第9章小功率同步電動(dòng)機(jī)

1、第9章 小功率同步電動(dòng)機(jī)9.1 概述直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是隨電機(jī)軸上所帶的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩或者加在控制繞組上的信號(hào)電壓的改變而變化的。但是在有些控制設(shè)備和自動(dòng)裝置中，往往要求電動(dòng)機(jī)具有恒定不變的轉(zhuǎn)速，即要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載和電壓的變化而變化。同步電動(dòng)機(jī)就是具有這種特性的電動(dòng)機(jī)。目前，功率從零點(diǎn)幾瓦到數(shù)百瓦的各種同步電動(dòng)機(jī)，在需要恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)控制裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。例如它們用于自動(dòng)和遙控裝置，無(wú)線(xiàn)電通訊設(shè)備，同步聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，磁帶錄音和鐘表工業(yè)等。小功率同步電動(dòng)機(jī)是交流電動(dòng)機(jī)，在結(jié)構(gòu)上主要也是由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成的。當(dāng)定子三相或兩相繞組通入三相或兩相電流時(shí)，電機(jī)中就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁

2、場(chǎng)的轉(zhuǎn)速即為同步轉(zhuǎn)速，以下式表示：罩極式定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生A工作繞組； B短路環(huán)圖9 1 罩極式電動(dòng)機(jī)的定子(a) 兩極； (b) 四極圖9 - 2 罩極式電動(dòng)機(jī)的磁通及其相量圖圖9-3 磁通的分解9.2 永磁式同步電動(dòng)機(jī) 圖 9 - 4 永磁式同步電動(dòng)機(jī)的工作原理旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步速ns朝著圖示的轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)N極與S極互相吸引的道理，定子旋轉(zhuǎn)磁極就要與轉(zhuǎn)子永久磁極緊緊吸住，并帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子是由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶著轉(zhuǎn)的，因而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速應(yīng)該與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速(即同步速ns)相等。當(dāng)轉(zhuǎn)子上的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，定子磁極軸線(xiàn)與轉(zhuǎn)子磁極軸線(xiàn)間的夾角就會(huì)相應(yīng)增大；當(dāng)負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩減小時(shí)，夾角又會(huì)減小。兩對(duì)磁極

3、間的磁力線(xiàn)如同彈性的橡皮筋一樣。盡管負(fù)載變化時(shí)，定、轉(zhuǎn)子磁極軸線(xiàn)之間的夾角會(huì)變大或變小，但只要負(fù)載不超過(guò)一定限度，轉(zhuǎn)子就始終跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以恒定的同步速ns轉(zhuǎn)動(dòng)，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為永磁式同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)比較困難圖9 5 永磁式同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩綜上所述，影響永磁式同步電動(dòng)機(jī)不能自行起動(dòng)的因素主要有下面兩個(gè)方面：(1) 轉(zhuǎn)子本身存在慣性； (2) 定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間轉(zhuǎn)速相差過(guò)大。為了使永磁式同步電動(dòng)機(jī)能自行起動(dòng)，在轉(zhuǎn)子上一般都裝有起動(dòng)繞組。但如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子本身慣性不大，或者是多極的低速電機(jī)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不很大， 那末永磁式同步電動(dòng)機(jī)不另裝起動(dòng)繞組還是會(huì)自己起動(dòng)的。圖 9 - 6 永磁式同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

4、子結(jié)構(gòu)Surface PM Motor with No Rotor SaliencyInset PM Motor with Teeth Between Magnets toCreate Rotor SaliencyInterior PM MachineMagnetic field in the cross-section of a 3-phase 9-slot 6-pole electronicallycontrolled IPM motor. Coils are wound around every tooth and inter-connected toproduce a concentr

5、ated type winding.Interior PM Motor with Rotor Saliency via a SingleFlux BarrierInterior PM Motor with Multiple Flux Barrier Rotor SaliencyInterior PM Motor with Rotor Saliency via a Single Flux Barrier-and a Squirrel Cage Winding for StartingStator and cut-away rotor for a 2-pole line-fed IPM motor

6、,which operates at synchronous speed without electronic controls. The rotor includes a squirrel cage and PMs隨著永磁材料性能的不斷提高，高性能低價(jià)格永磁材料(如釹鐵硼)的出現(xiàn)， 使永磁式同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍更加擴(kuò)大。與其它型式同步電動(dòng)機(jī)相比，它出力大，體積小，耗電小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，因而已成為同步電動(dòng)機(jī)中最主要的品種。 目前功率從幾瓦到幾百瓦，甚至是幾個(gè)千瓦的永磁同步電動(dòng)機(jī)在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 9.3 反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)9.3.1 工作原理反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)為磁阻電動(dòng)機(jī)。

