第6章單相異步電動機

1、 Yd1 Yd5 第第6章章 其他交流電動機其他交流電動機6.1 單相異步電動機單相異步電動機6.2 三相同步電動機三相同步電動機 *6.3 單相（微型）同步電動機單相（微型）同步電動機*6.4 直線異步電動機直線異步電動機思考與練習題思考與練習題6. 1 單相異步電動機單相異步電動機 單相異步電動機采用單相電源供電, 功率比較小,從幾瓦到幾百瓦,它廣泛應用于家用電器（如電風扇、電冰箱、空調、洗衣機、吸塵器等）、醫(yī)療器械和小型機械中。生活中的單相異步生活中的單相異步電動機圖片電動機圖片單相定子繞組通入單相交流電單相定子繞組通入單相交流電 產生脈動磁場產生脈動磁場SNSN脈動磁場可以分解為兩個大

2、小一樣、轉速相等、方向相反的旋轉磁場F+、F-。順時針方向轉動的旋轉磁場F+對轉子產生順時針方向的電磁轉矩；逆時針方向轉動的旋轉磁場F-對轉子產生逆時針方向的電磁轉矩。在啟動時刻這兩個電磁轉矩大小相等、方向相反，電動機的轉子不會轉動，也就是說單相異步電動機的啟動轉矩為零單相異步電動機的啟動轉矩為零。 T T T T 1 0 0 2 2 s s 單單相相異異步步電電動動機機的的機機械械特特性性 1、s=1（n=0）時，合成電磁轉矩為零，無法直接啟動。）時，合成電磁轉矩為零，無法直接啟動。2、一旦單相異步電動機轉動起來，由于順時針旋轉磁場、一旦單相異步電動機轉動起來，由于順時針旋轉磁場F+和逆時和

3、逆時針旋轉磁場針旋轉磁場F-產生的合成電磁轉矩不再為零，在這個合成電磁轉矩產生的合成電磁轉矩不再為零，在這個合成電磁轉矩的作用下，即使沒有其它外在因素，單相異步電動機仍將沿著原來的作用下，即使沒有其它外在因素，單相異步電動機仍將沿著原來的運動方向繼續(xù)運轉。的運動方向繼續(xù)運轉。(需要解決單相異步電動機的啟動問題需要解決單相異步電動機的啟動問題)3、單相異步電動機總有一個反向的制動轉矩存在，所以額定轉速、單相異步電動機總有一個反向的制動轉矩存在，所以額定轉速略低，其效率和負載能力都不及三相異步電動機。略低，其效率和負載能力都不及三相異步電動機。 只要在空間不同相的繞組中通入時間上不同相的電流，就只

4、要在空間不同相的繞組中通入時間上不同相的電流，就能產生一旋轉磁場，分相啟動電動機就是根據這一原理設計能產生一旋轉磁場，分相啟動電動機就是根據這一原理設計的。的。（1 1）結構特點）結構特點定子繞組由定子繞組由輔助繞組及工作繞組輔助繞組及工作繞組兩部分組成兩部分組成（啟動繞組匝數(shù)少，導線細；工作繞組匝數(shù)多，導線粗。啟動繞組匝數(shù)少，導線細；工作繞組匝數(shù)多，導線粗。由于結構的不同，流經這兩套繞組的電流存在著一定的由于結構的不同，流經這兩套繞組的電流存在著一定的相位差）相位差）啟動結束后，輔助繞組被自動切除啟動結束后，輔助繞組被自動切除 （2 2）優(yōu)缺點）優(yōu)缺點價格較低價格較低啟動電流較大，啟動轉矩不

5、大啟動電流較大，啟動轉矩不大 （3 3）應用范圍）應用范圍輕載或空載輕載或空載定子的兩個繞組：定子的兩個繞組：1）主繞組，）主繞組，2）啟動繞組。兩繞組在空間相差）啟動繞組。兩繞組在空間相差90。在啟動繞組回路中串接啟動電容在啟動繞組回路中串接啟動電容C，作電流分相用，并通過開關，作電流分相用，并通過開關Q與工作繞組與工作繞組并聯(lián)在同一單相電源上。并聯(lián)在同一單相電源上。工作繞組呈感性，工作繞組呈感性，I1滯后于滯后于U。若適當選擇電容。若適當選擇電容C，使流過啟動繞組的電流，使流過啟動繞組的電流I2超前超前I1 90，就相當于在相位上互差，就相當于在相位上互差90的兩相電流流入在空間相差的兩相

6、電流流入在空間相差90的的兩相繞組中，就在氣隙中產生旋轉磁場，并在該磁場作用下產生電磁轉矩兩相繞組中，就在氣隙中產生旋轉磁場，并在該磁場作用下產生電磁轉矩, 使使電動機轉動。電動機轉動。 )90sin()sin(12tIitIimm21mIiit1200；SNW1W2S1S2 X21mmIiIit707. 0707. 04512；SNW1W2S1S2 X X12mmIiIit09012；SNW1W2S1S2 X12mmIiIit707. 0707. 013512；SNW1W2S1S2 X X21mmIiIit120180；SNW1W2S1S2 X21mmIiIit707. 0707. 0225

