq0Mddq33sinsin22UXXE UPXX XM( )Pf第17頁/共41頁 上式所示凸極同步電上式所示凸極同步電動機(jī)的電磁功率動機(jī)的電磁功率PM 中，第中，第一項(xiàng)與勵磁電流一項(xiàng)與勵磁電流If 的大小有的大小有關(guān)，稱為關(guān)，稱為勵磁電磁功率勵磁電磁功率。第二項(xiàng)與勵磁電流第二項(xiàng)與勵磁電流If 的大小的大小無關(guān)，是由參數(shù)無關(guān)，是由參數(shù) 引引起的，

11、這部分功率只有凸起的，這部分功率只有凸極同步電動機(jī)才有，而對極同步電動機(jī)才有，而對隱極同步電動機(jī)則不存在隱極同步電動機(jī)則不存在，所以該電磁功率稱為，所以該電磁功率稱為凸凸極電磁功率極電磁功率。第一項(xiàng)勵磁。第一項(xiàng)勵磁電磁功率是主要的，第二電磁功率是主要的，第二項(xiàng)凸極電磁功率比第一項(xiàng)項(xiàng)凸極電磁功率比第一項(xiàng)小得多。小得多。 0M1d3sinE UPX2dqM2dq3sin22UXXPX XqdXX第18頁/共41頁 將式（將式（9-6）等號兩邊同除以）等號兩邊同除以，得到同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡，得到同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程方程 20TTT式中式中 T0空載轉(zhuǎn)矩?？蛰d轉(zhuǎn)矩。 將電磁功率的表達(dá)式（將電磁功

12、率的表達(dá)式（9-7）代入上式，得到的電磁轉(zhuǎn)矩為）代入上式，得到的電磁轉(zhuǎn)矩為 2dq0eddq33sinsin22UXXE UTXX X（9-8）第19頁/共41頁 上式說明，在電源電壓上式說明，在電源電壓Us 、電源的頻率、電源的頻率f1、勵磁電流、勵磁電流 If 都保都保持不變時，同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩持不變時，同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T也僅是也僅是的函數(shù)。的函數(shù)。 即當(dāng)即當(dāng) 角變角變化時，電磁轉(zhuǎn)矩化時，電磁轉(zhuǎn)矩T也跟著變化。把也跟著變化。把 的關(guān)系定義為同步電動的關(guān)系定義為同步電動機(jī)的矩角特性，由此所繪制出的曲線稱為矩角特性曲線。機(jī)的矩角特性，由此所繪制出的曲線稱為矩角特性曲線。 功角功角特性與

13、矩角特性的表達(dá)式相互之間僅相差一個比例常數(shù)特性與矩角特性的表達(dá)式相互之間僅相差一個比例常數(shù)( )Tf 若是隱極式同步電動若是隱極式同步電動機(jī)，因機(jī)，因Xd =Xq ，則功角特，則功角特性和矩角特性的表達(dá)式為性和矩角特性的表達(dá)式為 0c3sinsME UPX03sincE UTX第20頁/共41頁 9.3.5 穩(wěn)定運(yùn)行穩(wěn)定運(yùn)行 下面以隱極同步電動機(jī)為例來討論同步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行問下面以隱極同步電動機(jī)為例來討論同步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行問題。由圖可見，當(dāng)電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行在題。由圖可見，當(dāng)電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行在 = 0 90 的范圍內(nèi)，的范圍內(nèi)，電動機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行在電動機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行

14、；當(dāng)電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行在 = 90 180 的的范圍內(nèi)，電動機(jī)不能夠穩(wěn)定運(yùn)行。范圍內(nèi)，電動機(jī)不能夠穩(wěn)定運(yùn)行。 第21頁/共41頁 如果與異步電動機(jī)一樣，將最大電磁轉(zhuǎn)矩如果與異步電動機(jī)一樣，將最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm與額定電磁轉(zhuǎn)矩與額定電磁轉(zhuǎn)矩TN之比，稱為過載倍數(shù)，用之比，稱為過載倍數(shù)，用 表示。這里表示。這里 5 . 32sin90sinNoNmTT（8-30） 可見，可見， 為了滿足過載限制的要求，為了滿足過載限制的要求， 隱極同步電動機(jī)額定運(yùn)隱極同步電動機(jī)額定運(yùn)行時，行時， 。對于凸極同步電動機(jī)，額定運(yùn)行時的功率。對于凸極同步電動機(jī)，額定運(yùn)行時的功率角還要小些。角還要小些。 當(dāng)負(fù)載改變時，當(dāng)負(fù)載

