第八章微型同步电动机

第八章 微型同步电动机

微型同步电动机的主要特点是其转速不随负载或电源电压的变化而改变。本章主要分析微型同步电动机的结构特点及工作原理。

第一节 概述

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。而微型同步电动机就是具有这种特性的电动机。

同步电动机是交流电动机，在结构上主要由定子和转子两部分构成。

定子与一般异步电动机的定子相同，定子铁心通常由带有齿和槽的冲片叠成，槽钢内嵌放三相或两相绕组。当三相绕组通入三相电流或两相绕组通入两相电流（包括单相电源经过电容分相）时，定子中产生旋转磁场，旋转磁场的转速为同步转速1n 。

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。根据转子的结构型式不同，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上无励磁绕组，也不需电刷和滑环，因而结构简单、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、遥控、无线通讯、有声电影、磁带录音及同步随动系统中。

第二节 永磁式同步电动机

一、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定子完全相同，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1n

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，其工作原理比较简单，图8-1（a ）所示为四极转子，(b)为二极转子。转子上装有鼠笼绕组，作为起动绕组。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。

二、磁式微型同步电动机的工作

原理

图8-2所示是具有两个永久磁极

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1n 沿图示方向旋转

时，转子笼型绕组上产生异步起动转

矩，驱动转子起动。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，为同步转速1n 。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、转子磁极轴线之间的夹角会变图 8-1 永磁式微型同步电动机转子型式 1——永久磁铁 2——鼠笼起动绕组 图8-2 永磁式微型同步电动机工作原理图 δ

大或变小，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1n n = r/min

可见，转子的转速只决定于电源的频率和电机的极对数。如果轴上的负载阻转矩超出一定限度，转子不再以同步转速运行，转速降低甚至停转，这就是同步电动机的“失步”现象。这个最大限度的转矩称为最大同步转矩，即电磁转矩max T T em =时的值。因此电动机的负载不能大于最大同步转矩，否则电动机将不再为同步运转，

应当注意，永磁式电动机起动比较困难。主要原因是刚起动时，虽然合上了电源，电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、转子磁场之间存在着相对运动，转子受到的平均转矩为零——转子不能自起动，平均转矩为0。永磁式微型同步电动机不能自行起动。在同步电动机中，如果转子的转速与旋转磁场的转速不相等，转子所受到的平均转矩总是为0。综上所述，影响永磁式同

步电动机起动的主要因素有二个方面：

（1）转子本身存在惯性；

（2）定、转子磁场之间转速相差过大。

为了使永磁式同步电动机能够自己起

动，除了转子本身惯性很小、极数较多的低

速永磁式同步电动机外，一般的永磁电动机

都需附加起动装置。有：

（1）转子上附加笼型绕组----异步起动

永磁式同步电动机，如图8-4所示，笼型绕

组与异步电动机的转子相同，转子有永久磁

钢和鼠笼式的起动绕组两部分。起动绕组的

结构与鼠笼式电动机的转子结构相同。

当永磁电动机起动时，依靠笼型起动绕

组产生异步起动转矩，等到转子转速上升到

接近同步转速时，定子旋转磁场就与转子永久磁钢相互吸引把转子拉入同步，以同步转速旋转。

（2）转子上附加磁性材料环帮助起动-----磁滞起动永磁式同

步电动机。如图8-5所示。

永磁同步电机功率因数和效率较高，有效材料利用率高，与同

体积的其它类同步电机相比，出力大、体积小、耗电少。随着高性

能低价格永磁材料的出现，永磁式同步电动机的应用范围更加扩大。

目前功率从几瓦到几百瓦，甚至几千瓦的永磁同步电动机在各种自

动控制系统中得到广泛应用。但是永磁同步电机除多极、小转动惯

量的电机外，无自起动能力，且不能在异步状态下运行，这些不及

磁滞式同步电机，与反应式同步电机相比，结构复杂、成本较高。 第三节 反应式同步电动机

一、反应式微型同步电动机的结构

反应式同步电动机就是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。转子结构型式是多种多样的，图8-6所示是几种常见的型式，其中图（a ）和（b ）称为凸极鼠笼转子，，这种转子与一般鼠笼异步电动机的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（c ）转子结构图除了具有凸极以外，在转子铁心中还设置了隔离槽（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，提高电机出力。

