微型同步电动机的特点与应用

在自动控制系统中，往往需要恒转速传动装置，要求电动机具有恒定不变的转速，即要求电动机的转速不随负载或电源电压的变化而改变。微型同步电动机就是具有这种特性的电动机。

微型同步电动机的定子结构都是相同的，或者是三相绕组通入三相交流电，或者是两相绕组通入两相电流（包括单相电源经电容分相），主要作用都是为了产生一个旋转磁场。根据转子的结构形式不同，微型同步电动机主要分为永磁式微型同步电动机、反应式微型同步电动机和磁滞式微型同步电动机。

微型同步电动机转子无励磁绕组，也不需电刷和滑环，因此结构简单、运行可靠、维护方便，功率从零点几瓦到数百瓦，广泛应用于需要恒速运行的自动控制装置及遥控、无线通信、有声电影、磁带录音及同步随动系统中。

1.永磁式微型同步电动机

1）永磁式微型同步电动机的结构

永磁式微型同步电动机的定子与异步电动机的完全相同，有两相和单相罩极式绕组，通入交流电后产生旋转磁场，转速为n0。

永磁式微型同步电动机的转子是由永久磁钢制成的，可以是两极，也可以是多极的，N、S极沿圆周方向交替排列，图5.35（a）所示为四极转子，因5.35（b）所示为两极转子。转子上装有笼形绕组，作为启动绕组。转子极数必须与定子绕组产生的旋转磁场的极数相等。

永磁式微型同步电动机的工作原理比较简单，现以两极永磁式微型同步电动机为例说明。

2）永磁式微型同步电动机的工作原理

图5.36所示为具有两个永久磁极的永磁式微型同步电动机的转子。当同步电动机的定子接入交流电源后，产生一个旋转磁场，旋转磁场用一对旋转磁极表示。当定子旋转磁场以转速n0 沿图示方向旋转时，转子笼形绕组上产生异步启动转矩，驱动转子启动。当转子加速到接近同步之后，异步转矩同定子磁场与永久磁场产生的同步转矩共同将转子牵入同步，即根据N 极与S极相互吸引的原理，定子旋转磁极与转子永久磁极紧紧吸住，带着转子一起旋转。由于转子靠旋转磁场拖动旋转，所以转子的转速与定子磁场的转速相等，都为同步转速n0。当转子上负载转矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角δ就会相应增大，负载转矩减小时，夹角δ又会减小，两对磁极间的磁力线如同弹性的橡皮筋一样。尽管负载变化时，定子、转子磁极轴线之间的夹角会有变化，但只要负载不超过一定的限度，转子就始终跟着定子旋转磁场以同步转速旋转，即转子转速为n0。

图5.35　永磁式微型同步电动机的转子

1—永久磁铁；2—启动绕组

图5.36　永磁式微型同步电动机的工作原理

应当注意，永磁式微型同步电动机启动比较困难。其主要原因是刚启动时，虽然合上了电源，永磁式微型同步电动机内产生了以同步转速的旋转磁场，但转子还是静止的，转子由于惯性的作用而跟不上定子旋转磁场的转速。因此，定子、转子磁场之间存在着相对运动，转子受到的平均转矩为零，因而永磁式微型同步电动机不能自行启动。

为了使永磁式微型同步电动机能够自行启动，除了转子本身惯性很小、极数较多的低速永磁式微型同步电动机外，一般的永磁式微型同步电动机都需附加启动装置。一种是转子上附加笼形绕组，如图5.35所示；另一种是转子上附加磁性材料环帮助启动，如图5.37所示。这种同步电动机称为磁滞启动永磁式同步电动机。

图5.37　具有磁性材料环的转子

1—磁滞环；2—永久磁铁；3—极间填充材料

永磁式同步电动机的功率因数和效率较高，有效材料利用率高，与同体积的其他类同步电动机相比，功率大、体积小、耗电少。随着高性能、低价格永磁材料的出现，永磁式微型同步电动机的应用范围更加广泛，目前功率从几瓦到几百瓦，甚至几千瓦的永磁式同步电动机在各种自动控制系统中得到广泛应用。但是永磁式微型同步电动机除多极、小转动惯量外，无自行启动能力，且不能在异步状态下运行，这些不及磁滞启动永磁式同步电动机，与反应式微型同步电动机相比，结构复杂、成本较高。(www.xing528.com)

2.反应式微型同步电动机

1）反应式微型同步电动机的结构

反应式微型同步电动机即没有直流励磁的凸极式同步电动机。其定子与一般同步电动机或异步电动机相同，在定子槽内嵌放两相或三相对称绕组，也可能是单相罩极式绕组。转子结构形式是多种多样的，图5.38所示为反应式微型同步电动机转子的几种常见形式，其中图5.38（a）、（b）所示为凸极笼形转子，这种转子与一般鼠笼式异步电动机的转子差别仅在于具有与定子极数相等的凸极，以形成直轴与交轴磁阻不等。图5.38（c）所示为反应式微型同步电动机转子结构除了具有凸极以外，在转子铁芯中还设置了隔离槽（内反应槽），并相应增大凸极极弧。这样一来，可以加大转子直轴和交轴磁阻差，提高反应式微型同步电动机的功率。