15、改變時，角隨之變化，就能使同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)角隨之變化，就能使同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩矩T或電磁功率或電磁功率PM跟著變化，以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在同步電動跟著變化，以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在同步電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n是嚴(yán)格按照同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，不是嚴(yán)格按照同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，不發(fā)生任何變化。發(fā)生任何變化。所以，同步電動機(jī)的機(jī)械特性為一條水平的直線所以，同步電動機(jī)的機(jī)械特性為一條水平的直線。 ooN5 .1630第22頁/共41頁9.4 同步電動機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié)同步電動機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié) 9.4.1 同步電動機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié)同步電動機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié) 當(dāng)同步電動機(jī)接在交流電源上

16、，可以認(rèn)為電源的電壓當(dāng)同步電動機(jī)接在交流電源上，可以認(rèn)為電源的電壓U以及以及頻率頻率f1都保持不變。另外，假設(shè)同步電動機(jī)拖動的有功負(fù)載也保都保持不變。另外，假設(shè)同步電動機(jī)拖動的有功負(fù)載也保持不變，持不變，僅改變同步電動機(jī)的勵磁電流僅改變同步電動機(jī)的勵磁電流If ，就能調(diào)節(jié)同步電動機(jī)，就能調(diào)節(jié)同步電動機(jī)的功率因數(shù)。的功率因數(shù)。為分析方便起見，以隱極同步電動機(jī)為例，為分析方便起見，以隱極同步電動機(jī)為例， 并忽并忽略電機(jī)中的各種損耗。略電機(jī)中的各種損耗。 假若同步電動機(jī)的負(fù)載保持不變，假若同步電動機(jī)的負(fù)載保持不變， 則電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的輸出則電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩T2也不變，如果忽略空載轉(zhuǎn)矩，有也不

17、變，如果忽略空載轉(zhuǎn)矩，有 。 可見，當(dāng)可見，當(dāng)T2不不變時，可以認(rèn)為電磁轉(zhuǎn)矩變時，可以認(rèn)為電磁轉(zhuǎn)矩T也不變，由式（也不變，由式（9-8），）， （9-9）2TT0s3sincE UTX常數(shù)常數(shù)sin0E這說明這說明當(dāng)改變勵磁電流當(dāng)改變勵磁電流If時，電動勢時，電動勢E0的大小也要跟著改變的大小也要跟著改變，以，以滿足上式的關(guān)系。滿足上式的關(guān)系。 第23頁/共41頁 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，由于同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定不變，所以當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，由于同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定不變，所以同步電動機(jī)的輸出功率不變。在忽略電機(jī)中的各種損耗的情況下同步電動機(jī)的輸出功率不變。在忽略電機(jī)中的各種損耗的情況下，同步電動機(jī)的輸

18、入功率與輸出功率相等。于是有，同步電動機(jī)的輸入功率與輸出功率相等。于是有 （9-10） 上式的物理意義是：上式的物理意義是：在只改變勵磁電流的情況下，同步電動在只改變勵磁電流的情況下，同步電動機(jī)定子繞組中電流的有功分量保持不變。機(jī)定子繞組中電流的有功分量保持不變。 根據(jù)式（根據(jù)式（9-9）和式）和式（9-10）的條件）的條件 可畫出隱極同步電動機(jī)在三種不同勵磁電流時的可畫出隱極同步電動機(jī)在三種不同勵磁電流時的相量圖，如圖相量圖，如圖9-17所示。所示。 13cosPUI常數(shù)在電壓在電壓U 不變的條件下，必有不變的條件下，必有 cosI常數(shù)第24頁/共41頁 當(dāng)改變同步電動機(jī)當(dāng)改變同步電動機(jī)的勵

