同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機(jī)基本相同，轉(zhuǎn)子也分凸極和隱極。但大多數(shù)同步電動(dòng)機(jī)為凸極式。安裝形式也分臥式和立式。為了解決同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)問題，在其轉(zhuǎn)子上一般裝有起動(dòng)繞組。它還可以在運(yùn)行中抑制振蕩,故又稱阻尼繞組。除了上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)外，還有一種無滑動(dòng)接觸的爪極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。 以6極電機(jī)為例，在轉(zhuǎn)軸上相向地裝上兩組爪形磁極。一組在爪盤上沿軸向向右伸出3個(gè)極身；另一組反向安裝在右邊,使爪盤上沿軸向向左伸出3個(gè)極身。 兩組磁極的極性相反。磁極的外圓周表面裝配后，不再象一般凸極電機(jī)那樣呈圓瓦面，而是楔形瓦面，即一端的極弧較另一端長，整個(gè)轉(zhuǎn)子形狀如圖1。勵(lì)磁繞組裝在兩側(cè)磁軛外緣。它產(chǎn)生的磁通經(jīng)過N、S極間的側(cè)向主氣隙gm、轉(zhuǎn)子和定子間的軸向氣隙g1和g2，再經(jīng)端蓋和機(jī)座而閉合。為防止磁通經(jīng)轉(zhuǎn)軸短路，轉(zhuǎn)軸應(yīng)采用非磁性鋼；或把轉(zhuǎn)軸分成3段，中間一段為非磁性鋼。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)部分沒有繞組，也無集電環(huán)和電刷之間的滑動(dòng)接觸，故運(yùn)行可靠，絕緣結(jié)構(gòu)簡單，維修也方便。但它的主磁路長且有較多氣隙，使勵(lì)磁所需功率增大；電機(jī)外殼有強(qiáng)磁性，這會(huì)引起軸承發(fā)熱；而轉(zhuǎn)軸也必須采用隔磁措施。因此這種電機(jī)并未獲得普遍推廣，只在某些特殊場合下使用，一般容量不超過幾百千瓦。

由于同步電機(jī)可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使它在超前功率因數(shù)下運(yùn)行，有利于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，因此，大型設(shè)備，如大型鼓風(fēng)機(jī)、水泵、球磨機(jī)、壓縮機(jī)、軋鋼機(jī)等，常用同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。低速的大型設(shè)備采用同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，這一優(yōu)點(diǎn)尤為突出。此外，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速完全決定于電源頻率。頻率一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也就一定，它不隨負(fù)載而變。這一特點(diǎn)在某些傳動(dòng)系統(tǒng)，特別是多機(jī)同步傳動(dòng)系統(tǒng)和精密調(diào)速穩(wěn)速系統(tǒng)中具有重要意義。同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性也比較高。同步電動(dòng)機(jī)一般是在過勵(lì)狀態(tài)下運(yùn)行，其過載能力比相應(yīng)的異步電動(dòng)機(jī)大。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，而同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩決定于電壓和電機(jī)勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的內(nèi)電動(dòng)勢的乘積，即僅與電壓的一次方成比例。當(dāng)電網(wǎng)電壓突然下降到額定值的80%左右時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩往往下降為64%左右，并因帶不動(dòng)負(fù)載而停止運(yùn)轉(zhuǎn)；而同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩卻下降不多，還可以通過強(qiáng)行勵(lì)磁來保證電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

同步電動(dòng)機(jī)僅在同步轉(zhuǎn)速下才能產(chǎn)生平均的轉(zhuǎn)矩。如在起動(dòng)時(shí)立即將定子接入電網(wǎng)而轉(zhuǎn)子加直流勵(lì)磁，則定子旋轉(zhuǎn)磁場立即以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子磁場因轉(zhuǎn)子有慣性而暫時(shí)靜止不動(dòng)，此時(shí)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩將正負(fù)交變而其平均值為零，故電動(dòng)機(jī)無法自行起動(dòng)。要起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)須借助其他方法，主要有以下兩種方法。

①異步起動(dòng)法：在電動(dòng)機(jī)主磁極極靴上裝設(shè)籠型起動(dòng)繞組。起動(dòng)時(shí)，先使勵(lì)磁繞組通過電阻短接，而后將定子繞組接入電網(wǎng)。依靠起動(dòng)繞組的異步電磁轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)機(jī)升速到接近同步轉(zhuǎn)速，再將勵(lì)磁電流通入勵(lì)磁繞組，建立主極磁場，即可依靠同步電磁轉(zhuǎn)矩，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子牽入同步轉(zhuǎn)速。

②輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)法：通常選用與同步電動(dòng)機(jī)同極數(shù)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（容量約為主機(jī)的10～15%）作為輔助電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)主機(jī)到接近同步轉(zhuǎn)速，再將電源切換到主機(jī)定子，勵(lì)磁電流通入勵(lì)磁繞組，將主機(jī)牽入同步轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同的交流電機(jī)。其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與磁極對數(shù)p、電源頻率f之間滿足n=60f/p。轉(zhuǎn)速n決定于電源頻率f，故電源頻率一定時(shí)，轉(zhuǎn)速不變，且與負(fù)載無關(guān)。具有運(yùn)行穩(wěn)定性高和過載能力大等特點(diǎn)。常用于多機(jī)同步傳動(dòng)系統(tǒng)、精密調(diào)速穩(wěn)速系統(tǒng)和大型設(shè)備(如軋鋼機(jī))等。

同步電動(dòng)機(jī)是屬于交流電機(jī)，定子繞組與異步電動(dòng)機(jī)相同。它的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動(dòng)機(jī)。正由于這樣，同步電動(dòng)機(jī)的電流在相位上是超前于電壓的，即同步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)容性負(fù)載。為此，在很多時(shí)候，同步電動(dòng)機(jī)是用以改進(jìn)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)的。

同步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上大致有兩種：

轉(zhuǎn)子用直流電進(jìn)行勵(lì)磁

它的轉(zhuǎn)子做成顯極式的，安裝在磁極鐵芯上面的磁場線圈是相互串聯(lián)的，接成具有交替相反的極性，并有兩根引線連接到裝在軸上的兩只滑環(huán)上面。磁場線圈是由一只小型直流發(fā)電機(jī)或蓄電池來激勵(lì)，在大多數(shù)同步電動(dòng)機(jī)中，直流發(fā)電機(jī)是裝在電動(dòng)機(jī)軸上的，用以供應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極線圈的勵(lì)磁電流。

由于這種同步電動(dòng)機(jī)不能自動(dòng)啟動(dòng)，所以在轉(zhuǎn)子上還裝有鼠籠式繞組而作為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之用。鼠籠繞組放在轉(zhuǎn)子的周圍，結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)相似。

當(dāng)在定子繞組通上三相交流電源時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)就產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，鼠籠繞組切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)之后，其速度慢慢增高到稍低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁場線圈經(jīng)由直流電來激勵(lì)，使轉(zhuǎn)子上面形成一定的磁極，這些磁極就企圖跟蹤定子上的旋轉(zhuǎn)磁極，這樣就增加電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的速率直至與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)為止。

轉(zhuǎn)子不需要?jiǎng)?lì)磁的同步電機(jī)

轉(zhuǎn)子不勵(lì)磁的同步電動(dòng)機(jī)能夠運(yùn)用于單相電源上，也能運(yùn)用于多相電源上。這種電動(dòng)機(jī)中，有一種的定子繞組與分相電動(dòng)機(jī)或多相電動(dòng)機(jī)的定子相似，同時(shí)有一個(gè)鼠籠轉(zhuǎn)子，而轉(zhuǎn)子的表面切成平面。所以是屬于顯極轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子磁極是由一種磁化鋼做成的，而且能夠經(jīng)常保持磁性。鼠籠繞組是用來產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的，而當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)到一定的轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子顯極就跟住定子線圈的電流頻率而達(dá)到同步。顯極的極性是由定子感應(yīng)出來的，因此它的數(shù)目應(yīng)和定子上極數(shù)相等，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到它應(yīng)有的速度時(shí)，鼠籠繞組就失去了作用，維持旋轉(zhuǎn)是靠著轉(zhuǎn)子與磁極跟住定子磁極，使之同步。

1、直線同步電動(dòng)機(jī)在磁懸浮列車上的應(yīng)用

直線同步電動(dòng)機(jī)一個(gè)最典型的應(yīng)用是磁浮列車的牽引。它所具有的高速、舒適、安全、無污染、無噪聲、無振動(dòng)、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)越來越獲得人們的青睞。圖22是長定子直線同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)磁浮列車的外形圖。