7、12；SNW1W2S1S2 XX 21mmIiIit027012；SNW1W2S1S2 X21mmIiIit707. 0707. 031512；SNW1W2S1S2 X X21mmIiIit120360；SNW1W2S1S2 X21單相電容啟動式異步電動機旋轉磁場的產生單相電容啟動式異步電動機旋轉磁場的產生優(yōu)點：啟動轉矩大，啟動電流小，啟動性能好，適用于滿載啟動的場合。優(yōu)點：啟動轉矩大，啟動電流小，啟動性能好，適用于滿載啟動的場合。罩極電動機的定子一般采用凸極罩極電動機的定子一般采用凸極式，工作繞組集中繞制，套在定式，工作繞組集中繞制，套在定子磁極上。子磁極上。在極靴表面的在極靴表面的1/31

8、/31/41/4處開處開有一個小槽，有一個小槽，并用短路銅環(huán)并用短路銅環(huán)把這部分磁極把這部分磁極罩起來，短路罩起來，短路銅環(huán)起了啟動銅環(huán)起了啟動繞組的作用，繞組的作用，稱為啟動繞組。稱為啟動繞組。罩極電動機罩極電動機的轉子做成的轉子做成籠型籠型（a） 單相交流電流單相交流電流 （b）罩極電動機的磁場）罩極電動機的磁場優(yōu)點：結構簡單優(yōu)點：結構簡單, ,制造方便；制造方便；缺點：轉向只能由未罩部分向被罩部分旋轉，不能實現(xiàn)正反轉。缺點：轉向只能由未罩部分向被罩部分旋轉，不能實現(xiàn)正反轉。常用于小型電風扇上。常用于小型電風扇上。 電容運轉式單相異步電動機在結構和原理上與電容分電容運轉式單相異步電動機在結

9、構和原理上與電容分相式電動機完全一樣相式電動機完全一樣, , 只是啟動繞組和電容器都設計只是啟動繞組和電容器都設計為長期工作狀態(tài)為長期工作狀態(tài), , 工作繞組與啟動繞組在運轉時都起工作繞組與啟動繞組在運轉時都起作用。電容運轉式單相異步電動機實際上是兩相電動作用。電容運轉式單相異步電動機實際上是兩相電動機機, , 它的運行特性較好它的運行特性較好, , 功率因數(shù)、效率和過載能力功率因數(shù)、效率和過載能力都比電容分相啟動和電阻分相啟動的異步電動機要好。都比電容分相啟動和電阻分相啟動的異步電動機要好。 1、將工作繞組或啟動繞組的首末端對調、將工作繞組或啟動繞組的首末端對調1I2、將電容器從一個繞組改接

10、到另一個繞組、將電容器從一個繞組改接到另一個繞組洗衣機正反轉控制電路洗衣機正反轉控制電路 注意：兩相繞組完全對稱，即匝數(shù)相等，空間相位差注意：兩相繞組完全對稱，即匝數(shù)相等，空間相位差9090o o電角電角度；串聯(lián)電容器的繞組中的電流超前于電壓，不串聯(lián)電容器的度；串聯(lián)電容器的繞組中的電流超前于電壓，不串聯(lián)電容器的那相繞組中的電流落后于電壓。那相繞組中的電流落后于電壓。1、 串電抗器調速法串電抗器調速法將電抗器與電動機定子繞組串聯(lián)，將電抗器與電動機定子繞組串聯(lián)，加到電動機定子繞組上的電壓低于加到電動機定子繞組上的電壓低于電源電壓，達到降壓調速的目的。電源電壓，達到降壓調速的目的。由額定轉速向低調速

11、。由額定轉速向低調速。線路簡單、操作方便。線路簡單、操作方便。 應用：吊扇。應用：吊扇。電容運轉電動機在調速范圍不大時，電容運轉電動機在調速范圍不大時，普遍采用定子繞組抽頭調速。定子普遍采用定子繞組抽頭調速。定子槽中嵌有工作繞組槽中嵌有工作繞組W W1 1W W2 2、啟動繞組、啟動繞組S S1 1S S2 2和調速繞組和調速繞組D D1 1D D2 2。通過改變調速繞組與工作繞組、啟通過改變調速繞組與工作繞組、啟動繞組的連接方式，調節(jié)相位差來動繞組的連接方式，調節(jié)相位差來實現(xiàn)調速的目的。實現(xiàn)調速的目的。2、 電動機繞組變抽頭調速電動機繞組變抽頭調速應用：臺扇、落地扇。應用：臺扇、落地扇。M典

