同步電動機

同步電動機的結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機基本相同，轉(zhuǎn)子也分凸極和隱極。但大多數(shù)同步電動機為凸極式。安裝形式也分臥式和立式。為了解決同步電動機的啟動問題，在其轉(zhuǎn)子上一般裝有起動繞組。它還可以在運行中抑制振蕩,故又稱阻尼繞組。除了上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)外，還有一種無滑動接觸的爪極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。 以6極電機為例，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，整個轉(zhuǎn)子形狀如圖1。勵磁繞組裝在兩側(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)端蓋和機座而閉合。為防止磁通經(jīng)轉(zhuǎn)軸短路，轉(zhuǎn)軸應采用非磁性鋼；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)點是旋轉(zhuǎn)部分沒有繞組，也無集電環(huán)和電刷之間的滑動接觸，故運行可靠，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，使勵磁所需功率增大；電機外殼有強磁性，這會引起軸承發(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。

同步電動機僅在同步轉(zhuǎn)速下才能產(chǎn)生平均的轉(zhuǎn)矩。如在起動時立即將定子接入電網(wǎng)而轉(zhuǎn)子加直流勵磁，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)子有慣性而暫時靜止不動，此時所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩將正負交變而其平均值為零，故電動機無法自行起動。要起動同步電動機須借助其他方法，主要有以下兩種方法。

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

②輔助電動機起動法：通常選用與同步電動機同極數(shù)的感應電動機（容量約為主機的10～15%）作為輔助電動機，拖動主機到接近同步轉(zhuǎn)速，再將電源切換到主機定子，勵磁電流通入勵磁繞組，將主機牽入同步轉(zhuǎn)速。

由于同步電機可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流使它在超前功率因數(shù)下運行，有利于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，因此，大型設備，如大型鼓風機、水泵、球磨機、壓縮機、軋鋼機等，常用同步電動機驅(qū)動。低速的大型設備采用同步電動機時，這一優(yōu)點尤為突出。此外，同步電動機的轉(zhuǎn)速完全決定于電源頻率。頻率一定時，電動機的轉(zhuǎn)速也就一定，它不隨負載而變。這一特點在某些傳動系統(tǒng)，特別是多機同步傳動系統(tǒng)和精密調(diào)速穩(wěn)速系統(tǒng)中具有重要意義。同步電動機的運行穩(wěn)定性也比較高。同步電動機一般是在過勵狀態(tài)下運行，其過載能力比相應的異步電動機大。異步電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，而同步電動機的轉(zhuǎn)矩決定于電壓和電機勵磁電流所產(chǎn)生的內(nèi)電動勢的乘積，即僅與電壓的一次方成比例。當電網(wǎng)電壓突然下降到額定值的80%左右時，異步電動機轉(zhuǎn)矩往往下降為64%左右，并因帶不動負載而停止運轉(zhuǎn)；而同步電動機的轉(zhuǎn)矩卻下降不多，還可以通過強行勵磁來保證電動機的穩(wěn)定運行。

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。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，轉(zhuǎn)速不變，且與負載無關(guān)。具有運行穩(wěn)定性高和過載能力大等特點。常用于多機同步傳動系統(tǒng)、精密調(diào)速穩(wěn)速系統(tǒng)和大型設備(如軋鋼機)等。

同步電動機是屬于交流電機，定子繞組與異步電動機相同。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，所以稱為同步電動機。正由于這樣，同步電動機的電流在相位上是超前于電壓的，即同步電動機是一個容性負載。為此，在很多時候，同步電動機是用以改進供電系統(tǒng)的功率因數(shù)的。

同步電動機在結(jié)構(gòu)上大致有兩種：

轉(zhuǎn)子用直流電進行勵磁

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)電機或蓄電池來激勵，在大多數(shù)同步電動機中，直流發(fā)電機是裝在電動機軸上的，用以供應轉(zhuǎn)子磁極線圈的勵磁電流。

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

當在定子繞組通上三相交流電源時，電動機內(nèi)就產(chǎn)生了一個旋轉(zhuǎn)磁場，鼠籠繞組切割磁力線而產(chǎn)生感應電流，從而使電動機旋轉(zhuǎn)起來。電動機旋轉(zhuǎn)之后，其速度慢慢增高到稍低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，此時轉(zhuǎn)子磁場線圈經(jīng)由直流電來激勵，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，這樣就增加電動機轉(zhuǎn)子的速率直至與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)為止。

轉(zhuǎn)子不需要勵磁的同步電機

轉(zhuǎn)子不勵磁的同步電動機能夠運用于單相電源上，也能運用于多相電源上。這種電動機中，有一種的定子繞組與分相電動機或多相電動機的定子相似，同時有一個鼠籠轉(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)生啟動轉(zhuǎn)矩的，而當電動機旋轉(zhuǎn)到一定的轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子顯極就跟住定子線圈的電流頻率而達到同步。顯極的極性是由定子感應出來的，因此它的數(shù)目應和定子上極數(shù)相等，當電動機轉(zhuǎn)到它應有的速度時，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、直線同步電動機在磁懸浮列車上的應用

直線同步電動機一個最典型的應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、節(jié)能等優(yōu)點越來越獲得人們的青睞。圖22是長定子直線同步電動機驅(qū)動磁浮列車的外形圖。

圖中驅(qū)動部分為直線同步電動機。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并直線運動。懸浮和導向系統(tǒng)以及車上設備的用電由懸浮直線發(fā)電機供給。如超導懸浮，則可使車輛懸浮到100mm以上。

2、永磁直線同步電動機在精密加工中的應用

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)控機床的進給速度要求已從6～8m/min提高到大于50～60m/min，加速度要求達到1～5g。這個指標對具有中間傳動和變換環(huán)節(jié)的傳統(tǒng)進給驅(qū)動系統(tǒng)是無法實現(xiàn)的，因而需要尋找一種新的執(zhí)行機構(gòu)。這就使得新一代直線電動機進給驅(qū)動系統(tǒng)應運而生。20世紀末以來，從世界四大國際機床展表明，直線電動機直接驅(qū)動不斷應用于數(shù)控機床、加工中心、壓力機等是一種趨勢。

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

3、永磁直線同步電動機在垂直升降系統(tǒng)中的應用

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，其提升鋼繩的機械強度也有個極限范圍。采用永磁直線同步電機的提升系統(tǒng)是無繩提升系統(tǒng)，有提升高度(深度)不受設備限制、設備數(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。直線電機提升系統(tǒng)較鋼繩提升系統(tǒng)還有一個最大優(yōu)點是可以達到后者無法達到的高速提升，縮短提升周期，提高工作效率。

運行時的轉(zhuǎn)速與所接電源頻率之比為恒定值的交流電動機。電動機運行時，轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速

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

同步電動機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點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。同步電動機的磁極一般由直流電流勵磁；也有用永磁體的，稱為永磁同步電動機 。

不帶機械負載，只向電網(wǎng)提供或吸收無功功率，運行于電動機狀態(tài)的同步電動機稱為同步調(diào)相機或同步補償機，用于改善電網(wǎng)功率因數(shù)，維持電網(wǎng)電壓水平 。