福州大学电机学同步电机的基本结构和工作原理
同步电机的工作原理
同步电机的工作原理一、引言同步电机是一种常见的电动机，广泛应用于工业生产中。
了解同步电机的工作原理对于理解其性能和应用具有重要意义。
本文将详细介绍同步电机的工作原理，包括结构、原理和工作方式。
二、同步电机的结构同步电机由定子和转子组成。
定子是由三相绕组构成的，通常采用星型连接。
转子由磁体构成，通过轴承与电机的轴连接。
三、同步电机的工作原理1. 磁场产生同步电机通过定子绕组中的电流产生磁场。
当三相交流电通过绕组时，会形成旋转磁场。
这个旋转磁场是由电流在绕组中的相位差所决定的。
2. 磁场与转子的交互作用转子上的磁体与定子产生的旋转磁场相互作用。
由于磁体的磁性，转子会受到磁力的作用，导致转子开始旋转。
3. 同步运行由于定子产生的旋转磁场的频率与电源频率相同，转子的旋转速度与旋转磁场的速度保持同步。
因此，同步电机被称为同步电机。
四、同步电机的工作方式同步电机有两种常见的工作方式：同步发电和同步驱动。
1. 同步发电在同步发电中，同步电机作为发电机使用。
电源通过绕组提供电流，使得定子产生旋转磁场，而转子则被机械能驱动旋转。
旋转的转子通过感应产生电势，将电能转化为机械能。
2. 同步驱动在同步驱动中，同步电机作为驱动器使用。
电源通过绕组提供电流，使得定子产生旋转磁场，而转子则被外部机械装置驱动旋转。
同步电机通过转子的旋转产生磁场，将电能转化为机械能，从而驱动外部机械装置。
五、同步电机的优点和应用同步电机具有以下优点：1. 高效率：同步电机的效率较高，能够有效地转化电能为机械能。
2. 稳定性好：同步电机的转速稳定，能够保持与电源频率同步。
3. 调速性能好：同步电机可以通过调节电源频率或改变绕组的连接方式来实现调速。
同步电机广泛应用于以下领域：1. 工业生产：同步电机常用于驱动工业生产中的机械装置，如泵、风机、压缩机等。
2. 发电厂：同步电机作为发电机使用，将机械能转化为电能。
3. 交通运输：同步电机在电动车、电车和高铁等交通工具中得到广泛应用。
同步电机的工作原理
同步电机的工作原理一、概述同步电机是一种特殊的交流电机，它的转速与电源频率同步，因此被称为同步电机。
同步电机广泛应用于工业生产中，如电力系统、机械传动和电动车辆等领域。
本文将详细介绍同步电机的工作原理。
二、同步电机的基本结构同步电机由定子和转子两部分组成。
定子是由电磁铁圈和绕组构成，绕组通常采用三相对称的绕组形式。
转子由永磁体或电磁铁圈构成，转子上的永磁体与定子的磁场相互作用，产生转矩。
三、同步电机的工作原理1. 磁场产生同步电机的定子绕组通电后，产生的磁场称为定子磁场。
定子磁场的磁通量密度与定子电流成正比。
转子上的永磁体或电磁铁圈产生的磁场称为转子磁场。
2. 磁场同步当定子磁场与转子磁场的磁通量密度相等时，两者的磁场达到同步。
这时，定子磁场和转子磁场的磁通量密度在空间上保持一致，形成一个旋转磁场。
3. 转矩产生同步电机的定子磁场与转子磁场之间产生的磁场相互作用，产生转矩。
这个转矩使得同步电机能够启动并运转。
四、同步电机的工作特点1. 转速恒定同步电机的转速与电源频率同步，因此转速是恒定的。
这使得同步电机在需要恒定转速的场合非常适用，如电力系统中的发电机。
2. 高效率同步电机的转速恒定，可以使其在额定负载下运行，从而提高效率。
同步电机的效率通常高于异步电机。
3. 启动困难同步电机的转子磁场必须与定子磁场同步，因此启动时需要外部的助力。
常见的启动方法有使用起动器、改变电源频率等。
