第6章单相异步电动机

1、 Yd1 Yd5 第第6章章 其他交流电动机其他交流电动机6.1 单相异步电动机单相异步电动机6.2 三相同步电动机三相同步电动机 *6.3 单相（微型）同步电动机单相（微型）同步电动机*6.4 直线异步电动机直线异步电动机思考与练习题思考与练习题6. 1 单相异步电动机单相异步电动机 单相异步电动机采用单相电源供电, 功率比较小,从几瓦到几百瓦,它广泛应用于家用电器（如电风扇、电冰箱、空调、洗衣机、吸尘器等）、医疗器械和小型机械中。生活中的单相异步生活中的单相异步电动机图片电动机图片单相定子绕组通入单相交流电单相定子绕组通入单相交流电 产生脉动磁场产生脉动磁场SNSN脉动磁场可以分解为两个大

2、小一样、转速相等、方向相反的旋转磁场F+、F-。顺时针方向转动的旋转磁场F+对转子产生顺时针方向的电磁转矩；逆时针方向转动的旋转磁场F-对转子产生逆时针方向的电磁转矩。在启动时刻这两个电磁转矩大小相等、方向相反，电动机的转子不会转动，也就是说单相异步电动机的启动转矩为零单相异步电动机的启动转矩为零。 T T T T 1 0 0 2 2 s s 单单相相异异步步电电动动机机的的机机械械特特性性 1、s=1（n=0）时，合成电磁转矩为零，无法直接启动。）时，合成电磁转矩为零，无法直接启动。2、一旦单相异步电动机转动起来，由于顺时针旋转磁场、一旦单相异步电动机转动起来，由于顺时针旋转磁场F+和逆时和

3、逆时针旋转磁场针旋转磁场F-产生的合成电磁转矩不再为零，在这个合成电磁转矩产生的合成电磁转矩不再为零，在这个合成电磁转矩的作用下，即使没有其它外在因素，单相异步电动机仍将沿着原来的作用下，即使没有其它外在因素，单相异步电动机仍将沿着原来的运动方向继续运转。的运动方向继续运转。(需要解决单相异步电动机的启动问题需要解决单相异步电动机的启动问题)3、单相异步电动机总有一个反向的制动转矩存在，所以额定转速、单相异步电动机总有一个反向的制动转矩存在，所以额定转速略低，其效率和负载能力都不及三相异步电动机。略低，其效率和负载能力都不及三相异步电动机。 只要在空间不同相的绕组中通入时间上不同相的电流，就只

4、要在空间不同相的绕组中通入时间上不同相的电流，就能产生一旋转磁场，分相启动电动机就是根据这一原理设计能产生一旋转磁场，分相启动电动机就是根据这一原理设计的。的。（1 1）结构特点）结构特点 定子绕组由定子绕组由辅助绕组及工作绕组辅助绕组及工作绕组两部分组成两部分组成（启动绕组匝数少，导线细；工作绕组匝数多，导线粗。启动绕组匝数少，导线细；工作绕组匝数多，导线粗。由于结构的不同，流经这两套绕组的电流存在着一定的由于结构的不同，流经这两套绕组的电流存在着一定的相位差）相位差） 启动结束后，辅助绕组被自动切除启动结束后，辅助绕组被自动切除 （2 2）优缺点）优缺点 价格较低价格较低 启动电流较大，启

5、动转矩不大启动电流较大，启动转矩不大 （3 3）应用范围）应用范围 轻载或空载轻载或空载定子的两个绕组：定子的两个绕组：1）主绕组，）主绕组，2）启动绕组。两绕组在空间相差）启动绕组。两绕组在空间相差90。在启动绕组回路中串接启动电容在启动绕组回路中串接启动电容C，作电流分相用，并通过开关，作电流分相用，并通过开关Q与工作绕组与工作绕组并联在同一单相电源上。并联在同一单相电源上。工作绕组呈感性，工作绕组呈感性，I1滞后于滞后于U。若适当选择电容。若适当选择电容C，使流过启动绕组的电流，使流过启动绕组的电流I2超前超前I1 90，就相当于在相位上互差，就相当于在相位上互差90的两相电流流入在空间

6、相差的两相电流流入在空间相差90的的两相绕组中，就在气隙中产生旋转磁场，并在该磁场作用下产生电磁转矩两相绕组中，就在气隙中产生旋转磁场，并在该磁场作用下产生电磁转矩, 使使电动机转动。电动机转动。 )90sin()sin(12tIitIimm21mIiit1200；SNW1W2S1S2 X21mmIiIit707. 0707. 04512；SNW1W2S1S2 X X12mmIiIit09012；SNW1W2S1S2 X12mmIiIit707. 0707. 013512；SNW1W2S1S2 X X21mmIiIit120180；SNW1W2S1S2 X21mmIiIit707. 0707.