12、型線路圖分析：經檢驗合格的家用電器產品在出廠時都附有電氣原理圖或電氣接線圖。電氣原理圖是根據電氣動作原理而繪制，臺扇的電氣原理圖多粘貼在底座的蓋板上，落地扇多粘貼在開關箱的后蓋板上，有些生產廠同時在使用說明書中給出電氣原理圖，這對電風扇的安裝使用、維修分析提供了方便。有些電氣原理圖簡單明了，很容易看懂其原理、調速方式和接線方式，而有些電氣原理圖則過于復雜，從電氣原理圖不易分清其調速方式和接線方式，給維修帶來困難。下面結合電風扇的典型接線圖進行分析介紹，以使對電動機的典型接線方式有所了解。 圖 6 - 7 臺風扇調速電路 任何物質在液化后都要放出熱量，在氣化時都要吸收熱量，這是最普遍的物理現(xiàn)象。

13、空調冰箱就是利用了這個道理，將制冷劑液化放出熱量，然后再讓他蒸發(fā)吸收熱量。液化放出熱量的位置和蒸發(fā)吸收熱量的位置不能在一處，否則沒有任何效果。因此空調就有了室外機，目的是散熱和其它主要功能。 電冰箱電路主要由壓縮機電動機、啟動器、溫控器、熱保護器等組成。壓縮機電動機一般均采用電阻啟動單相異步電動機（少量也有采用電容啟動的）, 因此它的啟動繞組只在啟動時接通電源,啟動后必須立即從電源上切除, 這通常由啟動器來完成。圖 6 - 8是普通單門電冰箱電路。當溫控器觸點接通時, 電動機開始啟動,啟動后啟動器的線圈通電才能將銜鐵吸下, 啟動器觸點斷開, 切斷啟動繞組電路, 電動機正常運轉。經過一定時間后,

14、 溫控器觸點斷開, 電動機便停止運轉。熱保護器作為電動機的過載保護。燈開關由冰箱門進行控制, 當門打開時, 燈開關閉合接通照明燈電路。圖 6 8 電冰箱調速電路 洗衣機電路主要由電動機和定時控制器兩大部分組成, 電動機均為電容運轉式單相異步電動機。對于需要正反轉的洗衣機電動機, 工作繞組和啟動繞組完全一樣, 只要改變電容器與兩繞組的串接順序, 電動機就能實現(xiàn)正反轉。圖6 - 9是單缸洗衣機控制電路。K1、K2、K3 是發(fā)條式定時器的觸點, 由它們來控制洗滌時間和正反轉。S1 是選擇弱強洗的轉換開關, 借助于定時器 K2或K3 通斷時間長短的不同, 可控制強洗或弱洗。有關強洗、中洗和弱洗的工作情

15、況如下： 強洗：波輪單向連續(xù)轉動，洗滌時產生強烈的渦流沖刷衣物。波輪轉動時間的長短由定時器控制，最長不超過15分鐘。適用于洗滌較臟的工作服、床單及粗厚衣物。 中洗：波輪以自動間歇正反向轉動，產生中等渦流沖刷衣物進行洗滌。正或反轉2530秒，間歇35秒。適用于洗滌棉麻織物、化纖混紡衣物。 弱洗：波輪以自動間歇正反向轉動，產生柔和渦流沖刷衣物進行洗滌。正或反轉35秒，間停57秒。適用于洗滌絲綢、毛紡等柔質衣物。從以上可知，洗衣機的洗滌強度，既強洗、中洗和弱洗，與電風扇送風強度是有本質區(qū)別的。電風扇是以改變電動機的轉速來獲得不同的風量，而洗衣電風扇是以改變電動機的轉速來獲得不同的風量，而洗衣機的強、

16、中、弱洗并非通過電動機轉速改變來獲得，它是通過控制電動機的機的強、中、弱洗并非通過電動機轉速改變來獲得，它是通過控制電動機的運轉與停止的時間長短來實現(xiàn)的運轉與停止的時間長短來實現(xiàn)的。圖 6 - 9 洗衣機調速電路6. 2 三相同步電動機三相同步電動機 交流電機分為異步電機和同步電機兩大類。在前面我們已講述了交流異步電機, 本節(jié)簡要介紹同步電機。同步電機又可分為同步發(fā)電機、同步電動機和同步補償機（調相機）三種。發(fā)電廠用的發(fā)電機都是同步發(fā)電機。三相同步電動機主要用于功率較大, 轉速不需要調節(jié)的生產機械中,如空氣壓縮機、大型水泵等。同步電動機由于具有啟動比較困難, 不易調速等缺點, 限制了它的應用,