圖中驅(qū)動(dòng)部分為直線同步電動(dòng)機(jī)。初級(定子組)安裝在線路上，使車輛更輕，供電方便，技術(shù)更為簡單。懸浮線圈產(chǎn)生電磁吸引力，將車輛從下面拉向軌道，并保持一定的垂直距離。導(dǎo)向線圈產(chǎn)生的磁力則使車輛與軌道有一定的側(cè)向距離。這一切均可通過一整套高精度的電子調(diào)整系統(tǒng)保證車輛始終不變地定向懸浮在10～15mm并直線運(yùn)動(dòng)。懸浮和導(dǎo)向系統(tǒng)以及車上設(shè)備的用電由懸浮直線發(fā)電機(jī)供給。如超導(dǎo)懸浮，則可使車輛懸浮到100mm以上。

2、永磁直線同步電動(dòng)機(jī)在精密加工中的應(yīng)用

為了提高生產(chǎn)力和改善加工質(zhì)量，超高速、超高精度加工是關(guān)鍵。目前對數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度要求已從6～8m/min提高到大于50～60m/min，加速度要求達(dá)到1～5g。這個(gè)指標(biāo)對具有中間傳動(dòng)和變換環(huán)節(jié)的傳統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是無法實(shí)現(xiàn)的，因而需要尋找一種新的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這就使得新一代直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)末以來，從世界四大國際機(jī)床展表明，直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)不斷應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、加工中心、壓力機(jī)等是一種趨勢。

直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)具有高推力、高速、高精度、平滑進(jìn)給運(yùn)動(dòng)等特性。機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用直線同步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。與原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方式的最大區(qū)別是，取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(拖板)之間的機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，即把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，故這種傳動(dòng)方式稱為“直接驅(qū)動(dòng)”，也稱“零傳動(dòng)”。直接驅(qū)動(dòng)避免了絲杠傳動(dòng)中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛性不足等缺點(diǎn)，帶來了原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。

3、永磁直線同步電動(dòng)機(jī)在垂直升降系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)代高層建筑越建越高，地下開采越采越深，傳統(tǒng)有繩提升系統(tǒng)的缺陷越來越明顯，其提升鋼繩的機(jī)械強(qiáng)度也有個(gè)極限范圍。采用永磁直線同步電機(jī)的提升系統(tǒng)是無繩提升系統(tǒng)，有提升高度(深度)不受設(shè)備限制、設(shè)備數(shù)量少、占用空間少、提升系統(tǒng)簡化、提高系統(tǒng)效率、降低施工成本以及節(jié)約電能等特點(diǎn)。直線電機(jī)提升系統(tǒng)較鋼繩提升系統(tǒng)還有一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是可以達(dá)到后者無法達(dá)到的高速提升，縮短提升周期，提高工作效率。

運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速與所接電源頻率之比為恒定值的交流電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速

同步電動(dòng)機(jī)在不要求調(diào)速的大功率生產(chǎn)機(jī)械中用得很多，例如大型空氣壓縮機(jī)、粉碎機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、電動(dòng)-發(fā)電機(jī)組等，它們的功率達(dá)數(shù)千瓦甚至數(shù)萬千瓦。大功率同步電動(dòng)機(jī)與同容量的異步電動(dòng)機(jī)相比，有明顯的優(yōu)點(diǎn)：功率因數(shù)高，可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使它在超前功率因數(shù)下運(yùn)行，有利于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)；大功率低轉(zhuǎn)速的同步電動(dòng)機(jī)體積較小。

同步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為凸極式和隱極式兩種，一般都做成凸極式。如按磁極固定位置分，有磁極固定在定子上的旋轉(zhuǎn)電樞式（轉(zhuǎn)子上嵌套三相交流繞組，經(jīng)過轉(zhuǎn)軸上的集電環(huán)及電刷與外電路接通）和磁極固定在轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)磁場式，一般多做成旋轉(zhuǎn)磁場式。同步電動(dòng)機(jī)的磁極一般由直流電流勵(lì)磁；也有用永磁體的，稱為永磁同步電動(dòng)機(jī) 。

不帶機(jī)械負(fù)載，只向電網(wǎng)提供或吸收無功功率，運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的同步電動(dòng)機(jī)稱為同步調(diào)相機(jī)或同步補(bǔ)償機(jī)，用于改善電網(wǎng)功率因數(shù)，維持電網(wǎng)電壓水平 。