7、 022512；SNW1W2S1S2 XX 21mmIiIit027012；SNW1W2S1S2 X21mmIiIit707. 0707. 031512；SNW1W2S1S2 X X21mmIiIit120360；SNW1W2S1S2 X21单相电容启动式异步电动机旋转磁场的产生单相电容启动式异步电动机旋转磁场的产生优点：启动转矩大，启动电流小，启动性能好，适用于满载启动的场合。优点：启动转矩大，启动电流小，启动性能好，适用于满载启动的场合。罩极电动机的定子一般采用凸极罩极电动机的定子一般采用凸极式，工作绕组集中绕制，套在定式，工作绕组集中绕制，套在定子磁极上。子磁极上。在极靴表面的在极靴表面

8、的1/31/31/41/4处开处开有一个小槽，有一个小槽，并用短路铜环并用短路铜环把这部分磁极把这部分磁极罩起来，短路罩起来，短路铜环起了启动铜环起了启动绕组的作用，绕组的作用，称为启动绕组。称为启动绕组。罩极电动机罩极电动机的转子做成的转子做成笼型笼型（a） 单相交流电流单相交流电流 （b）罩极电动机的磁场）罩极电动机的磁场优点：结构简单优点：结构简单, ,制造方便；制造方便；缺点：转向只能由未罩部分向被罩部分旋转，不能实现正反转。缺点：转向只能由未罩部分向被罩部分旋转，不能实现正反转。常用于小型电风扇上。常用于小型电风扇上。 电容运转式单相异步电动机在结构和原理上与电容分电容运转式单相异步

9、电动机在结构和原理上与电容分相式电动机完全一样相式电动机完全一样, , 只是启动绕组和电容器都设计只是启动绕组和电容器都设计为长期工作状态为长期工作状态, , 工作绕组与启动绕组在运转时都起工作绕组与启动绕组在运转时都起作用。电容运转式单相异步电动机实际上是两相电动作用。电容运转式单相异步电动机实际上是两相电动机机, , 它的运行特性较好它的运行特性较好, , 功率因数、效率和过载能力功率因数、效率和过载能力都比电容分相启动和电阻分相启动的异步电动机要好。都比电容分相启动和电阻分相启动的异步电动机要好。 1、将工作绕组或启动绕组的首末端对调、将工作绕组或启动绕组的首末端对调1I2、将电容器从一

10、个绕组改接到另一个绕组、将电容器从一个绕组改接到另一个绕组洗衣机正反转控制电路洗衣机正反转控制电路 注意：两相绕组完全对称，即匝数相等，空间相位差注意：两相绕组完全对称，即匝数相等，空间相位差9090o o电角电角度；串联电容器的绕组中的电流超前于电压，不串联电容器的度；串联电容器的绕组中的电流超前于电压，不串联电容器的那相绕组中的电流落后于电压。那相绕组中的电流落后于电压。1、 串电抗器调速法串电抗器调速法将电抗器与电动机定子绕组串联，将电抗器与电动机定子绕组串联，加到电动机定子绕组上的电压低于加到电动机定子绕组上的电压低于电源电压，达到降压调速的目的。电源电压，达到降压调速的目的。由额定转

11、速向低调速。由额定转速向低调速。线路简单、操作方便。线路简单、操作方便。 应用：吊扇。应用：吊扇。电容运转电动机在调速范围不大时，电容运转电动机在调速范围不大时，普遍采用定子绕组抽头调速。定子普遍采用定子绕组抽头调速。定子槽中嵌有工作绕组槽中嵌有工作绕组W W1 1W W2 2、启动绕组、启动绕组S S1 1S S2 2和调速绕组和调速绕组D D1 1D D2 2。通过改变调速绕组与工作绕组、启通过改变调速绕组与工作绕组、启动绕组的连接方式，调节相位差来动绕组的连接方式，调节相位差来实现调速的目的。实现调速的目的。2、 电动机绕组变抽头调速电动机绕组变抽头调速应用：台扇、落地扇。应用：台扇、落