17、 但可通過改變勵磁電流來改善電網的功率因數(shù), 因此也得到了廣泛應用。近年來 , 由于交流變頻技術的發(fā)展, 解決了電源變頻的問題,從而使同步電動機的啟動和調速問題得到了解決, 同步電動機得到了更為廣泛的應用。同步電機還可作同步補償機用 ，專門用來改善電網的功率因數(shù)。同步電機無論作何種用途, 有一個共同的特點是它的轉速總等于定子旋轉磁場的同步轉速, 即pfnn1160因此, 這種電機稱為同步電機。( 6 - 1)6. 2. 1 三相同步電動機的基本結構三相同步電動機的基本結構 同步發(fā)電機、同步電動機和同步補償機, 它們的結構相同, 均是由定子和轉子兩部分組成的。 1 定子定子 同步電機的定子與異步

18、電機的定子的結構基本相同,是由定子鐵心、定子繞組（電樞繞組）、機座和端蓋等組成的。鐵心是由硅鋼片疊成的, 大型同步電機由于尺寸較大, 硅鋼片沖制成扇形(如圖6 -10所示) , 然后拼疊成圓形。電樞繞組是三相對稱繞組, 有些大型高壓電機的絕緣要求較高。機座和端蓋與三相異步電動機的相同。圖 6 -10 定子扇形硅鋼片沖片 2 轉子轉子 同步電機的轉子與異步電機的轉子不同, 它由轉子鐵心、轉子繞組（勵磁繞組）和滑環(huán)組成。通過電刷和滑環(huán)給轉子上的勵磁繞組通入直流勵磁電流, 就可使轉子產生固定極性的磁極。同步電機的轉子結構形式有兩種, 即凸極式和隱極式。 凸極式轉子如圖6 -11(a)所示, 磁極鐵心

19、用硅鋼片沖壓疊成 , 磁極上裝有直流勵磁繞組, 繞組的連接應使轉子的磁極極性 N 和 S 在電機圓周上交替排列, 勵磁電流通過電刷和滑環(huán)通入勵磁繞組。凸極式轉子的特點是 , 轉子與定子之間的氣隙不均勻 , 結構簡單 , 制造方便 , 但機械強度較差 , 適用于低速同步電機 , 如水輪發(fā)電機和低速的同步電動機等。圖 6 -11 同步電機的轉子結構 (a) 凸極式； (b) 隱極式 隱極式轉子如圖6 -11(b)所示 , 轉子呈圓柱形, 無明顯的磁極, 轉子和轉軸是由整塊的鋼加工成統(tǒng)一體。在圓周上約有2/3的部分銑有齒和槽, 槽內嵌放同心式直流勵磁繞組, 沒有開槽的 1/3 部分稱為大齒, 是磁極

20、的中心區(qū)域。勵磁繞組也是通過電刷和滑環(huán)與直流電源相連接。隱極式轉子的特點是, 轉子與定子之間的氣隙均勻,制造工藝比較復雜, 機械強度較好, 適用于極少數(shù)高速的同步電機, 如汽輪發(fā)電機。 另外, 在同步電機轉子的表面,都裝有類似籠型異步電動機轉子的短路繞組, 在同步發(fā)電機中稱為阻尼繞阻, 在正常運行中起穩(wěn)定作用。在同步電動機中稱之為啟動繞組。在異步啟動時起啟動作用, 啟動后同步運行時起穩(wěn)定作用。 6. 2. 2 三相同步電動機的工作原理三相同步電動機的工作原理 當同步電動機的定子三相繞組接到三相對稱電源上時, 三相繞組中流入三相對稱電流, 由磁場理論知道, 它將產生一個圓形旋轉磁場, 如果轉子已

21、經通入直流勵磁電流產生了固定的磁極極性, 且轉子轉速接近于旋轉磁場的同步轉速, 根據同名磁極相斥、異名磁極相吸的原理, 旋轉磁場磁極對轉子磁極產生的磁拉力則牽引著轉子以同步轉速旋轉, 即n = n1 , 如圖6 -12所示, 這就是同步電動機的簡單工作原理。由于轉子的轉速與旋轉磁場的轉速相同, 故稱為同步電動機。圖 6 -12 同步電動機的工作原理6. 2. 3 三相同步電動機的相量圖與電磁功率三相同步電動機的相量圖與電磁功率 凸極式同步電動機與隱極式同步電動機的不同之處是凸極式電動機轉子有明顯的磁極, 氣隙不均勻, 電樞磁動勢處于氣隙圓周的不同位置時遇到的磁阻不同。當定、轉子磁極軸線重合時（

22、 0）, 轉子處于直軸軸線位置, 這時磁路的氣隙最小, 磁阻也最小, 對應的電抗值最大, 稱之為直軸同步電抗, 以Xq表示。當定、轉子磁極軸線相差 90電角度時, 轉子處于交軸軸線位置,這時的磁路氣隙最大, 磁阻也最大, 相應的電抗值最小, 稱之為交軸同步電抗, 以 Xq表示。當定、轉子磁極軸線相差的角度處于上述兩位置之間時, 相應的磁阻及電抗也處于兩者之間， 隨位置的不同而變化。 若不計定子繞組電阻壓降, 凸極式同步電動機的電動勢平衡方程式為（在此不作分析推導）qqdd01jjXIXIEU( 6 2 )式中: 定子相電壓； 定子感應的相電動勢； 定子相電流的直軸分量； 定子相電流的交軸分量；