7、這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子本身是沒(méi)有磁性的， 只是依靠轉(zhuǎn)子上兩個(gè)正交方向磁阻的不同而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩(這種轉(zhuǎn)矩一般稱(chēng)為反應(yīng)轉(zhuǎn)矩)的。圖9 - 7所表示的凸極轉(zhuǎn)子就是這種轉(zhuǎn)子。圖9 7 反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)的工作原理與永磁式同步電動(dòng)機(jī)一樣，反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)也比較困難。反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子1鼠籠條； 2鐵心圖 9 - 12 反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子9.4 磁滯式同步電動(dòng)機(jī)9.4.1 作用原理1）軟磁材料 矯頑力小于100A/m 作為導(dǎo)磁部件構(gòu)成磁路：定轉(zhuǎn)子沖片等2）半硬磁材料 矯頑力小于100-1000A/m 磁滯材料：磁滯電機(jī)3）硬磁材料矯頑力大于1000A/m 作為磁源：永磁材料磁滯同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)在于它

8、的轉(zhuǎn)子鐵心不是用一般的軟磁材料，而是用硬磁材料做成的。這種硬磁材料具有比較寬的磁滯回環(huán)，也就是說(shuō)， 它的剩余磁感應(yīng)Br及矯頑磁力Hc要比軟磁材料大，單位場(chǎng)強(qiáng)的比磁滯損耗比較大，如圖9 - 13所示。圖9 13 鐵磁材料的磁滯回環(huán) 圖9 - 14表示一個(gè)用硬磁材料做成的圓柱形轉(zhuǎn)子放在一般的異步電動(dòng)機(jī)定子之中，定子所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)用一對(duì)N - S磁極來(lái)表示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步速相對(duì)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子的每一部分都要被交變地磁化，轉(zhuǎn)子中所有磁分子將跟著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向進(jìn)行排列。如果在開(kāi)始瞬間，轉(zhuǎn)子磁分子排列的方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軸線(xiàn)的方向一致，如圖9 - 14(a)所示(為了清楚起見(jiàn)，圖中只畫(huà)出兩個(gè)磁分子)，此

9、時(shí)定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子之間只有徑向力F，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)以后，轉(zhuǎn)子磁分子也要跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)?？墒?，由于轉(zhuǎn)子是由硬磁材料做成的，它的剩余磁感應(yīng)Br及矯頑磁力Hc比較大，磁分子之間具有很大的摩擦力， 因此，磁分子在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)便不能立即隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)過(guò)同樣的角度，而要落后一個(gè)角度。這樣，所有磁分子產(chǎn)生的合成磁通，也就是轉(zhuǎn)子磁通，就要落后定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一個(gè)角度，如圖9 - 14(b)所示。根據(jù)N極與S極互相吸引的道理， 在轉(zhuǎn)子上就要受到一個(gè)力F的作用。這個(gè)力可以分解為一個(gè)徑向力Fn和一個(gè)切向力Ft。其中切向力Ft就產(chǎn)生了磁滯轉(zhuǎn)矩，用TZ表示，在它的作用下，轉(zhuǎn)子就跟隨著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)起

10、來(lái)。 圖9 14 磁滯同步電動(dòng)機(jī)的工作原理 由此可見(jiàn)，磁分子軸線(xiàn)落后于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軸線(xiàn)一個(gè)角度是產(chǎn)生磁滯轉(zhuǎn)矩的根本原因，這個(gè)角度通常稱(chēng)為磁滯角。顯然，磁滯角的大小與定子磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的速度無(wú)關(guān)，它決定于轉(zhuǎn)子所用的硬磁材料的性質(zhì)。因而當(dāng)轉(zhuǎn)子在低于同步速ns運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)(常稱(chēng)異步狀態(tài)運(yùn)行)，不管轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速如何，在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的反復(fù)磁化下，轉(zhuǎn)子的磁滯角都是相同的，因此所產(chǎn)生的磁滯轉(zhuǎn)矩TZ也與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。 在異步狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，磁滯轉(zhuǎn)矩的機(jī)械特性是一條與橫軸平行的直線(xiàn)，如圖9 - 15所示。磁滯同步電動(dòng)機(jī)如果在磁滯轉(zhuǎn)矩的作用下起動(dòng)并到達(dá)同步速運(yùn)行(稱(chēng)為同步狀態(tài)運(yùn)行)，轉(zhuǎn)子相對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就不動(dòng)，也不再被交變磁化，而是被