12、地扇。M典型线路图分析：经检验合格的家用电器产品在出厂时都附有电气原理图或电气接线图。电气原理图是根据电气动作原理而绘制，台扇的电气原理图多粘贴在底座的盖板上，落地扇多粘贴在开关箱的后盖板上，有些生产厂同时在使用说明书中给出电气原理图，这对电风扇的安装使用、维修分析提供了方便。有些电气原理图简单明了，很容易看懂其原理、调速方式和接线方式，而有些电气原理图则过于复杂，从电气原理图不易分清其调速方式和接线方式，给维修带来困难。下面结合电风扇的典型接线图进行分析介绍，以使对电动机的典型接线方式有所了解。 图 6 - 7 台风扇调速电路 任何物质在液化后都要放出热量，在气化时都要吸收热量，这是最普遍的

13、物理现象。空调冰箱就是利用了这个道理，将制冷剂液化放出热量，然后再让他蒸发吸收热量。液化放出热量的位置和蒸发吸收热量的位置不能在一处，否则没有任何效果。因此空调就有了室外机，目的是散热和其它主要功能。 电冰箱电路主要由压缩机电动机、启动器、温控器、热保护器等组成。压缩机电动机一般均采用电阻启动单相异步电动机（少量也有采用电容启动的）, 因此它的启动绕组只在启动时接通电源,启动后必须立即从电源上切除, 这通常由启动器来完成。图 6 - 8是普通单门电冰箱电路。当温控器触点接通时, 电动机开始启动,启动后启动器的线圈通电才能将衔铁吸下, 启动器触点断开, 切断启动绕组电路, 电动机正常运转。经过一

14、定时间后, 温控器触点断开, 电动机便停止运转。热保护器作为电动机的过载保护。灯开关由冰箱门进行控制, 当门打开时, 灯开关闭合接通照明灯电路。图 6 8 电冰箱调速电路 洗衣机电路主要由电动机和定时控制器两大部分组成, 电动机均为电容运转式单相异步电动机。对于需要正反转的洗衣机电动机, 工作绕组和启动绕组完全一样, 只要改变电容器与两绕组的串接顺序, 电动机就能实现正反转。图6 - 9是单缸洗衣机控制电路。K1、K2、K3 是发条式定时器的触点, 由它们来控制洗涤时间和正反转。S1 是选择弱强洗的转换开关, 借助于定时器 K2或K3 通断时间长短的不同, 可控制强洗或弱洗。有关强洗、中洗和弱

15、洗的工作情况如下： 强洗：波轮单向连续转动，洗涤时产生强烈的涡流冲刷衣物。波轮转动时间的长短由定时器控制，最长不超过15分钟。适用于洗涤较脏的工作服、床单及粗厚衣物。 中洗：波轮以自动间歇正反向转动，产生中等涡流冲刷衣物进行洗涤。正或反转2530秒，间歇35秒。适用于洗涤棉麻织物、化纤混纺衣物。 弱洗：波轮以自动间歇正反向转动，产生柔和涡流冲刷衣物进行洗涤。正或反转35秒，间停57秒。适用于洗涤丝绸、毛纺等柔质衣物。从以上可知，洗衣机的洗涤强度，既强洗、中洗和弱洗，与电风扇送风强度是有本质区别的。电风扇是以改变电动机的转速来获得不同的风量，而洗衣电风扇是以改变电动机的转速来获得不同的风量，而洗

16、衣机的强、中、弱洗并非通过电动机转速改变来获得，它是通过控制电动机的机的强、中、弱洗并非通过电动机转速改变来获得，它是通过控制电动机的运转与停止的时间长短来实现的运转与停止的时间长短来实现的。图 6 - 9 洗衣机调速电路6. 2 三相同步电动机三相同步电动机 交流电机分为异步电机和同步电机两大类。在前面我们已讲述了交流异步电机, 本节简要介绍同步电机。同步电机又可分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机（调相机）三种。发电厂用的发电机都是同步发电机。三相同步电动机主要用于功率较大, 转速不需要调节的生产机械中,如空气压缩机、大型水泵等。同步电动机由于具有启动比较困难, 不易调速等缺点, 限制了