23、 Xd 直軸同步電抗； Xq 交軸同步電抗。1U0EdIqI圖 6 -13 凸極式同步電動機的相量圖 根據式（6 -2）可畫出凸極式同步電動機的相量圖 , 如圖6 -13所示。圖中 是功率因數(shù)角, 是內功率因數(shù)角, 是功率角, 三者之間的關系為 。 經過推導, 凸極式同步電動機的電磁功率與功率角的關系為2sin1123sin3dq21d01emXXUXEUP( 6 3 ) 對于隱極式同步電動機, 轉子無明顯的磁極, 直軸同步電抗與交軸同步電抗相等, 即 Xd = Xq = Xt , Xt 稱為隱極式同步電動機的同步電抗。 由式（6-2）可得隱極式同步電動機的電動勢平衡方程式為t10tqtd01

24、jjjXIEXIXIEU( 6 4 )由式（6-3）可得隱極式同步電動機的電磁功率公式為 sin3t01emXEUP( 6 -5 )6. 2. 4 同步電動機的同步電動機的V形曲線及功率因數(shù)調節(jié)形曲線及功率因數(shù)調節(jié) 在同步電動機定子繞組所加電壓、頻率和電動機輸出的功率恒定不變的情況下, 調節(jié)轉子勵磁電流, 定子繞組電流的大小和相位也隨之發(fā)生變化, 因此可改變電動機在電網上的性質, 從而提高和改善電網的功率因數(shù)。同步電動機的 V 形曲線是指電動機定子繞組的電壓、頻率和輸出功率恒定不變, 調節(jié)勵磁電流時, 定子電樞電流與勵磁電流的關系曲線 I = f ( If ) , 其形狀如同“ V ” 字,

25、故稱為 V 形曲線。電動機的負載功率不同 , V 形曲線的相應位置也不同。下面以隱極式同步電動機為例, 利用相量圖分析 V 形曲線的變化規(guī)律, 分析結論同樣適用于凸極式同步電動機。 當隱極式同步電動機輸出功率恒定不變時, 忽略定子繞組的電阻, 不計定子鐵損耗和各種雜散損耗的微弱變化, 則電動機的電磁功率和輸入功率相等, 且保持不變, 即sin3t01emXEUP( 6 5 )圖6 -14 恒功率、調勵磁時隱極式電動機的相量圖 由于電網電壓 U1 和同步電抗 Xt 均為常數(shù), 因此 E0 和 也為常數(shù)。根據隱極式同步電動機的電動勢平衡方程式作其相量圖, 如圖 6 -14所示。當調節(jié)直流勵磁電流時

26、, 因 不變, 表示 相量的端點軌跡將在 AB 垂直線上移動。因 不變, 表示 相量的端點軌跡將在 CD 水平線上移動。調節(jié)勵磁電流為正常勵磁時, 電動勢為 , 電動機的 , 電樞電流全部為有功電流,電流值最小。當勵磁電流大于正常勵磁電流時（即過勵）, 將增大至 , 定子電流為sincos1I0Esin0Ecos1I1I0E1cos 0E0E , 在相位上超前電壓 一個角度 ,它除了含有原來的有功電流外, 還從電網吸取超前的無功電流, 因此電樞電流增加, 1（超前）, 電動機為容性負載。當勵磁電流小于正常勵磁電流時（即欠勵）, 將減小至 , 定子電流為 , 在相位上滯后 一個角度 , 它除了含

27、有原來的有功電流外, 還從電網吸取滯后的無功電流, 電樞電流也增加, 1（滯后）,電動機為感性負載。1I1I1U1cos0E 0E I 1I1U2cos圖 6 -15 同步電動機的 V 形曲線 由以上分析可知, 在輸出功率一定時, 定子電流 I1隨勵磁電流 If 的變化關系曲線是 V 字形, 故稱為同步電動機的 V 形曲線, 如圖6 -15所示。由圖可知, 正常勵磁時, =1，電樞電流最小；欠勵磁時, 功率因數(shù)是滯后性的；過勵磁時, 功率因數(shù)是超前性的。當輸出功率一定時, E0 =常數(shù)。當調節(jié)勵磁電流 If 小到一定程度時, E0 也隨之減小到一定程度, 功率角增至90。如果 If 再減小,