4. 高功率因数同步电机的功率因数通常高于异步电机，可以提高电力系统的功率因数，减少无功功率的损耗。
五、同步电机的应用领域1. 电力系统同步电机广泛应用于电力系统中的发电机。
其稳定的转速和高功率因数使其成为电力系统中的重要组成部分。
2. 机械传动同步电机在机械传动中具有高效率和恒定转速的特点，适用于需要恒定转速的场合，如风力发电机组、水泵等。
3. 电动车辆同步电机在电动车辆中也有应用，其高效率和高功率因数可以提高电动车的续航里程和性能。
同步电动机的结构特点和工作原理
同步电动机的结构特点和工作原理同步电动机是一种常见的旋转电动机，也被称为同步机。
它的工作原理基于电磁感应和电磁力的相互作用。
本文将重点介绍同步电动机的结构特点和工作原理。
一、同步电动机的结构特点1. 定子结构：同步电动机的定子由若干个相同的定子线圈组成。
这些线圈一般均匀地分布在定子铁心上，并按照一定的排列方式连接。
定子线圈一般采用导电线圈绕制而成，导电线圈之间通过绝缘材料进行隔离，以防止电流短路。
2. 转子结构：同步电动机的转子通常是由永磁体构成，也可以通过直流电源或交流电源提供励磁，以形成磁场。
转子一般采用圆形或长条形的形状，具有一定的磁导率和导磁性能。
转子的形状和材料的选择对同步电动机的性能具有重要影响。
3. 传动机构：同步电动机的传动机构通常是由轴、轴承和联轴器组成。
轴承起到支撑和固定转子的作用，联轴器用于连接电动机和外部负载，传递力和扭矩。
4. 冷却系统：同步电动机由于工作过程中会产生大量的热量，所以通常需要配备冷却系统。
冷却系统可以通过通风散热、水冷或气冷等方式来降低电动机的温度，保证其正常运行。
5. 控制系统：同步电动机的控制系统包括调速装置、控制器和传感器等。
调速装置可以调节电动机的转速和扭矩，控制器用于控制电动机的启动、停止和运行状态，传感器用于实时监测电动机的运行参数。
二、同步电动机的工作原理同步电动机的工作原理基于电磁感应和电磁力的相互作用。
当电动机通电时，电流通过定子线圈，产生的磁场会与转子上的磁场相互作用，从而使转子受到电磁力的作用而转动。
1. 磁场同步：同步电动机的转子上的磁场与定子线圈产生的磁场同步运动。
这意味着转子上的磁场和定子线圈的磁场具有相同的频率和相位，使得转子能够以同步速度旋转。
2. 磁场锁定：同步电动机在运行时可以实现磁场的锁定。
这意味着当电动机的负载发生变化时，磁场可以自动调整以保持同步。
这种磁场锁定特性使得同步电动机在变负载情况下仍能保持稳定的运行。
3. 高效率：同步电动机具有较高的效率。
同步电机的工作原理
同步电机的工作原理一、概述同步电机是一种重要的电动机类型，广泛应用于各种工业领域。
它的工作原理是基于电磁感应和电磁力的作用，通过外加电源的驱动，使得电机的转子与磁场同步运动。
本文将详细介绍同步电机的工作原理。
二、同步电机的构造同步电机由定子和转子两部分组成。
定子是由若干个绕组和磁极组成，绕组连接在电源上，形成磁场。
转子是由磁性材料制成，通常为永磁体或者由直流电源供电的电磁体。
定子和转子之间的磁场相互作用，使得电机运转。
三、同步电机的工作原理1. 磁场产生同步电机的定子绕组通电后，产生一个旋转磁场。
这个旋转磁场的频率由电源的频率决定，通常为50Hz或60Hz。
磁场的极性随着时间的推移而改变，形成一个旋转的磁场。
2. 转子运动同步电机的转子受到定子磁场的作用，被迫与定子磁场同步旋转。
当转子与定子磁场同步旋转时，电机处于同步状态。