17、它的应用, 但可通过改变励磁电流来改善电网的功率因数, 因此也得到了广泛应用。近年来 , 由于交流变频技术的发展, 解决了电源变频的问题,从而使同步电动机的启动和调速问题得到了解决, 同步电动机得到了更为广泛的应用。同步电机还可作同步补偿机用 ，专门用来改善电网的功率因数。同步电机无论作何种用途, 有一个共同的特点是它的转速总等于定子旋转磁场的同步转速, 即pfnn1160因此, 这种电机称为同步电机。( 6 - 1)6. 2. 1 三相同步电动机的基本结构三相同步电动机的基本结构 同步发电机、同步电动机和同步补偿机, 它们的结构相同, 均是由定子和转子两部分组成的。 1 定子定子 同步电机的

18、定子与异步电机的定子的结构基本相同,是由定子铁心、定子绕组（电枢绕组）、机座和端盖等组成的。铁心是由硅钢片叠成的, 大型同步电机由于尺寸较大, 硅钢片冲制成扇形(如图6 -10所示) , 然后拼叠成圆形。电枢绕组是三相对称绕组, 有些大型高压电机的绝缘要求较高。机座和端盖与三相异步电动机的相同。图 6 -10 定子扇形硅钢片冲片 2 转子转子 同步电机的转子与异步电机的转子不同, 它由转子铁心、转子绕组（励磁绕组）和滑环组成。通过电刷和滑环给转子上的励磁绕组通入直流励磁电流, 就可使转子产生固定极性的磁极。同步电机的转子结构形式有两种, 即凸极式和隐极式。 凸极式转子如图6 -11(a)所示,

19、 磁极铁心用硅钢片冲压叠成 , 磁极上装有直流励磁绕组, 绕组的连接应使转子的磁极极性 N 和 S 在电机圆周上交替排列, 励磁电流通过电刷和滑环通入励磁绕组。凸极式转子的特点是 , 转子与定子之间的气隙不均匀 , 结构简单 , 制造方便 , 但机械强度较差 , 适用于低速同步电机 , 如水轮发电机和低速的同步电动机等。图 6 -11 同步电机的转子结构 (a) 凸极式； (b) 隐极式 隐极式转子如图6 -11(b)所示 , 转子呈圆柱形, 无明显的磁极, 转子和转轴是由整块的钢加工成统一体。在圆周上约有2/3的部分铣有齿和槽, 槽内嵌放同心式直流励磁绕组, 没有开槽的 1/3 部分称为大齿

20、, 是磁极的中心区域。励磁绕组也是通过电刷和滑环与直流电源相连接。隐极式转子的特点是, 转子与定子之间的气隙均匀,制造工艺比较复杂, 机械强度较好, 适用于极少数高速的同步电机, 如汽轮发电机。 另外, 在同步电机转子的表面,都装有类似笼型异步电动机转子的短路绕组, 在同步发电机中称为阻尼绕阻, 在正常运行中起稳定作用。在同步电动机中称之为启动绕组。在异步启动时起启动作用, 启动后同步运行时起稳定作用。 6. 2. 2 三相同步电动机的工作原理三相同步电动机的工作原理 当同步电动机的定子三相绕组接到三相对称电源上时, 三相绕组中流入三相对称电流, 由磁场理论知道, 它将产生一个圆形旋转磁场,

21、如果转子已经通入直流励磁电流产生了固定的磁极极性, 且转子转速接近于旋转磁场的同步转速, 根据同名磁极相斥、异名磁极相吸的原理, 旋转磁场磁极对转子磁极产生的磁拉力则牵引着转子以同步转速旋转, 即n = n1 , 如图6 -12所示, 这就是同步电动机的简单工作原理。由于转子的转速与旋转磁场的转速相同, 故称为同步电动机。图 6 -12 同步电动机的工作原理6. 2. 3 三相同步电动机的相量图与电磁功率三相同步电动机的相量图与电磁功率 凸极式同步电动机与隐极式同步电动机的不同之处是凸极式电动机转子有明显的磁极, 气隙不均匀, 电枢磁动势处于气隙圆周的不同位置时遇到的磁阻不同。当定、转子磁极轴

22、线重合时（ 0）, 转子处于直轴轴线位置, 这时磁路的气隙最小, 磁阻也最小, 对应的电抗值最大, 称之为直轴同步电抗, 以Xq表示。当定、转子磁极轴线相差 90电角度时, 转子处于交轴轴线位置,这时的磁路气隙最大, 磁阻也最大, 相应的电抗值最小, 称之为交轴同步电抗, 以 Xq表示。当定、转子磁极轴线相差的角度处于上述两位置之间时, 相应的磁阻及电抗也处于两者之间， 随位置的不同而变化。 若不计定子绕组电阻压降, 凸极式同步电动机的电动势平衡方程式为（在此不作分析推导）qqdd01jjXIXIEU( 6 2 )式中: 定子相电压； 定子感应的相电动势； 定子相电流的直轴分量； 定子相电流的