19、磁電流時，能夠改的勵磁電流時，能夠改變同步電動機(jī)的功率因變同步電動機(jī)的功率因數(shù)，這點(diǎn)是三相異步電數(shù)，這點(diǎn)是三相異步電動機(jī)所不具備的。動機(jī)所不具備的。當(dāng)改當(dāng)改變勵磁電流時，同步電變勵磁電流時，同步電動機(jī)功率因數(shù)變化的規(guī)動機(jī)功率因數(shù)變化的規(guī)律可以分為三種情況，律可以分為三種情況，即即正常勵磁狀態(tài)、欠勵正常勵磁狀態(tài)、欠勵狀態(tài)和過勵狀態(tài)狀態(tài)和過勵狀態(tài)。同步。同步電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行時電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行時，一般要過勵，至少運(yùn)，一般要過勵，至少運(yùn)行在正常勵磁狀態(tài)，不行在正常勵磁狀態(tài)，不要讓它運(yùn)行在欠勵狀要讓它運(yùn)行在欠勵狀態(tài)。態(tài)。 第25頁/共41頁 9.4.2 同步電動機(jī)的同步電動機(jī)的U形曲線形曲線 同步電

20、動機(jī)的同步電動機(jī)的U形曲線是指當(dāng)電源電壓和電源的頻率均為額形曲線是指當(dāng)電源電壓和電源的頻率均為額定值時，在輸出功率不變的條件下，調(diào)節(jié)勵磁電流定值時，在輸出功率不變的條件下，調(diào)節(jié)勵磁電流If 時定子電流時定子電流I的相應(yīng)變化。以勵磁電流的相應(yīng)變化。以勵磁電流If 為橫座標(biāo)，定子電流為橫座標(biāo)，定子電流I 為縱座標(biāo)，將兩為縱座標(biāo)，將兩個電流數(shù)值變化關(guān)系繪制成曲線，由于其形狀象英文字母個電流數(shù)值變化關(guān)系繪制成曲線，由于其形狀象英文字母“U”，故稱其為故稱其為U形曲線。形曲線。 第26頁/共41頁 對每條對每條U形曲線，定子電流有一最小值，這時定子僅從電網(wǎng)形曲線，定子電流有一最小值，這時定子僅從電網(wǎng)吸收

21、有功功率，功率因數(shù)吸收有功功率，功率因數(shù) 。把這些點(diǎn)連起來，稱為。把這些點(diǎn)連起來，稱為 線。它微微向右傾斜，說明輸出為純有功功率情況下，線。它微微向右傾斜，說明輸出為純有功功率情況下， 輸出功輸出功率增大的同時，必須相應(yīng)地增加一些勵磁電流。這樣，率增大的同時，必須相應(yīng)地增加一些勵磁電流。這樣， 線可作為分界線，在線的左邊是線可作為分界線，在線的左邊是欠勵區(qū)欠勵區(qū)，右邊是，右邊是過勵區(qū)過勵區(qū)。 當(dāng)同步電動機(jī)帶一定負(fù)載時，當(dāng)同步電動機(jī)帶一定負(fù)載時， 若減小勵磁電流若減小勵磁電流If，電動勢，電動勢E0、電磁功率、電磁功率 PM減小。當(dāng)減小。當(dāng)PM減小到一定程度，減小到一定程度，超過超過90 ， 電

22、動機(jī)電動機(jī)就失去同步，如圖就失去同步，如圖9-19中虛線所示的不穩(wěn)定區(qū)。中虛線所示的不穩(wěn)定區(qū)。從這個角度來看從這個角度來看，同步電動機(jī)最好也不運(yùn)行于欠勵狀態(tài)。，同步電動機(jī)最好也不運(yùn)行于欠勵狀態(tài)。 1cos11cos11cos1第27頁/共41頁*第五節(jié)第五節(jié) 永磁同步電動機(jī)永磁同步電動機(jī) 一、概述一、概述 世界上第一臺電機(jī)就是永磁電機(jī)，但是早期的永磁材料磁性世界上第一臺電機(jī)就是永磁電機(jī)，但是早期的永磁材料磁性能很差，致使永磁電機(jī)體積很大，非常笨重，因而很快就為電勵能很差，致使永磁電機(jī)體積很大，非常笨重，因而很快就為電勵磁式電機(jī)所取代。近年來，隨著稀土永磁材料的快速發(fā)展，特別磁式電機(jī)所取代。近年