图5.38　反应式微型同步电动机的转子形式

1—笼形条；2—转子铁芯

2）反应式微型同步电动机的工作原理

如图5.39（a）所示，定子旋转磁场用一对磁极来表示，一个圆柱形表示隐极转子，定子、转子之间的气隙是均匀的，无论直轴和旋转磁场的轴线相差多少度，磁通（磁力线）都不会发生扭斜，也就不能产生切线方向的电磁力和电磁转矩，转子不能转动。

图5.39　反应式微型同步电动机的运行模型

图5.39（b）～（e）所示为实际反应式微型同步电动机的运行原理模型图，图中外面的磁极表示定子绕组产生的两极旋转磁场，中间是一个凸极转子，凸极转子可以看成具有两个方向：一个是顺着凸极轴线的方向，称为直轴方向；另一个是与凸极轴线正交的方向，称为交轴方向。显然，当旋转磁场轴线与转子直轴方向一致时，磁通通过路径的磁阻最小，与转子交轴方向一致时，磁阻最大，其他位置的磁阻介于二者之间。

反应式微型同步电动机空载时，定子旋转磁场的轴线与转子直轴轴线重合，磁力线不发生扭斜，忽略空载损耗，就不能产生切线方向的电磁力，电磁转矩T=0，如图5.39（b）所示。

当反应式微型同步电动机转轴上加上机械负载时，由于转矩不平衡，转子发生瞬时减速，转子的直轴将落后旋转磁场的磁极轴线一个δ角且δ=45°。由于磁力线力求沿磁阻最小的路径，即沿转子的直轴方向通过转子，因而被迫变弯，引起磁场发生扭斜，磁力线被拉长。被拉长的磁力线力图使转子转动，从而使磁路的磁阻降低，由此产生与定子磁场转向相同方向的电磁力，形成电磁转矩，即反应式转矩，与负载转矩相平衡，转子直轴与旋转磁场轴线保持这一角度，以和定子旋转磁场相同的同步转速同向旋转，如图5.39（c）所示。

如果再增大负载，则δ角继续增大，由于有部分磁力线开始直接沿转子交轴方向通过转子，使磁场的畸变开始减少，切向的电磁力及其形成的磁阻转矩也逐渐减小。当转子偏转90°时，全部磁力线都沿转子交轴方向通过转子，磁力线未被扭斜，没有切向的电磁力，电磁转矩T=0，如图5.39（d）所示。

当δ＞90°时，电磁转矩改变方向，为负值，如图5.39（e）所示；当δ=180°时，电磁转矩T=0。

反应式微型同步电动机的最大电磁转矩发生在δ=45°时，与永磁式微型同步电动机一样，只要负载转矩不超过最大电磁转矩，反应式微型同步电动机的转子始终跟着旋转磁场以同步转速旋转。如果负载转矩大于最大同步转矩，即当δ＞45°时，电动机“失步”，进入异步运行状态，甚至停转。

如果不计磁路饱和的影响，反应式微型同步电动机的直轴同步电抗Xd 和交轴同步增长电抗Xq 皆为常数。Xd/Xq 的数值越大，则最大同步转矩Tm 越大。因此，反应式微型同步电动机采取一些措施增大Xd 和Xq 的差别，可以显著地增大电磁转矩的值，目前可以做到Xd∶Xq=5∶1。例如，反应式微型同步电动机的转子采用非磁性材料（铝或铜）和钢片镶嵌的结构，如图5.40所示。正常运行时，气隙磁场基本上只能沿钢片引导的方向进入直轴磁路使磁场显著扭斜，其对应的电抗为直轴电抗；而交轴磁路由于多次跨越非磁性材料铝或铜的区域，磁阻很大，对应的交轴电抗很小。

图5.40　反应式微型同步电动机的转子结构

从以上分析可知，反应式微型同步电动机产生反应转矩必须具备的条件是转子上正交的两个方向应具有不同的磁阻。如果转子是一个光滑的圆柱形转子，各个方向的磁阻一样，当旋转磁场旋转时，磁力线不发生歪扭，就不会产生电磁转矩，电动机就不能转动。反应式微型同步电动机磁阻转矩也是一种同步转矩，只能用于牵入，不能用来启动。与永磁式微型同步电动机一样，反应式微型同步电动机的启动也是比较困难的，需有启动措施，通常也在转子上装设供异步启动的笼形绕组作为启动绕组，同时也起到抑制同步电动机振荡的作用。

反应式微型同步电动机的结构简单、成本低廉、运行可靠，但功率因数低，不能自启动，在自动及遥控装置、同步联络装置、录音传真及钟表工业中广泛应用。反应式微型同步电动机可以是单相或三相，功率从几瓦到几百瓦。