28、隱極式同步電動機就不能穩(wěn)定運行, 如圖 6 -15所示中表示出的電動機不穩(wěn)定區(qū)的界線。 cossin 調節(jié)勵磁電流不但可以調節(jié)無功電流和無功功率的大小, 還可調節(jié)無功電流和無功功率的性質（功率因數(shù)）, 這是同步電動機的重要特點。一般電網的負載大多數(shù)為感性負載, 它們從電網吸收感性無功功率。在一般情況下, 使用同步電動機時, 讓它運行在過勵狀態(tài), 從電網中吸取容性無功功率, 使電網的功率因數(shù)得到改善。6. 2. 5 同步電動機的啟動同步電動機的啟動 同步電動機的電磁轉矩是由定子旋轉磁場和轉子勵磁磁場之間相互作用而產生的。只有兩者相對靜止時, 才能產生穩(wěn)定的電磁轉矩。當同步電動機轉子加上直流勵磁,

29、 定子加上交流電壓啟動時, 定子產生的高速旋轉磁場掃過不動的轉子磁極, 平均電磁轉矩為零。因為轉子機械慣量很大, 不可能像定子旋轉磁場那樣, 一瞬間加速到定子旋轉磁場的速度, 因而定子旋轉磁場的磁極只能迅速掃過轉子交叉布置的各個不同極性(N、S)的磁極, 產生吸引力和推斥力, 吸引力和推斥力相互作用, 使轉子產生的電磁轉矩平均值為零。所以, 同步電動機無自啟動能力, 不能自行啟動,要啟動同步電動機, 必須采取一定的啟動措施。 同步電動機的啟動方法有輔助電動機啟動法、變頻啟動法和異步啟動法三種。 1 輔助電動機啟動法輔助電動機啟動法 輔助電動機啟動法是用一臺輔助電動機來拖動同步電動機, 將同步電

30、動機的轉子拖動至接近同步轉速時, 然后將同步電動機并入電網, 撤出輔助電動機, 最后再加上機械負載。這一方法適合于空載啟動。 2 變頻啟動法變頻啟動法 變頻啟動法是利用大功率可調頻率的電源進行啟動的。啟動時, 首先給轉子加上直流勵磁, 然后給定子加上較低頻率的電壓, 低頻電源產生較低轉速的旋轉磁場就可以拖動轉子轉動起來, 其次逐漸提高電源頻率, 轉子轉速也逐步提高, 直至電動機要求的轉速。 3 異步啟動法異步啟動法 異步啟動法是在凸極式同步電動機磁極的極靴上開有若干個槽 , 槽中裝有銅導條,在轉子的兩個端面上各用一個短路的銅環(huán)將銅導條連接起來, 構成一個完整的籠型繞組, 稱為啟動繞組（兼作阻尼

31、繞組）。啟動時,通過這個啟動繞組, 根據異步電動機的原理可獲得啟動轉矩, 使電動機啟動, 當轉速升至接近同步轉速時再加上直流勵磁, 產生同步轉矩將轉子牽入同步運行。 同步電動機異步啟動法的原理線路圖如圖 6 -16 所示。其啟動過程分為以下三個步驟： 圖 6 -16 同步電動機異步啟動法的原理線路圖 （1）首先將勵磁繞組與一個是勵磁繞組電阻10倍的大電阻（10Rf）串接成閉合回路, 即將圖 6 -16中 S2合向左邊。這是因為勵磁繞組匝數(shù)較多,若啟動時將它開路, 在旋轉磁場的作用下, 勵磁繞組中產生很高的感應電壓, 導致勵磁繞組的絕緣擊穿和危及人身安全。如果將勵磁繞組直接短路, 則產生一個較大

32、的感應電流, 它與旋轉磁場相互作用, 產生一個較大的附加轉矩, 影響電動機啟動。 （2）同步電動機定子繞組接通三相交流電壓, 定子繞組電流產生的旋轉磁場與轉子啟動繞組中產生的感應電流相互作用, 產生電磁轉矩（這與異步電動機的工作原理相同）, 同步電動機便開始異步啟動。 （3）當同步電動機異步啟動, 轉速升至同步轉速的 95左右時, 將開關 S2 合向右邊, 轉子勵磁繞組中通入勵磁電流, 產生轉子勵磁磁場, 同時定子旋轉磁場與轉子勵磁磁場的速度非常接近, 依靠兩磁場間的相互吸引力把轉子拉住, 從而產生電磁轉矩, 使轉子跟著定子旋轉磁場以同步轉速旋轉, 即牽入同步運行。 同步電動機在異步啟動時,

33、和異步電動機一樣需要限制啟動電流, 可采用定子串電抗或自耦變壓器等啟動方法。 同步電動機的啟動過程較為復雜, 且準確度要求高, 現(xiàn)普遍采用晶閘管勵磁系統(tǒng), 可以使同步電動機啟動過程實現(xiàn)自動化。 *6. 3 單相（微型）同步電動機單相（微型）同步電動機 單相(微型)同步電動機與普通同步電動機一樣, 具有轉速恒定的特點, 在轉速恒定的傳動裝置中得到廣泛的應用。單相(微型)同步電動機也是由定子和轉子兩部分組成的。定子的結構與單相或三相異步電動機的相同, 定子繞組通入電流, 建立旋轉磁場。根據轉子的結構形式和所采用的材料不同, 單相(微型)同步電動機可分為永磁式、磁阻式（反應式）和磁滯式等類型。下面分