11、恒定地磁化。 這時(shí)，轉(zhuǎn)子類(lèi)似一個(gè)永磁轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子磁通的軸線(xiàn)與定子磁場(chǎng)的軸線(xiàn)之間的夾角不是固定不變，而是可以變化的了。當(dāng)電機(jī)軸上的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩為0時(shí)，被磁化了的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁通軸線(xiàn)與定子磁場(chǎng)的軸線(xiàn)重合，電機(jī)不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，電機(jī)就要瞬時(shí)減速，定、轉(zhuǎn)子兩個(gè)磁場(chǎng)間的夾角增大，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也增大，再與負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩相平衡以同步速運(yùn)轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)矩平衡的情況與永磁式同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)完全相同。除了磁滯轉(zhuǎn)矩以外，當(dāng)轉(zhuǎn)子低于同步速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)，磁滯轉(zhuǎn)子也要切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而產(chǎn)生渦流；轉(zhuǎn)子渦流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)互相作用就產(chǎn)生渦流轉(zhuǎn)矩，用TB表示。這種渦流轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)與交流伺服電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩

12、完全相同。渦流轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而減??；當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)時(shí)，渦流轉(zhuǎn)矩為0，其機(jī)械特性如圖9 - 16所示。渦流轉(zhuǎn)矩能增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但在磁滯電動(dòng)機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子是硬磁材料，渦流轉(zhuǎn)矩與磁滯轉(zhuǎn)矩相比一般是非常小的。 圖9 - 15 磁滯轉(zhuǎn)矩的機(jī)械特性圖 9 - 16 渦流轉(zhuǎn)矩的機(jī)械特性圖9 - 17 磁滯同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 磁滯同步電動(dòng)機(jī)最可貴的特性是具有很大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因而它不要附設(shè)任何起動(dòng)繞組就能很快自己起動(dòng)。這是磁滯同步電動(dòng)機(jī)與其它類(lèi)型同步電動(dòng)機(jī)相比所具有的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)。磁滯同步電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于電鐘、電唱機(jī)、無(wú)線(xiàn)電通訊設(shè)備、自動(dòng)記錄儀器， 以及錄音、傳真、自動(dòng)及遙控裝置等，功率從分瓦到2

13、00 W，其中功率小的(50 W以下)應(yīng)用得更為廣泛。 9.5 電磁減速式同步電動(dòng)機(jī)在許多自動(dòng)裝置中，需要低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)電機(jī)(例如需要轉(zhuǎn)速為每分鐘幾十到上百轉(zhuǎn))。但是一般的同步電動(dòng)機(jī)，它們的轉(zhuǎn)速都等于同步速，即n=60f/p。 由于結(jié)構(gòu)和性能上的限制，電機(jī)的極數(shù)不能做得很多(通常都小于10)，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速就比較高；為了獲得低轉(zhuǎn)速，就要通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)減速。這樣，由于增加了齒輪機(jī)構(gòu)，不但使傳動(dòng)系統(tǒng)變得復(fù)雜，效率降低，增大了傳動(dòng)裝置的體積和重量，而且由于齒輪間不可避免地存在著間隙和磨損，就會(huì)產(chǎn)生噪音、振動(dòng)，甚至使運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。為了克服齒輪減速機(jī)構(gòu)帶來(lái)的缺點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用各種類(lèi)型的低速電動(dòng)機(jī)。這類(lèi)電機(jī)不需用齒輪減速，當(dāng)頻率為50 Hz時(shí)，從電機(jī)的輸出軸上就可以得到每分鐘幾十轉(zhuǎn)的低速，因而特別適用于需要低速轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置中。 9.5.1 反應(yīng)式電磁減速同步電動(dòng)機(jī)圖9 20 反應(yīng)式電磁減速同步電動(dòng)機(jī)當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)定子齒距到圖中矢量B所示位置時(shí)，由于磁力線(xiàn)要繼續(xù)保持自己磁路的磁阻為最小，力圖使轉(zhuǎn)子齒2和11轉(zhuǎn)到與定子齒2和10相對(duì)齊的位置，即