3. 同步速度同步电机的旋转速度与旋转磁场的频率有关，通常表示为n_s。
同步速度可以通过下式计算得到：n_s = 120f/p其中，n_s为同步速度，f为电源频率，p为极对数。
4. 工作原理解释当同步电机的转子速度与同步速度相等时，电机处于同步状态，电机转子不会滑动。
但是在实际应用中，转子速度往往与同步速度有微小的差异，这个差异称为滑差。
滑差的存在会导致电机产生转矩，从而驱动负载运动。
5. 同步电机的特点同步电机具有以下特点：- 转速稳定：同步电机的转速与电源频率成正比，因此转速非常稳定。
- 功率因数高：同步电机的功率因数通常接近1，可以提高电网的功率因数。
- 高效率：同步电机的效率较高，适用于长时间运行的工业应用。
- 高起动转矩：同步电机的起动转矩较大，适用于需要大起动转矩的应用。
四、应用领域同步电机广泛应用于以下领域：1. 发电机组：同步电机常用于发电机组中，将机械能转化为电能。
2. 工业驱动：同步电机适用于各种工业驱动，如风机、泵和压缩机等。
3. 交通运输：同步电机常用于电动汽车和高速列车等交通工具中。
同步电机基础知识
同步电机基础知识
一、同步发电机的基本工作原理
1.基本组成
1)定子——定子铁心、定子绕组(电枢绕组—交流)
2)转子——转子铁心、转子绕组(励磁绕组—直流)
2.工作原理
1)原动机拖动转子旋转。
2)转子通入直流励磁——产生恒定磁场，随转子旋转形成机械旋转磁场。
3)电枢绕组切割转子旋转磁场感应电动势
a.感应电动势的相序：与绕组沿定子内圆的空间分布和转子旋转磁场的方向有关——要求感应正序电势，即A—B—C
b.感应电动势的频率：与转子磁场的极对数p和转速n有恒定关系。
——
c.感应电动势的大小与波形——交流绕组的感应电动势。
二、同步电机基本结构
1.分类：
1)按转子磁极形状分：隐极式和凸极式。
2)同步发电机按原动机分：
——汽轮发电机：整体采用卧式结构，转子磁极采用隐极式，原动机为汽轮机
——水轮发电机：整体采用立式结构、转子磁极采用凸极式、原动机为水轮机
2.同步电机的结构
1)定子：定子铁芯——采用0.5mm厚的硅钢片叠成，以减少涡流和磁滞损耗
定子绕组——交流绕组
2)转子：转子铁芯——隐极机转子采用整块具有良好导磁性的高强度合金钢锻成
凸极机转子采用硅钢板叠成
转子绕组——直流绕组
3.同步电机的铭牌
1)额定容量(或额定功率)：指额定运行时电机的输出功率。
2)额定电压：指额定运行时定子线电压。
3)额定电流：指额定运行时定子的线电流。
4)额定功率因数：指额定运行时电机的功率因数。
5)额定频率：指额定运行时电枢的频率。
我国标准工频为50Hz。
6)额定转速：指额定运行时电机的转速。
同步电机的基本工作原理和结构
同步电机的基本工作原理和结构第一节精编资料本章主要介绍同步电机的结构和基本工作原理,同步电机的电动势和磁动势,异步电动...二,同步电机的工作原理1磁场:三相同步电机运行时存在两个旋转磁场: 定子旋转磁场...原理,结构同步电机的基本工作原理和结构本章主要介绍同步电机的结构和基本工作原理、同步电机的电动势和磁动势、异步电动机的电势平衡，磁势平衡、等值电路及相量图、功率转矩、同步发电机运行原理等内容。
本章共有10节课，内容和时间分配如下:1.掌握同步电机的结构特点及工作原理。
(2节)2.掌握同步电机绕组有关的结构、额定参数(1节)3.掌握同步电机机绕组的磁动势、等效电路，一般掌握相量图。
(3节)4.掌握同步电机功率、转矩和同步电机启动特性。
(2节)5.了解同步发电机的运行原理。