23、交轴分量； Xd 直轴同步电抗； Xq 交轴同步电抗。1U0EdIqI图 6 -13 凸极式同步电动机的相量图 根据式（6 -2）可画出凸极式同步电动机的相量图 , 如图6 -13所示。图中 是功率因数角, 是内功率因数角, 是功率角, 三者之间的关系为 。 经过推导, 凸极式同步电动机的电磁功率与功率角的关系为2sin1123sin3dq21d01emXXUXEUP( 6 3 ) 对于隐极式同步电动机, 转子无明显的磁极, 直轴同步电抗与交轴同步电抗相等, 即 Xd = Xq = Xt , Xt 称为隐极式同步电动机的同步电抗。 由式（6-2）可得隐极式同步电动机的电动势平衡方程式为t10t

24、qtd01jjjXIEXIXIEU( 6 4 )由式（6-3）可得隐极式同步电动机的电磁功率公式为 sin3t01emXEUP( 6 -5 )6. 2. 4 同步电动机的同步电动机的V形曲线及功率因数调节形曲线及功率因数调节 在同步电动机定子绕组所加电压、频率和电动机输出的功率恒定不变的情况下, 调节转子励磁电流, 定子绕组电流的大小和相位也随之发生变化, 因此可改变电动机在电网上的性质, 从而提高和改善电网的功率因数。同步电动机的 V 形曲线是指电动机定子绕组的电压、频率和输出功率恒定不变, 调节励磁电流时, 定子电枢电流与励磁电流的关系曲线 I = f ( If ) , 其形状如同“ V

25、” 字, 故称为 V 形曲线。电动机的负载功率不同 , V 形曲线的相应位置也不同。下面以隐极式同步电动机为例, 利用相量图分析 V 形曲线的变化规律, 分析结论同样适用于凸极式同步电动机。 当隐极式同步电动机输出功率恒定不变时, 忽略定子绕组的电阻, 不计定子铁损耗和各种杂散损耗的微弱变化, 则电动机的电磁功率和输入功率相等, 且保持不变, 即sin3t01emXEUP( 6 5 )图6 -14 恒功率、调励磁时隐极式电动机的相量图 由于电网电压 U1 和同步电抗 Xt 均为常数, 因此 E0 和 也为常数。根据隐极式同步电动机的电动势平衡方程式作其相量图, 如图 6 -14所示。当调节直流

26、励磁电流时, 因 不变, 表示 相量的端点轨迹将在 AB 垂直线上移动。因 不变, 表示 相量的端点轨迹将在 CD 水平线上移动。调节励磁电流为正常励磁时, 电动势为 , 电动机的 , 电枢电流全部为有功电流,电流值最小。当励磁电流大于正常励磁电流时（即过励）, 将增大至 , 定子电流为sincos1I0Esin0Ecos1I1I0E1cos 0E0E , 在相位上超前电压 一个角度 ,它除了含有原来的有功电流外, 还从电网吸取超前的无功电流, 因此电枢电流增加, 1（超前）, 电动机为容性负载。当励磁电流小于正常励磁电流时（即欠励）, 将减小至 , 定子电流为 , 在相位上滞后 一个角度 ,

27、 它除了含有原来的有功电流外, 还从电网吸取滞后的无功电流, 电枢电流也增加, 1（滞后）,电动机为感性负载。1I1I1U1cos0E 0E I 1I1U2cos图 6 -15 同步电动机的 V 形曲线 由以上分析可知, 在输出功率一定时, 定子电流 I1随励磁电流 If 的变化关系曲线是 V 字形, 故称为同步电动机的 V 形曲线, 如图6 -15所示。由图可知, 正常励磁时, =1，电枢电流最小；欠励磁时, 功率因数是滞后性的；过励磁时, 功率因数是超前性的。当输出功率一定时, E0 =常数。当调节励磁电流 If 小到一定程度时, E0 也随之减小到一定程度, 功率角增至90。如果 If