图8-5 具有磁性材料环的永磁同

步电动机的转子

图8-4 永磁式同步电动机的转子结构 1——永久磁钢 2——鼠笼式起动绕组

反应式微型同步电动机的转子本身是没有磁性的，主极磁通为零，只能依靠转子上两个正交方向磁阻的不同而产生电磁感应转矩，又称磁阻转矩，也称反应式转矩，所以反应式同步电动机又称磁阻电动机。

二、反应式微型同步电动机的工作原理

现以简单模型说明反应式同步电动机的

工作原理，定子旋转磁场用一对磁极来表示。

一个圆柱形隐极转子，定、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。

实际反应式同步电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，其它位置的磁阻介于二者之间。

反应式同步电动机的空载时，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0≈em T 。当电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， 045=δ。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。

如果再增大负载，则δ角继续增大，则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。当转子偏转角090=δ时，全部磁力线都沿转子交轴方向通过转子，磁力线末被扭斜，没有切向的电磁力，电磁转矩0=em T ；当0

90>δ时，

电磁转矩改变方向，为负值；当0180=δ时，电磁转矩又变为0=em T 。

图8-6 反应式同步电动机转子 （a ）、（b ）凸极鼠笼转子结构 （c ）设置隔离槽的鼠笼转子结构 1——鼠笼条 2——铁心 (b)0=δ，(c)045=δ，(d)090=δ，(e) 0135=δ

图8-7 反应式同步电动机的运行模型

反应式同步电动机的最大电磁转矩发生在045=δ时，与永磁式同步电动机一样，只要负载阻转矩不超过最大电磁转矩，反应式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045>δ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，电机的直轴同步电抗d x 和交轴同步增长电抗q x 皆为常数。

q d x x 的数值

越大，则最大同步转矩m T 越大。因此反应式同步电动机采取

一些措施增大d x 和q x 的差别，可以显著地增大电磁转矩的

值。目前可以做到1:5:=q d x x 。例如反应式同步电动机的

转子采用非磁性材料（铝或铜）和钢片镶嵌的结构，如图8-8

所示，其中铝或铜部分可以起到笼型绕组的作用使电动机起

动。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跃非磁性材料铝或铜的区域，磁阻很大，对应的交轴电抗很小。

从以上分析可知，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，就不会产生反应转矩，电机

就不能转动。

反应式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

来起动。与永磁式同步电动机一样，反应式同步电动机的起动也是比较困难

的，需有起动措施，通常也在转子上装设供异步起动的笼型绕组作为起动绕

组，如图8-9所示，同时也起到抑制同步电动机振荡的作用。

反应式同步电动机结构简单、运行成本低廉、运行可靠，但功率因数低，

不能自起动。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。反应式同步电机可以是单相或三相，功率从几瓦到几百瓦。 第四节 磁滞式同步电动机

一、滞式同步电动机的结构

磁滞式同步电动机的结构主要分定子和转子两部分。磁滞式同步电动机的定子绕组分为两相或单相。两相的磁滞同步电动机的定子与一般的交流伺服电动机定子相同，两相绕组接通电源后，定子绕组产生一个旋转磁场。单相磁滞同步电动机定子的磁极是套有短路环的罩极式结构。单相绕组接通电源后，定子绕组产生一个旋转磁场。

磁滞式同步电动机的转子由硬磁材料制成，一般由磁滞层、轴套、挡板和转轴四部分组成，其结构有叠片式和整块式。叠片式转子是用硬磁材料冲片叠压而成的，磁滞层较薄。整块式可由棒料或管状料车削而成，再套在轴套（套筒）上，两边加上挡板固紧。轴套主要由两种材料制成，一种是磁性轴套，轴套由导磁性能良好的铁磁材料制成，如纯铁、钢等。另一种是非磁性轴套，轴套由黄铜、铝合金等非磁性材料制成。