(2节)一、简介交流电机，根据用途，可以分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机三类。
(交流电能几乎全部是由同步发电机提供的。
目前电力系统中运行的发电机都是三相同步发电机。
同步电动机可以通过调节其励磁电流来改善电网的功率因数，因而在不需要调速的低速大功率机械中也得到较广泛的应用。
随着变频技术的不断发展，同步电动机的起动和调速问题都得到了解决，从而进一步扩大了其应用范围。
同步补偿机实质上是接在交流电网上空载运行的同步电动机，其作用是从电网汲取超前无功功率来补偿其它电力用户从电网汲取的滞后无功功率，以改善电网的供功率因数。
) 二、同步电机的工作原理1磁场:三相同步电机运行时存在两个旋转磁场: 定子旋转磁场和转子旋转磁场。
定子旋转磁场—又常称为电枢磁势，而相应的磁场称为电枢磁场60f1n,速度:同步速度，即 1p方向:从具有超前电流的相转向具有滞后电流的相。
形成原因:以电气方式形成。
(当对称三相电流流过定子对称三相绕组时,将在空气隙中产生旋转磁通势。
它的旋转速度60f1n,1p为同步速度，即;它的旋转方向是从具有超前电流的相转向具有滞后电流的相;当某相电流达到最大值的瞬间，旋转磁势的振幅恰好转到该相绕组轴线处。
同步电机的工作原理
同步电机的工作原理一、引言同步电机是一种常见的电动机类型，它具有高效率、高功率因数、稳定转速等优点，在工业生产中得到广泛应用。
本文将详细介绍同步电机的工作原理。
二、同步电机的基本结构同步电机由定子和转子组成。
定子是由三相绕组构成的，绕组中通有交流电，产生旋转磁场。
转子由永磁体或电磁体构成，与定子的磁场同步旋转。
三、同步电机的工作原理1. 旋转磁场产生同步电机的定子绕组通电后，产生一个旋转磁场。
这是因为定子绕组接通的是三相交流电，三相电流的相位差使得定子绕组中的磁场随时间旋转。
2. 磁场与转子的作用转子中的永磁体或电磁体受到定子磁场的作用，力使得转子与定子的磁场同步旋转。
由于同步转子的磁场与定子的磁场同步，因此称之为同步电机。
3. 同步电机的转速同步电机的转速由电源的频率和定子绕组的极对数决定。
转速与电源频率成正比，与极对数成反比。
例如，电源频率为50Hz，极对数为4，那么同步电机的转速为1500转/分钟。
4. 励磁方式同步电机的励磁方式有直流励磁和交流励磁两种。
直流励磁是通过外部直流电源提供励磁电流，交流励磁是通过定子绕组自身的交流电流产生励磁磁场。
5. 同步电机的运行状态同步电机的运行状态可以分为同步运行和失同步运行两种。
同步运行是指转子与定子的磁场同步旋转，转速稳定。
失同步运行是指转子与定子的磁场不同步旋转，转速不稳定。
6. 同步电机的应用领域同步电机广泛应用于工业生产中，如电力系统中的发电机、压缩机、泵站等。
另外，同步电机还被用于电动汽车、风力发电等领域。
四、同步电机的优点和缺点1. 优点（1）高效率：同步电机的效率较高，能够提高能源利用率。
（2）高功率因数：同步电机具有较高的功率因数，可以减少无功功率的损耗。
（3）稳定转速：同步电机的转速稳定，适用于对转速要求较高的场合。
2. 缺点（1）启动困难：同步电机启动时需要外部辅助设备，如起动电动机或变频器。
（2）负载变化响应较差：同步电机在负载变化较大的情况下，转速容易波动。
同步电机的工作原理
同步机电的工作原理同步机电是一种常见的电动机类型，其工作原理基于电磁感应和磁场的相互作用。
下面将详细介绍同步机电的工作原理。