28、再减小, 隐极式同步电动机就不能稳定运行, 如图 6 -15所示中表示出的电动机不稳定区的界线。 cossin 调节励磁电流不但可以调节无功电流和无功功率的大小, 还可调节无功电流和无功功率的性质（功率因数）, 这是同步电动机的重要特点。一般电网的负载大多数为感性负载, 它们从电网吸收感性无功功率。在一般情况下, 使用同步电动机时, 让它运行在过励状态, 从电网中吸取容性无功功率, 使电网的功率因数得到改善。6. 2. 5 同步电动机的启动同步电动机的启动 同步电动机的电磁转矩是由定子旋转磁场和转子励磁磁场之间相互作用而产生的。只有两者相对静止时, 才能产生稳定的电磁转矩。当同步电动机转子加上

29、直流励磁, 定子加上交流电压启动时, 定子产生的高速旋转磁场扫过不动的转子磁极, 平均电磁转矩为零。因为转子机械惯量很大, 不可能像定子旋转磁场那样, 一瞬间加速到定子旋转磁场的速度, 因而定子旋转磁场的磁极只能迅速扫过转子交叉布置的各个不同极性(N、S)的磁极, 产生吸引力和推斥力, 吸引力和推斥力相互作用, 使转子产生的电磁转矩平均值为零。所以, 同步电动机无自启动能力, 不能自行启动,要启动同步电动机, 必须采取一定的启动措施。 同步电动机的启动方法有辅助电动机启动法、变频启动法和异步启动法三种。 1 辅助电动机启动法辅助电动机启动法 辅助电动机启动法是用一台辅助电动机来拖动同步电动机,

30、 将同步电动机的转子拖动至接近同步转速时, 然后将同步电动机并入电网, 撤出辅助电动机, 最后再加上机械负载。这一方法适合于空载启动。 2 变频启动法变频启动法 变频启动法是利用大功率可调频率的电源进行启动的。启动时, 首先给转子加上直流励磁, 然后给定子加上较低频率的电压, 低频电源产生较低转速的旋转磁场就可以拖动转子转动起来, 其次逐渐提高电源频率, 转子转速也逐步提高, 直至电动机要求的转速。 3 异步启动法异步启动法 异步启动法是在凸极式同步电动机磁极的极靴上开有若干个槽 , 槽中装有铜导条,在转子的两个端面上各用一个短路的铜环将铜导条连接起来, 构成一个完整的笼型绕组, 称为启动绕组

31、（兼作阻尼绕组）。启动时,通过这个启动绕组, 根据异步电动机的原理可获得启动转矩, 使电动机启动, 当转速升至接近同步转速时再加上直流励磁, 产生同步转矩将转子牵入同步运行。 同步电动机异步启动法的原理线路图如图 6 -16 所示。其启动过程分为以下三个步骤： 图 6 -16 同步电动机异步启动法的原理线路图 （1）首先将励磁绕组与一个是励磁绕组电阻10倍的大电阻（10Rf）串接成闭合回路, 即将图 6 -16中 S2合向左边。这是因为励磁绕组匝数较多,若启动时将它开路, 在旋转磁场的作用下, 励磁绕组中产生很高的感应电压, 导致励磁绕组的绝缘击穿和危及人身安全。如果将励磁绕组直接短路, 则产

32、生一个较大的感应电流, 它与旋转磁场相互作用, 产生一个较大的附加转矩, 影响电动机启动。 （2）同步电动机定子绕组接通三相交流电压, 定子绕组电流产生的旋转磁场与转子启动绕组中产生的感应电流相互作用, 产生电磁转矩（这与异步电动机的工作原理相同）, 同步电动机便开始异步启动。 （3）当同步电动机异步启动, 转速升至同步转速的 95左右时, 将开关 S2 合向右边, 转子励磁绕组中通入励磁电流, 产生转子励磁磁场, 同时定子旋转磁场与转子励磁磁场的速度非常接近, 依靠两磁场间的相互吸引力把转子拉住, 从而产生电磁转矩, 使转子跟着定子旋转磁场以同步转速旋转, 即牵入同步运行。 同步电动机在异步

33、启动时, 和异步电动机一样需要限制启动电流, 可采用定子串电抗或自耦变压器等启动方法。 同步电动机的启动过程较为复杂, 且准确度要求高, 现普遍采用晶闸管励磁系统, 可以使同步电动机启动过程实现自动化。 *6. 3 单相（微型）同步电动机单相（微型）同步电动机 单相(微型)同步电动机与普通同步电动机一样, 具有转速恒定的特点, 在转速恒定的传动装置中得到广泛的应用。单相(微型)同步电动机也是由定子和转子两部分组成的。定子的结构与单相或三相异步电动机的相同, 定子绕组通入电流, 建立旋转磁场。根据转子的结构形式和所采用的材料不同, 单相(微型)同步电动机可分为永磁式、磁阻式（反应式）和磁滞式等类