二、滞式同步电动机的工作原理

磁滞式同步电动机结构上的主要特点是它的转子是用硬磁材料制成的，结构型式为隐极式。硬磁材料具有比较宽的磁滞回线，如图8-11所示，剩磁r B 和矫顽力c H 比软磁材料大，反映出硬磁材料磁化时阻碍磁分子运动的相互摩擦力较大，单位场强的磁滞损耗比较大。铁磁材料在交变磁化时，磁滞现象表现为磁感应强度B 滞后于磁场强度H 一个时间角。磁滞同步电动机的转子，是处于旋转磁化状态，磁滞现象表现为铁磁材料的磁势滞后于外磁势一个空间角。

8-9 图 反应式同步电动机的转子

8-8

图8-12表示一个用硬磁

材料制成的圆柱形转子放在

一般的异步电动机的定子之

中，定子所产生的旋转磁场用

一对Ｎ、Ｓ磁极来表示。当旋

转磁场以同步速度相对转子

旋转时，转子的每一部分都要

被交变地磁化，转子的所有磁

分子将随着旋转磁场的方向

进行排列。如果在开始瞬间，

转子磁分子的排列方向与旋

转磁场的轴线方向一致，如图

8-12（a ）所示，为了清楚起

见，图中只画了两个磁分子。这时定、转子之间的相互作用是径向的，定子磁场与转子之间只有径向力F ，不产生电磁转矩。当旋转磁场相对转子转动后，转子磁分子也要跟随旋转磁场方向转动。可是，由于转子是由硬磁材料制成的，它的剩余磁感应r B 及矫顽力c H 比较大，磁分子之间具有很大的摩擦力，因此，磁分子不能立即随着定子旋转磁场方向转过同样角度，而要落后定子旋转磁场一个角度δ。磁分子产生的合成磁通即转子磁通也就落后定子磁场一个角度δ，如图8-12（b ）所示。根据Ｎ极和Ｓ极相互吸引的原理，在转子上受到一个电磁感应力F 的作用。这个力可以分解为一个径向力n F 和一个切向力t F 。其中切向力t F 就产生了磁滞转矩，用Z T 表示，在它的作用下，转子就跟随着定子旋转磁场转动起来。由此可见，磁分子轴线滞后于旋转磁场轴线一个角度δ是产生磁滞转矩的根本原因，这个角δ称为磁滞角，显然，磁滞角δ的大小与定子旋转磁场相对转子的转速无关，它决定于转子所用硬磁材料的性质。

当转子以低于同步转速1n 运行时（常称异步运行状

态），无论转子转速如何，在定子磁场的反复磁化下，

转子的磁滞角δ都是相同的，所产生的磁滞转矩Z T 也

与转速无关。在异步状态运行时，电机的机械特性是一

条与横轴平行的直线，如图8-13（a ）所示。

磁滞同步电动机如果在磁滞转矩Z T 作用下起动并

达到同步转速运行时（通常称为同步运行状态），转子

相对旋转磁场为静止，也不再被交变磁化，而是被恒定

地磁化。这时，转子类似一个永磁转子，转子磁通的轴线与定子磁场的轴线之间的夹角是可以变化的。当电机转轴上的负载阻转矩为0时，被除磁化的转子产生的磁通轴线与定子磁场的轴线重合，电机不产生转矩。当负载转矩增大时，电机就要瞬时减速，定、转子两个磁场间的夹角增大，电机产生的转矩也磁大，再与负载转矩相平衡以同步速运转。这种转矩平衡的情况与永磁式同步电动机运行时完全相同。