一、基本原理同步机电的工作原理是利用电磁感应的原理，通过交变电流在定子线圈中产生磁场，然后与转子上的永磁体磁场相互作用，从而产生转矩，使转子转动。
二、结构组成同步机电主要由定子、转子和控制系统组成。
1. 定子：定子是同步机电的固定部份，由定子线圈和定子铁芯组成。
定子线圈通常采用三相绕组，通过三相交流电源供电，产生旋转磁场。
2. 转子：转子是同步机电的旋转部份，通常由磁铁或者永磁体制成。
转子上的磁场与定子线圈产生的旋转磁场相互作用，从而产生转矩。
3. 控制系统：控制系统用于控制同步机电的运行，包括电源、变频器、编码器等。
电源提供电能，变频器控制机电转速和方向，编码器用于反馈机电的位置和速度信息。
三、工作原理同步机电的工作原理可以分为同步和调速两个阶段。
1. 同步阶段：当定子线圈通电时，产生的旋转磁场与转子上的磁场相互作用，使转子受到转矩作用而开始旋转。
由于定子线圈中的电流是交变的，所以旋转磁场也是交变的，与转子上的磁场保持同步，因此称为同步机电。
2. 调速阶段：在同步阶段，同步机电的转速与电源频率成正比。
如果需要改变机电的转速，可以通过变频器改变电源频率，从而改变旋转磁场的速度，实现机电的调速。
四、特点和应用同步机电具有以下特点：1. 高效率：同步机电的效率通常较高，能够达到90%以上，节能效果显著。
2. 稳定性好：同步机电的转速稳定性较高，适合于对转速要求较高的场合。
3. 启动转矩小：同步机电的启动转矩较小，需要外部辅助设备进行启动。
4. 适合范围广：同步机电适合于各种工业领域，如电力系统、石化行业、创造业等。
同步机电的应用领域包括发机电组、风力发电、水力发电、电动汽车、电动机车等。
五、总结同步机电是一种基于电磁感应和磁场相互作用的电动机类型，其工作原理简单明了。
通过定子线圈产生的旋转磁场与转子上的磁场相互作用，从而产生转矩，使机电转动。
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60 f n n1 p
同步电机的三种运行方式:
转子磁场Ff超前 于电枢磁场Fa Te与n1反向
转子磁场Ff滞后 于电枢磁场Fa Te与n1同向
第三节 同步发电机的励磁系统
励磁系统—为同步电机提供励磁电流(直流)的整个系统 一、励磁系统应满足的条件:
组成：铁芯、绕组、机座及其他部件
0.35或0.5mm硅钢片，叠压 定子铁心 由扇型片拼成，省材，便于运输
矩形开口槽,径向,轴向通风道 定子绕组 —三相对称双层绕组(电枢）
扁铜线绕制而成,采用成型线圈 机 座 —用钢板焊接而成 其他部件 —隔振结构、电刷等
隐极机定子
(隐)外机座加工
(隐)内定子插入外机座
• 额定频率fN ——我国标准工频50Hz
• 额定转速nN ——即为同步转速（r/min）
• 额定效率ηN
（发电机： PN SN cosN 3UN IN cosN
频率： f pn
60
转子加 直流励磁
原动机 拖动转子
转子磁场 切割定子绕组
感应 三相交流电势
B、同步电动机： • 定子：三相绕组通入三相交流电→产生电枢旋转磁场
I ABC
Fa
n1
60 f p
• 转子：磁极的励磁绕组通入直流电产生转子磁场
I f Ff 1
• 定子、转子相互吸引，转子跟随定子旋转磁场旋转
➢能稳定提供发电机从空载到满载(及过载)所需的If ➢当电网电压减小时,能快速强行励磁,提高系统稳定性. ➢发电机突然甩负荷时能快速减磁，限制电压过高 ➢当电机内部发生短路故障时,能快速灭磁. ➢多台并联运行时，能够成组配合调节无功功率.