34、別介紹這些類型的同步電動機。 6. 3. 1 永磁式微型同步電動機永磁式微型同步電動機 永磁式微型同步電動機的定子與異步電動機相同,轉子是由永久磁鐵制成的, 結構形式有凸極式和穩(wěn)極式,磁極N、S沿圓周交替排列, 如圖 6 -17 所示。當定子繞組接通電源時, 定子就產生旋轉磁場, 吸引轉子轉動, 轉子轉速與旋轉磁場轉速相同。在運行時 , 當轉子上的負載轉矩增大時, 定子磁場磁極軸線與轉子磁極軸線之間的夾角相應增大 ; 當轉子上的負載轉矩減小時, 夾角 相應減小 , 則轉速始終恒定不變。 1-永久磁鐵 ; 2-籠型繞組圖 6 -17 永磁式微型同步電動機的轉子 永磁式微型同步電動機也不能自行啟動

35、 , 為了能夠自行啟動 , 轉子上也裝設籠型繞組, 如圖 6 -17所示,定子接通電源, 轉子產生電磁轉矩異步啟動, 待轉子轉速接近同步轉速時, 轉子自動被牽入同步, 此時籠型繞組也就不起作用了。 永磁式微型同步電動機結構簡單、體積小、耗電少、轉速較低, 在自動儀表中被廣泛應用。6. 3. 2 磁阻式（反應式）同步電動機磁阻式（反應式）同步電動機 磁阻式同步電動機的轉子由鐵磁材料制成, 無磁性,但是有直軸和交軸之分, 直軸（縱軸）方向的磁阻小, 交軸（橫軸）方向的磁阻大。如圖6 -18所示為磁阻式轉子的幾種不同形式。圖6 -18 (a)為凸極結構, 直軸和交軸氣隙大小不同, 因此磁阻不同, 稱

36、為外反應式。圖6 -18(b)為圓形結構, 雖氣隙均勻, 但內部開有反應槽, 使交軸磁阻遠大于直軸磁阻, 稱為內反應式。圖6 -18 (c)為凸極結構, 但又在內部開有反應槽 , 使直軸和交軸磁阻差別更大 , 稱為內外反應式。另外 , 在轉子上都裝有籠型的啟動繞組。 1-鐵心; 2-反應槽; 3-籠型導條孔 圖 6 -18 磁阻式同步電動機轉子沖片(a) 外反應式； (b) 內反應式； (c) 內外反應式 反應式同步電動機的定子繞組接通電源后, 氣隙中建立旋轉磁場, 轉子在旋轉磁場的作用下, 產生電磁拉力而形成磁阻轉矩（亦稱反應轉矩）, 拖動轉子同步旋轉。磁阻轉矩的產生解釋如下： 如圖6 -1

37、9(a)所示, 如果轉子軸線與旋轉磁場的軸線重合, 這時轉子雖也被磁化, 但氣隙磁場不被扭曲, 在這種情況下, 轉子只有徑向磁拉力, 而沒有切向磁拉力, 轉子無電磁轉矩產生。如果轉子轉過一個角度, 如圖6 -19 (b)所示, 由于旋轉磁場的磁通總是通過磁阻最小的路徑, 因此氣隙磁場被扭曲, 旋轉磁場磁極與轉子間除產生徑向磁拉力外, 還出現(xiàn)切向的磁拉力, 這種切向的磁拉力形成一種電磁轉矩, 這就是同步電動機的凸極效應,即因直軸與交軸上的磁阻不相等而產生的一種電磁轉矩, 故稱為磁阻轉矩。隱極式同步電動機不會產生這種轉矩, 如圖6 -19 (c)所示。圖 6 -19 磁阻轉矩產生的解釋 反應式同步

38、電動機也有啟動問題, 即不能自行啟動, 所以轉子裝有籠型繞組, 采用異步啟動法啟動。 反應式同步電動機的結構更為簡單, 成本低廉, 運行可靠, 在自動控制、遙控裝置、錄音機、錄像機和傳真機中被廣泛應用。 6. 3. 3 磁滯式同步電動機磁滯式同步電動機 磁滯式同步電動機的轉子鐵心由硬磁材料制成, 形狀為圓柱體或圓環(huán), 裝配在非磁性材料制成的套筒上, 如圖6 20 所示。功率較小的磁滯式同步電動機, 定子采用罩極式結構, 轉子由硬磁材料薄片組成。薄片的形狀設計成直軸與交軸, 有不同的磁阻。硬磁材料在交變磁場作用下磁化時, 表現(xiàn)為磁感應強度滯后于磁場強度的變化, 即磁滯現(xiàn)象。把硬磁材料做成的轉子放