23、來，隨著稀土永磁材料的快速發(fā)展，特別是第三代稀土永磁材料釹鐵硼（是第三代稀土永磁材料釹鐵硼（NdFeB）的問世，給永磁電機(jī)的）的問世，給永磁電機(jī)的研究和開發(fā)帶來了新的活力。從上世紀(jì)八十年代初開始，各工業(yè)研究和開發(fā)帶來了新的活力。從上世紀(jì)八十年代初開始，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家竟相研制高性能永磁電機(jī)，其中永磁同步電動機(jī)以其高發(fā)達(dá)國家竟相研制高性能永磁電機(jī)，其中永磁同步電動機(jī)以其高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)而受到特別的關(guān)注。效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)而受到特別的關(guān)注。 二、正弦波永磁同步電動機(jī)二、正弦波永磁同步電動機(jī) 1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 永磁同步電動機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子部分與一般同永磁同步電動機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子部

24、分與一般同步電動機(jī)的定子相同，步電動機(jī)的定子相同， 定子鐵心通常由帶有齒和槽的沖片疊成，定子鐵心通常由帶有齒和槽的沖片疊成， 在槽中嵌入交流繞組。當(dāng)交流電流通入交流繞組時，在氣隙中產(chǎn)在槽中嵌入交流繞組。當(dāng)交流電流通入交流繞組時，在氣隙中產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場；轉(zhuǎn)子部分則采用永磁體勵磁。生同步旋轉(zhuǎn)磁場；轉(zhuǎn)子部分則采用永磁體勵磁。 第28頁/共41頁第29頁/共41頁第30頁/共41頁 同步電動機(jī)的主要參數(shù)同步電抗同步電動機(jī)的主要參數(shù)同步電抗Xd、Xq決定于磁路的磁導(dǎo)決定于磁路的磁導(dǎo)，在電勵磁同步電動機(jī)中，在電勵磁同步電動機(jī)中， Xd Xq 。但在永磁同步電動機(jī)中，。但在永磁同步電動機(jī)中，情況有所不同，

25、因?yàn)樵谥陛S磁路中有永磁體，情況有所不同，因?yàn)樵谥陛S磁路中有永磁體， 永磁體的磁導(dǎo)率永磁體的磁導(dǎo)率很低，其導(dǎo)磁性能與空氣相似，因而大大減小了直軸電樞反應(yīng)很低，其導(dǎo)磁性能與空氣相似，因而大大減小了直軸電樞反應(yīng)的作用，表現(xiàn)為的作用，表現(xiàn)為Xd較??；而在交軸磁路中，主要是軟鐵極靴和較?。欢诮惠S磁路中，主要是軟鐵極靴和套環(huán)類的磁性材料，導(dǎo)磁性能較好，交軸電樞反應(yīng)的作用較大套環(huán)類的磁性材料，導(dǎo)磁性能較好，交軸電樞反應(yīng)的作用較大， Xq較較大，因而在永磁同步電動機(jī)中大，因而在永磁同步電動機(jī)中Xd Xq 。 2. 工作原理與起動問題工作原理與起動問題 永磁體的引入固然使同步電動機(jī)面貌一新，但由此而產(chǎn)生永磁體

26、的引入固然使同步電動機(jī)面貌一新，但由此而產(chǎn)生的一些問題也不容忽視，這其中最主要的當(dāng)屬起動問題，在由的一些問題也不容忽視，這其中最主要的當(dāng)屬起動問題，在由變頻電源供電的場合，永磁同步電動機(jī)可以順利起動，但當(dāng)由變頻電源供電的場合，永磁同步電動機(jī)可以順利起動，但當(dāng)由工頻電源直接供電時，由于定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永磁體磁場之工頻電源直接供電時，由于定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永磁體磁場之間有相對運(yùn)動，不能產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，造成起動困難間有相對運(yùn)動，不能產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，造成起動困難。 第31頁/共41頁 為克服這一困難，永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子一般設(shè)計(jì)成磁鋼為克服這一困難，永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子一般設(shè)計(jì)成磁鋼

27、內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子表面裝有和異步電動機(jī)相似的籠型繞組（如內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子表面裝有和異步電動機(jī)相似的籠型繞組（如圖圖8-18所示），稱為自起動永磁同步電動機(jī)。當(dāng)永磁同步電動機(jī)所示），稱為自起動永磁同步電動機(jī)。當(dāng)永磁同步電動機(jī)起動時，依靠籠型繞組產(chǎn)生如同異步電動機(jī)工作時一樣的起動起動時，依靠籠型繞組產(chǎn)生如同異步電動機(jī)工作時一樣的起動轉(zhuǎn)矩，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。等到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升到接近同步速時轉(zhuǎn)矩，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。等到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升到接近同步速時，依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永磁體的相互吸引把轉(zhuǎn)子牽入同步，依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永磁體的相互吸引把轉(zhuǎn)子牽入同步。這就是所謂的。這就是所謂的“異步起動，同步運(yùn)行異步起動