二、励磁系统分类
直流励磁机励磁系统
静止整流励磁
交流励磁机整流励磁系统 旋转整流励磁
三、端盖和轴承
端盖：将电机本体两端封闭起来，与机座、定子 铁芯和转子一起构成完整的通风系统。 采用无磁性硅铝合金浇铸，减少涡流和磁 滞损耗
轴承： （隐）承受巨大转子重量和离心力，采用没膜 液体润滑座式轴承； （凸）推力轴承承受旋转部分的重量及水轮机 的轴向推力，是凸极机制造关键技术。
总结对比
隐极式 （Salient-pole）
类型 定子 转子磁极 转子绕组 气隙 速度 应用
凸极式
N
（Cylindrical-Rotor）
N
+
SS +
S
N
隐极式
铁芯+三相对称绕组 细长圆柱形，圆周上铣有
大齿、小齿（1：2） 分布 均匀
离心力小—高速 汽轮发电机（p≤2)
凸极式 铁芯+三相对称绕组
矮胖凸极形状
集中 极弧下小、极间大 离心力大—低速 水轮发电机(p≥3)
第二节 同步电机的基本工作原理
一、两种旋转磁场
电枢磁场 Fa (交流励磁的旋转磁场)
转子磁极磁场 Ff 1 (直流励磁的机械旋转磁场)
★思考：区别（产生机理、转速、分布）？
二、基本工作原理
A、同步发电机
定子 转子
铁芯 电枢绕组 (交流) 铁芯 励磁绕组(直流)
相电势大小：
E ph 4.44 fNK N1m
第四篇 同 步 电 机
第十五章 同步电机的基本结构和工作原理
电气工程与自动化学院 主讲 黄灿水 2016.3
配套教材：《电机学》，林荣文（福州大学），中国电力出版社，2014.1
目录
第十五章 同步电机的基本结构和工作原理
15.1 同步电机的基本结构形式 15.2 同步电机的基本工作原理 15.3 同步电机的励磁系统 15.4 同步电机的额定值
交流主励磁机100Hz
旋转电枢绕组
主发电机
自动电压调节器
图12-12 旋转整流励磁系统
第四节 同步电机的额定值
• 额定容量SN(或功率PN)：额定运行时的输出容量（或功率）
• 额定电压UN ——额定运行时的电枢绕组线电压
• 额定电流IN ——额定运行时的电枢绕组线电流
• 额定功率因数cosθN——额定运行时电枢绕组功率因数
凸极机定子机座
二、转子
1、隐极式转子结构（汽轮发电机）
最大直径限制在1m左右 细长型：增大长度来增大容量（l/D=2.5~6.5) 材料：良好导磁的合金钢锻成 其它部件：转轴、风扇、集电环 大齿：小齿=1：2
2、凸极式转子结构(水轮发电机）
结构：凸极、极靴、阻尼绕组、转子支架 粗短型：直径大（>10m） 安装：悬式、伞式(见下图)
同轴连接
电压输出
交流副励磁机500Hz
交流主励磁机100Hz
主发电机
自动电压调节器
图12-11 他励式静止整流励磁系统
2）旋转整流励磁系统(无刷励磁系统)
➢主励磁机采用旋转电枢式三相同步发电机 ➢无电刷和集电环，运行可靠，适用于防燃防爆场合 ➢但灭磁时间常数大，转子绕组保护困难
同轴连接 电压输出
交流副励磁机500Hz
第一节 同步电机的基本结构形式
1、基本特点 ①根据电磁感应原理工作的交流旋转电机 ②转子转速固定为同步转速
n
n1
60 f p
当f=50Hz时，p=1、2、3、4、5… 则： n=n1=3000、1500、1000、750、600…
2、主要用途
①主要作发电机
②电动机（无需调速、低速大功率机械、改善功率因数）
③补偿机（空转的同步电动机，向电网输送无功功率）
3、结构形式分类： A、旋转磁极式
定子 转子
气隙
电枢：高电压、大电流，装在定子便于引出 磁极(励磁)：电流小，通过电刷可以引入转子
B、旋转电枢式
定子 转子
气隙
用于小容量或特殊用途同步电机 如同步电机的交流励磁机
一、定子 （同一般的交流电机相似；尺寸大，常采用拼装）
吊装中的水轮发电机转子(320MW)
2、凸极式转子结构(水轮发电机）
阻尼绕组的作用： 抑制转子机械振荡； 启动绕组； 消除不对称运行的影响。
2、凸极式转子结构(水轮发电机）
a、悬式： b、伞式：
优—减小振动和增加机械稳定性，用于高速 缺—轴向高度大，投资成本高 优—减小电机的轴向高度和厂房高度，节约投资 缺—机械稳定性稍差，用于低速
1、直流励磁机励磁系统
➢直流励磁机与同步发电机同轴 ➢最常用直流并励发电机;也有采用它励直流发电机 ➢一般带有自动电压调节器(AVR)
注：红色为转动部件
2 、交流励磁机整流励磁系统
➢交流励磁机与整流装置相配合 ➢又可分为静止整流励磁和旋转整流励磁 ➢无电刷和集电环，系统运行可靠，励磁容量高
1）静止整流励磁系统(他励)