除了磁滞转矩Z T 以外，当转子以低于同步转速旋转时，转子与旋转磁场之间有相对运动，磁滞转子也要切割旋转磁场产生涡流。转子涡流与旋转磁场相互作用产生涡流转矩，用B T 表示。这种涡流转矩的性质与异步电动机产生的转矩相同。涡流转矩随转子转速增加而减小；当转子以同步速旋转时，涡流转矩图 8-12磁滞式同步电动机的工作原理

图 8-11铁磁材料的磁滞回线

8-13

为零，其机械特性如图8-13（b ）所示。涡流转矩能增大起动转矩，但在磁滞电动机中，由于转子材料为硬磁材料，涡流转矩一般比磁滞转矩小得多。

考虑了磁滞转矩Z T 和涡流转矩B T 后，磁滞电动机的总转矩为B Z em T T T += （8-2）

相应的机械特性曲线如图8-14所示。

从图中可见，磁滞同步电动机不但在同步状态下运行能产生转矩，而且在异步状态下运行也能产生转矩。特别是起动时，0=n ，起动转矩为最大，因此磁滞式同步电动机能自起动，这是磁滞同步电动机优于其它同步电动机的一大特点。磁滞同步电动机既可在同步状态下运行，又可在异步状态下运行。当负载转矩L T 小于Z T 时，电机运行于同步状态，如图8-14所示a 点；当负

载转矩L T 大于Z T 时，电机运行于异步状态，如图8-14所示b 点。一

般磁滞电动机很少运行于异步状态，这是由于异步状态运行时，转子铁

心被交变磁化，产生很大的磁滞损耗和涡流损耗，这些损耗随转差率s

增大而增大，只有当转子转速等于同步转速时才为零，因此在起动时最

大。所以磁滞式同步电动机在异步状态运行时，尤其在低速运行时是很

不经济的。

磁滞同步电动机最可贵的特点是具有很大的起动转矩，因而它不需

要附设任何起动绕组就能很快自己起动，这是磁滞同步电动机与其它类

同步电动机相比具有的最大优点。

为了增大磁滞转矩，磁滞式同步电动机的转子采用磁滞回线尽可能宽的硬磁材料制造，最理想的是矩形磁滞回线，目前应用较多的是铁钴钒、铁钴钼等合金材料。叠片式转子的涡流转矩小，电机起动及运行主要依靠磁滞转矩，整块式转子，除了有磁滞转矩外，还有涡流转矩，可增大起动转矩。

有时为了增大电机的转动惯量，提高电机运行的稳定性，磁滞电动机采用外转子的结构。转子罩在定子外面，定子槽内放着绕组产生旋转磁场。这种具有外转子的磁滞电动机通常应用在陀螺装置、电唱机及其它装置中。

磁滞式同步电动机具有自起动能力，结构简单、工作可靠、运行噪音小、可以同步运行，在某些条件下又能异步运行。但磁滞电动机的效率和功率因数较低，由于磁滞材料的利用率不高，使电动机的重量和尺寸比其它类电动机大，价格也较高。

磁滞电动机还可以与其它类的同步电动机组合，形成组合电机，既可保持磁滞电动机的良好起动性能，又能较大地提高电动机同步运行时的力能指标。目前已有磁滞——反应式同步电动机、磁滞——永磁式同步电动机和磁滞——励磁式同步电动机等。

第五节 微型同步电动机的性能指标及应用选择

一、微型同步电动机的性能指标

我国目前设计和制造的微型同步电动机，其部分产品代号名称如ＴＹＣ一永磁式同步电动机、ＴＸ一反应式同步电动机、ＴＺ一磁滞式同步电动机，下面以磁滞式同步电动机型为例加以说明。