28、，同步運(yùn)行”。在整個起動過程中。在整個起動過程中，籠型繞組產(chǎn)生異步起動轉(zhuǎn)矩，而永磁體產(chǎn)生發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩，籠型繞組產(chǎn)生異步起動轉(zhuǎn)矩，而永磁體產(chǎn)生發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩，但當(dāng)達(dá)到同步速時，異步起動轉(zhuǎn)矩為零，而發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變但當(dāng)達(dá)到同步速時，異步起動轉(zhuǎn)矩為零，而發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)橥綘恳D(zhuǎn)矩，帶動電動機(jī)正常同步運(yùn)行。為同步牽引轉(zhuǎn)矩，帶動電動機(jī)正常同步運(yùn)行。可見，對于自起可見，對于自起動永磁式同步電動機(jī)來說，永磁體和籠型起動繞組之間的合理動永磁式同步電動機(jī)來說，永磁體和籠型起動繞組之間的合理設(shè)計(jì)是十分重要的。設(shè)計(jì)是十分重要的。 應(yīng)當(dāng)指出，如果電動機(jī)轉(zhuǎn)子本身慣性不大，或者是多極的應(yīng)當(dāng)指出，如果電動機(jī)轉(zhuǎn)子本身慣性不

29、大，或者是多極的低速電機(jī)，定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速不是很大，那么永磁同步電動機(jī)低速電機(jī)，定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速不是很大，那么永磁同步電動機(jī)不另裝起動繞組也是可以直接起動的。不另裝起動繞組也是可以直接起動的。第32頁/共41頁 三、梯形波永磁同步電動機(jī)三、梯形波永磁同步電動機(jī) 直流電動機(jī)由于調(diào)速性能好、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)而在各種直流電動機(jī)由于調(diào)速性能好、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)而在各種運(yùn)動控制系統(tǒng)中等到廣泛應(yīng)用，但是直流電動機(jī)具有電刷和換運(yùn)動控制系統(tǒng)中等到廣泛應(yīng)用，但是直流電動機(jī)具有電刷和換向器裝置，運(yùn)行時所形成的機(jī)械摩擦嚴(yán)重影響電機(jī)的精度和可向器裝置，運(yùn)行時所形成的機(jī)械摩擦嚴(yán)重影響電機(jī)的精度和可靠性，因摩擦而產(chǎn)生的火

30、花還會引起無線電干擾。電刷和換向靠性，因摩擦而產(chǎn)生的火花還會引起無線電干擾。電刷和換向器裝置使直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪音大，維護(hù)也比較困難。所器裝置使直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪音大，維護(hù)也比較困難。所以，長期以來人們在不斷尋求可以不用電刷和換向器裝置的直以，長期以來人們在不斷尋求可以不用電刷和換向器裝置的直流電動機(jī)。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展流電動機(jī)。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展，誕生了，誕生了梯形波永磁同步電動機(jī)梯形波永磁同步電動機(jī)無刷直流電動機(jī)無刷直流電動機(jī)。這種電。這種電動機(jī)利用電子開關(guān)線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，既動機(jī)利用電子開關(guān)線路和位置傳感器來代

31、替電刷和換向器，既具有直流電動機(jī)的運(yùn)行特性，又具有交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)具有直流電動機(jī)的運(yùn)行特性，又具有交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，它的轉(zhuǎn)速不再受機(jī)械換向的限制，行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，它的轉(zhuǎn)速不再受機(jī)械換向的限制，可以制成轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的高速電動機(jī)。因此，無刷可以制成轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的高速電動機(jī)。因此，無刷直流電動機(jī)用途非常廣泛，可作為一般直流電動機(jī)、伺服電動直流電動機(jī)用途非常廣泛，可作為一般直流電動機(jī)、伺服電動機(jī)和力矩電動機(jī)等使用。機(jī)和力矩電動機(jī)等使用。 第33頁/共41頁 1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 無刷直流電動機(jī)由電動機(jī)本體、電子開關(guān)線路和轉(zhuǎn)子位置無刷直流電