34、型。下面分别介绍这些类型的同步电动机。 6. 3. 1 永磁式微型同步电动机永磁式微型同步电动机 永磁式微型同步电动机的定子与异步电动机相同,转子是由永久磁铁制成的, 结构形式有凸极式和稳极式,磁极N、S沿圆周交替排列, 如图 6 -17 所示。当定子绕组接通电源时, 定子就产生旋转磁场, 吸引转子转动, 转子转速与旋转磁场转速相同。在运行时 , 当转子上的负载转矩增大时, 定子磁场磁极轴线与转子磁极轴线之间的夹角相应增大 ; 当转子上的负载转矩减小时, 夹角 相应减小 , 则转速始终恒定不变。 1-永久磁铁 ; 2-笼型绕组图 6 -17 永磁式微型同步电动机的转子 永磁式微型同步电动机也不

35、能自行启动 , 为了能够自行启动 , 转子上也装设笼型绕组, 如图 6 -17所示,定子接通电源, 转子产生电磁转矩异步启动, 待转子转速接近同步转速时, 转子自动被牵入同步, 此时笼型绕组也就不起作用了。 永磁式微型同步电动机结构简单、体积小、耗电少、转速较低, 在自动仪表中被广泛应用。6. 3. 2 磁阻式（反应式）同步电动机磁阻式（反应式）同步电动机 磁阻式同步电动机的转子由铁磁材料制成, 无磁性,但是有直轴和交轴之分, 直轴（纵轴）方向的磁阻小, 交轴（横轴）方向的磁阻大。如图6 -18所示为磁阻式转子的几种不同形式。图6 -18 (a)为凸极结构, 直轴和交轴气隙大小不同, 因此磁阻

36、不同, 称为外反应式。图6 -18(b)为圆形结构, 虽气隙均匀, 但内部开有反应槽, 使交轴磁阻远大于直轴磁阻, 称为内反应式。图6 -18 (c)为凸极结构, 但又在内部开有反应槽 , 使直轴和交轴磁阻差别更大 , 称为内外反应式。另外 , 在转子上都装有笼型的启动绕组。 1-铁心; 2-反应槽; 3-笼型导条孔 图 6 -18 磁阻式同步电动机转子冲片(a) 外反应式； (b) 内反应式； (c) 内外反应式 反应式同步电动机的定子绕组接通电源后, 气隙中建立旋转磁场, 转子在旋转磁场的作用下, 产生电磁拉力而形成磁阻转矩（亦称反应转矩）, 拖动转子同步旋转。磁阻转矩的产生解释如下： 如

37、图6 -19(a)所示, 如果转子轴线与旋转磁场的轴线重合, 这时转子虽也被磁化, 但气隙磁场不被扭曲, 在这种情况下, 转子只有径向磁拉力, 而没有切向磁拉力, 转子无电磁转矩产生。如果转子转过一个角度, 如图6 -19 (b)所示, 由于旋转磁场的磁通总是通过磁阻最小的路径, 因此气隙磁场被扭曲, 旋转磁场磁极与转子间除产生径向磁拉力外, 还出现切向的磁拉力, 这种切向的磁拉力形成一种电磁转矩, 这就是同步电动机的凸极效应,即因直轴与交轴上的磁阻不相等而产生的一种电磁转矩, 故称为磁阻转矩。隐极式同步电动机不会产生这种转矩, 如图6 -19 (c)所示。图 6 -19 磁阻转矩产生的解释

38、反应式同步电动机也有启动问题, 即不能自行启动, 所以转子装有笼型绕组, 采用异步启动法启动。 反应式同步电动机的结构更为简单, 成本低廉, 运行可靠, 在自动控制、遥控装置、录音机、录像机和传真机中被广泛应用。 6. 3. 3 磁滞式同步电动机磁滞式同步电动机 磁滞式同步电动机的转子铁心由硬磁材料制成, 形状为圆柱体或圆环, 装配在非磁性材料制成的套筒上, 如图6 20 所示。功率较小的磁滞式同步电动机, 定子采用罩极式结构, 转子由硬磁材料薄片组成。薄片的形状设计成直轴与交轴, 有不同的磁阻。硬磁材料在交变磁场作用下磁化时, 表现为磁感应强度滞后于磁场强度的变化, 即磁滞现象。把硬磁材料做