1．型号说明

例如28TZ01型号含义

28——机座代号，机壳外径28mm ；ＴＺ——产品代号，内转子磁滞式同步电动机；0——频率代号，400Hz ；1——性能序号，第1种性能参数。

2．电压

同步电动机定子的电压是指额定电压，一般允许波动范围±5％左右，电压过高，电机会发热，电压过低，电机性能将变坏。

3．频率 图8-14 磁滞式同步电动机有机械特性 em

目前我国生产的微型同步电动机，一般常采用的频率分为低频和中频两大类，低频为50Hz或60Hz，中频有400Hz。在使用时特别注意低频电机不应该用中频电源，中频电机也不应该用低频电源。

4．电流

一般在正常运行时，不允许负载电流超过额定电流，否则长时间运行会引起电机发热，参数发生变化，电机性能将变坏。

二、微型同步电动机的应用选择范围

微型同步电动机的转子速度不随负载和电压的变化而变化，因此广泛应用在恒速运转的自动控制装置中。例如在录像机、录音机、电唱机、传真机、自动记录仪、时间机构等装置中。在自动控制系统中也可作执行元件，例如复印机的微调机构，钟表机构等采用低速旋转的微型同步电动机最为合适。在工业上，电子自动电位差计与热电偶或辐射高温计配合使用，用来测量和监控温度，在发电厂中得到广泛的应用。微型同步电动机可用在恒定频率和可变频率的交流电源上。根据系统的使用情况不同，各种微型同步电动机的特点和应用范围也不同。

1．反应式(磁阻式)微型同步电动机

反应式微型同步电动机的主要特点是结构简单，运行可靠，起动特性较好，转子采用凸极结构，使直轴与交轴磁阻不同，但励磁电流大，功率因数低，效率低，适合于大容量转速恒定的系统中。

2．永磁式微型同步电动机

永磁式微型同步电动机的主要特点是结构简单，运行可靠，效率高，但起动性能不好，体积比较大。适合于要求转速恒定的系统或装置中。例如自动装置、自动记录仪，在这些设备装置中，主要作为驱动元件。

3．磁滞式微型同步电动机

磁滞式微型同步电动机的主要特点是不需要起动绕组能自行起动，在整个起动过程中磁滞转矩恒定不变，能将负载平稳的拉入同步。此外，结构简单，运行可靠，运行噪音低，但是功率因数和效率都很低。适合于恒速传动的自动装置和自动控制系统中。例如记录仪器、传真机和精确的自动计时装置。在这些装置和系统中主要用作驱动元件，它在异步状态运行时，还可用作伺服系统驱动元件用。

三、微型同步电动机的使用

1．对于要求转速稳定度很高的同步随动系统

例如录音、传真设备，不仅要求转子平均转速稳定，如果电源的频率一定时，则转子的平均速度是一个常数。然而，瞬时速度却可能在平均速度上下波动。瞬时速度的这种变化，称为同步电动机转子振荡。在振荡期间，转子瞬时速度是变化的，这种变化会给一些设备带来误差。为此，在选用同步电动机时，还要提出速度稳定的要求。如何稳定同步电动机转子瞬时速度的变化呢?在使用和在选择时要求在永磁式和磁阻式转子上，加装鼠笼形阻尼绕组，当转子瞬时速度发生变化时，鼠笼绕组中会产生感应电流，该电流与旋转磁场相互作用，产生阻尼转矩，可使转子瞬时速度保持稳定。

2．同步电动机的调速

n。在这种同步电动机如用恒定频率电源供电，电机转子速度恒定等于磁场的旋转速度，即同步转速

1

情况下要改变它的速度，需要改变定子绕组的连接，以改变同步电动机的磁极对数，其原理与电机学中变极调速的原理是相同的。但是必须注意，只有磁滞式同步电动机可以在不同的定子磁极对数下运行。这是因为当定子磁极对数改变时，由于磁化作用，转子的磁极对数会自动跟着变化，定子磁场与转子磁极对数总保持相等，而永磁式和反应式同步电动机的转子极数在制造时已经确定，不能改变。

改变电源的频率可以平滑地调节同步电动机的转速，这种变频调速的原理和线路比较复杂，是专门研究的课题。采用变频调速的同步电动机通常用于同步连接系统。