32、動機(jī)由電動機(jī)本體、電子開關(guān)線路和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示，其中直流電源通過傳感器三部分組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示，其中直流電源通過開關(guān)線路向電動機(jī)的定子繞組供電，位置傳感器檢測電動機(jī)的開關(guān)線路向電動機(jī)的定子繞組供電，位置傳感器檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，并提供信號控制開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件，使之轉(zhuǎn)子位置，并提供信號控制開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件，使之按照一定的規(guī)律導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)動。按照一定的規(guī)律導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)動。 第34頁/共41頁 無刷直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，其中電動機(jī)結(jié)構(gòu)與無刷直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，其中電動機(jī)結(jié)構(gòu)與永磁同步電動機(jī)相似

33、，轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的具有一定極數(shù)永磁同步電動機(jī)相似，轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的具有一定極數(shù)的永磁體，主要有凸極式和內(nèi)嵌式兩種結(jié)構(gòu)；定子是電動機(jī)的的永磁體，主要有凸極式和內(nèi)嵌式兩種結(jié)構(gòu)；定子是電動機(jī)的電樞，定子鐵心中安放著對稱的多相繞組，可接成星形或角形電樞，定子鐵心中安放著對稱的多相繞組，可接成星形或角形，各相繞組分別與電子開關(guān)線路中的相應(yīng)開關(guān)元件相連接，電，各相繞組分別與電子開關(guān)線路中的相應(yīng)開關(guān)元件相連接，電子開關(guān)線路有橋式和非橋式兩種。圖子開關(guān)線路有橋式和非橋式兩種。圖11-26表示的是常用的三相表示的是常用的三相星形橋式連接方式。星形橋式連接方式。 第35頁/共41頁 2. 工作原理工作

34、原理 根據(jù)電子開關(guān)線路結(jié)構(gòu)和定子繞組聯(lián)接方式，無刷直流電根據(jù)電子開關(guān)線路結(jié)構(gòu)和定子繞組聯(lián)接方式，無刷直流電動機(jī)可以有多種運(yùn)行狀態(tài)，下面以兩相導(dǎo)通三相星形六狀態(tài)為動機(jī)可以有多種運(yùn)行狀態(tài)，下面以兩相導(dǎo)通三相星形六狀態(tài)為例說明無刷直流電動機(jī)的工作原理。例說明無刷直流電動機(jī)的工作原理。 假設(shè)在任意時刻開關(guān)線路的上橋臂和下橋臂各有一個晶體假設(shè)在任意時刻開關(guān)線路的上橋臂和下橋臂各有一個晶體管導(dǎo)通，即三相繞組的通電順序依次為管導(dǎo)通，即三相繞組的通電順序依次為AC、BC、BA、CA、CB、AB（120 導(dǎo)通型逆變器）導(dǎo)通型逆變器） 。 當(dāng)當(dāng)A、C相通電時，電流流通的路徑為：相通電時，電流流通的路徑為：電源正極

35、電源正極V1管管A相繞組相繞組C相繞組相繞組V2管管電源負(fù)極。電源負(fù)極。 當(dāng)當(dāng)B、C相通電時，電流流通的路徑為：相通電時，電流流通的路徑為：電源正極電源正極V3管管B相繞組相繞組C相繞組相繞組V2管管電源負(fù)極。電源負(fù)極。第36頁/共41頁第37頁/共41頁 從下表可以看出，在從下表可以看出，在1個周期內(nèi)電動機(jī)共有個周期內(nèi)電動機(jī)共有6個通電狀態(tài)，個通電狀態(tài)，每個狀態(tài)都是兩相同時導(dǎo)通，每個晶體管導(dǎo)通角為每個狀態(tài)都是兩相同時導(dǎo)通，每個晶體管導(dǎo)通角為 。 3/2第38頁/共41頁 四、兩種永磁同步電動機(jī)的比較四、兩種永磁同步電動機(jī)的比較 (1) 無刷直流電動機(jī)（簡稱無刷直流電動機(jī)（簡稱BDCM）： 其出發(fā)點(diǎn)是用裝有其出發(fā)點(diǎn)是用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動機(jī)有刷直流電動機(jī)的定子磁極，將原直流電動的定子磁極，將原直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞變?yōu)槎ㄗ印Ｓ兴⒅绷麟妱訖C(jī)是依靠機(jī)械換向器將機(jī)的