39、成的转子放入旋转磁场之中, 就会有一个较大的磁滞转矩产生。如图 6 21 所示, 定子为一对磁极的旋转磁场。当定子磁场固定不动时, 转子处于恒定的磁化状态。转子硬磁材料被磁化后, 磁分子排列与定子磁场方向一致, 如图6 -21(a)所示, 定子磁场与转子磁分子之间只有径向吸引力, 而无切向吸引力, 转子不产生转矩。如果定子磁场以同步转速逆时针转过一个角度, 转子中的磁分子间因有很大的摩擦力, 不能即时跟随旋转磁场转过 角, 而始终在空间上落后旋转磁场一个角度, 这个 角称为磁滞角。旋转磁场轴线与转子磁分子轴线间出现 角后 (如图6 -21(b)所示) , 转子所受的磁拉力（吸引力）除径向分量外

40、, 还有切向分量, 这个切向分量便形成转矩, 称为磁滞转矩 Tc , 在磁滞转矩的作用下, 转子顺着旋转磁场的方向旋转。产生磁滞转矩的条件是转子与定子旋转磁场间有相对运动, 即转子转速低于同步转速, 电动机处于异步运行状态。磁滞转矩和磁滞角的大小, 取决于硬磁材料的性质, 而与转子异步运行的速度无关,转子在旋转磁场的磁化下, 磁滞角是不变的, 磁滞转矩始终保持为常数。当转子转速升至同步转速运行时, 转子不再被旋转磁场磁化, 而是恒定磁化, 不再出现磁滞现象。因为转子是硬磁材料制成的, 具有永磁特性,这时磁滞式同步电动机就成为永磁式同步电动机。同步运行以后, 转速恒定不变, 夹角由负载的大小决定

41、。图6 20磁滞式同步电动机的转子结构图 6 -21 硬磁材料转子的磁化 磁滞式同步电动机的转速低于同步转速时, 转子与旋转磁场之间有相对运动, 转子中还会出现涡流, 涡流与旋转磁场作用产生涡流转矩, 涡流转矩与转速成反比, 所以在启动时, 不仅有磁滞转矩, 而且还有涡流转矩, 故磁滞式同步电动机能自行启动, 而且启动转矩较大。 磁滞式同步电动机不仅能在同步状态下运行, 也可在异步状态下运行。当负载转矩大于磁滞转矩时, 电动机在异步状态下运行；当负载转矩小于磁滞转矩时, 电动机在同步状态下运行。一般情况都在同步状态下运行。 磁滞式同步电动机的结构简单, 运行可靠, 启动性能好, 工作稳定, 在

42、电钟、录音机、传真机、自动记录装置中被广泛应用。 *6. 4 直线异步电动机直线异步电动机 电动机通常都是作旋转运动, 把电能转换成旋转运动的机械能,在实际中, 除绝大多数机械作旋转运动外,还有作直线运动的机械, 当需要带动作直线运动的机械时, 必须通过蜗轮蜗杆或齿条传动机械将旋转运动变为直线运动。直线电动机可以把电能转换为直线运动的机械能, 对于作直线运动的生产机械, 可以省去将旋转运动转换为直线运动的传动机构。 直线电动机分为交流和直流, 目前应用最多的是交流直线异步电动机, 因为它具有结构简单, 使用方便,运行可靠等优点, 在很多场合被应用。本节就该类电动机的工作原理和结构形式作简要介绍

43、。 6. 4. 1 直线异步电动机的工作原理直线异步电动机的工作原理 直线异步电动机的工作原理与笼型电动机的工作原理基本相同。我们设想将一台旋转的三相异步电动机在沿轴向的半径上切开,并把它拉直, 就成为一台直线异步电动机, 如图6 - 22(a)、(b) 所示。对应于笼型电动机的定子和转子, 在直线异步电动机中称为初级（一次）和次级（二次）。当直线异步电动机的初级绕组通入三相对称交流电后, 三相绕组产生的磁场不 图 6 -22 鼠笼型异步电动机演变为直线异步电动机(a) 三相笼型异步电动机； (b) 剖开拉直的直线异步电动机 再是旋转磁场, 而是按 UVW 的相序沿直线移动的一种磁场, 称为行波磁场, 如图 6-23 所示。行波磁场的移动线速度与旋转磁场的线速度是相同的, 即1