39、入旋轉磁場之中, 就會有一個較大的磁滯轉矩產生。如圖 6 21 所示, 定子為一對磁極的旋轉磁場。當定子磁場固定不動時, 轉子處于恒定的磁化狀態(tài)。轉子硬磁材料被磁化后, 磁分子排列與定子磁場方向一致, 如圖6 -21(a)所示, 定子磁場與轉子磁分子之間只有徑向吸引力, 而無切向吸引力, 轉子不產生轉矩。如果定子磁場以同步轉速逆時針轉過一個角度, 轉子中的磁分子間因有很大的摩擦力, 不能即時跟隨旋轉磁場轉過 角, 而始終在空間上落后旋轉磁場一個角度, 這個 角稱為磁滯角。旋轉磁場軸線與轉子磁分子軸線間出現(xiàn) 角后 (如圖6 -21(b)所示) , 轉子所受的磁拉力（吸引力）除徑向分量外, 還有切

40、向分量, 這個切向分量便形成轉矩, 稱為磁滯轉矩 Tc , 在磁滯轉矩的作用下, 轉子順著旋轉磁場的方向旋轉。產生磁滯轉矩的條件是轉子與定子旋轉磁場間有相對運動, 即轉子轉速低于同步轉速, 電動機處于異步運行狀態(tài)。磁滯轉矩和磁滯角的大小, 取決于硬磁材料的性質, 而與轉子異步運行的速度無關,轉子在旋轉磁場的磁化下, 磁滯角是不變的, 磁滯轉矩始終保持為常數(shù)。當轉子轉速升至同步轉速運行時, 轉子不再被旋轉磁場磁化, 而是恒定磁化, 不再出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象。因為轉子是硬磁材料制成的, 具有永磁特性,這時磁滯式同步電動機就成為永磁式同步電動機。同步運行以后, 轉速恒定不變, 夾角由負載的大小決定。圖6 2

41、0磁滯式同步電動機的轉子結構圖 6 -21 硬磁材料轉子的磁化 磁滯式同步電動機的轉速低于同步轉速時, 轉子與旋轉磁場之間有相對運動, 轉子中還會出現(xiàn)渦流, 渦流與旋轉磁場作用產生渦流轉矩, 渦流轉矩與轉速成反比, 所以在啟動時, 不僅有磁滯轉矩, 而且還有渦流轉矩, 故磁滯式同步電動機能自行啟動, 而且啟動轉矩較大。 磁滯式同步電動機不僅能在同步狀態(tài)下運行, 也可在異步狀態(tài)下運行。當負載轉矩大于磁滯轉矩時, 電動機在異步狀態(tài)下運行；當負載轉矩小于磁滯轉矩時, 電動機在同步狀態(tài)下運行。一般情況都在同步狀態(tài)下運行。 磁滯式同步電動機的結構簡單, 運行可靠, 啟動性能好, 工作穩(wěn)定, 在電鐘、錄音

42、機、傳真機、自動記錄裝置中被廣泛應用。 *6. 4 直線異步電動機直線異步電動機 電動機通常都是作旋轉運動, 把電能轉換成旋轉運動的機械能,在實際中, 除絕大多數(shù)機械作旋轉運動外,還有作直線運動的機械, 當需要帶動作直線運動的機械時, 必須通過蝸輪蝸桿或齒條傳動機械將旋轉運動變?yōu)橹本€運動。直線電動機可以把電能轉換為直線運動的機械能, 對于作直線運動的生產機械, 可以省去將旋轉運動轉換為直線運動的傳動機構。 直線電動機分為交流和直流, 目前應用最多的是交流直線異步電動機, 因為它具有結構簡單, 使用方便,運行可靠等優(yōu)點, 在很多場合被應用。本節(jié)就該類電動機的工作原理和結構形式作簡要介紹。 6.

43、4. 1 直線異步電動機的工作原理直線異步電動機的工作原理 直線異步電動機的工作原理與籠型電動機的工作原理基本相同。我們設想將一臺旋轉的三相異步電動機在沿軸向的半徑上切開,并把它拉直, 就成為一臺直線異步電動機, 如圖6 - 22(a)、(b) 所示。對應于籠型電動機的定子和轉子, 在直線異步電動機中稱為初級（一次）和次級（二次）。當直線異步電動機的初級繞組通入三相對稱交流電后, 三相繞組產生的磁場不 圖 6 -22 鼠籠型異步電動機演變?yōu)橹本€異步電動機(a) 三相籠型異步電動機； (b) 剖開拉直的直線異步電動機 再是旋轉磁場, 而是按 UVW 的相序沿直線移動的一種磁場, 稱為行波磁場, 如圖 6-23 所示。行波磁場的移動線速度與旋轉磁場的線速度是相同的, 即11