同步电机：设计、运行与应用

单相同步电机

紧凑型单相同步电机适合石英钟、磁带播放器等精密计时装置。虽电池供电石英钟普及，但交流电网版本长期精度更高，因电厂主动维持电网频率；频率下跌时会补偿，保证走时精准。

大型与小型同步电机

功率超过10马力（10千瓦）时，大型同步电机的高效率和超前功率因数在工业中尤为宝贵。其效率比同规格感应电机高几个百分点，但机械结构更复杂。

电机与发电机基本结构相同，发电机可作电机运行，反之亦然。

异步电机类似于带旋转磁场的交流发电机。下图展示了永磁旋转磁场的小型发电机。该装置可为两台由机械驱动同步的发电机、发电机与同步电机耦合，或两台由外部电源激励的电机。

关键要求：所有转子以同一标称频率运行并保持同相——即同步。同步步骤：

• 断开开关。
• 以相同机械转速驱动两台发电机。
• 调节一台相位，使交流输出同相。
• 在漂移前合上开关。

同步后，两台发电机锁定，需巨大扭矩才能失步。

同步电机与发电机同步运行

同步电机的转矩分析

给同步运行的发电机之一施加顺旋转方向的额外转矩，会使其转子相对于定子磁场超前，此时向交流线路输送能量，如发电机运行。反之，加制动负载使转子滞后，则从交流线路吸收能量，如电机运行。

过大转矩或阻力会推动转子超过最大转矩角，导致失去同步。只有保持同步才能产生转矩。

同步电机启动至同步转速

与发电机不同，小型同步电机不能自启动。必须先加速至接近电气同步转速，才能锁定发电机转速。达到同步转速后，电机维持同步并产生转矩。

正弦波驱动同步电机

转子随定子磁场周期经历变化转矩：正峰值时北极最大排斥；过零点转矩最小；负峰值时情况反转。全周期内转矩在最大值与最小值间振荡。

带负载时，转子滞后理想位置角度α。最大转矩发生在α=90°，超出则失去同步。实际中，单相同步电机电流脉动且极性交替。

因转子为永磁体，需用辅助感应电机加速至接近交变磁场频率后再同步。

增加极对数降低转速

2极发电机3600转/分（60转/秒）产生60Hz正弦波。增加极对数降低转速：4极→1800转/分；12极→600转/分。多极同步电机效率更高、转矩更大。

单绕组12极同步电机

12极电机无需绕12个线圈，单线圈与十二个钢极片交错排列。转子每机械转一圈遇六对极，转速为2极电机的六分之一。

经Westclox History授权转载

Westclox 12极同步钟电机定子采用单线圈，适合低转矩应用。600转/分经减速齿轮驱动指针。

问：若Westclox电机在50Hz电源下以600转/分运行，需多少极？

答：10极电机（5极对）在50Hz下转速为50÷5=10转/秒，即600转/分。

经Westclox History授权转载

转子由永磁条与钢制感应电机杯组成。感应杯使其自启动；早期设计无此部件。

三相同步电机

三相同步电机在定子产生电气旋转磁场。固定50/60Hz电源下无法自启动，多马力机型通常用电磁转子而非永磁体。

大型工业同步电机效率超感应电机，且因超前功率因数可修正滞后功率因数。转速公式：S = f × 120 / n，f为线频率(Hz)，n为极对数。

4极电机在60Hz下1800转/分，50Hz下1500转/分。定子相序激励（φ-1, φ-2, φ-3）产生平滑旋转磁场而非离散步进。

大型同步电机用滑环供电励磁，嵌入鼠笼导条自启动。仅在接近同步转速后给转子励磁。

三相4极同步电机

小型多相同步电机

小型多相同步电机通过从零渐增驱动频率至工作频率启动。驱动信号通常由电子电路产生，多为正弦波，要求不高时也可用方波。

此类电机常称无刷直流电机。真正同步电机由正弦波驱动，两/三相驱动需相应定子绕组。

电子同步电机

框图展示低压（12V直流）同步电机驱动电子学。电机内置位置传感器，输出与转速成比例的低电平信号。

位置传感选项：霍尔效应器件（换相时序）、高分辨率旋转变压器、磁编码器、光学编码器。恒速精准场合（如磁盘驱动器）可用测速发电机与锁相环(PLL)，PLL将测速信号与晶振基准比较以维持同步。

锁相环控制同步电机转速

无刷直流电机

方波电流驱动、常用霍尔传感器的电机称无刷直流电机。其转矩脉动大于正弦波驱动同步电机，多数应用可接受，但磁带播放器等精密设备需最小化脉动转矩。

电机脉动转矩与机械类比

脉动转矩（齿槽转矩）源于转子极与定子极片磁吸引。仅当定子磁场正弦分布时才产生正弦波反电动势。跨多槽分布绕组可减弱奇次谐波，获得更正弦的磁场。

带状分布绕组产生更正弦磁场

两相正弦波驱动电机因sin²θ+cos²θ=1，全周转矩恒定。同步需精确转子位置指示——旋转变压器或编码器提供此分辨率。

脉宽调制(PWM)可高效逼近正弦波。每相需驱动电路提供适当相移波形。

PWM逼近正弦波

同步电机优势

同步电机效率高于感应电机，采用高能永磁体时体积更小。现代固态电子技术实现变速运行。

虽感应电机主导铁路牵引，但驱动轮内的小型同步电机在重量和效率上有优势。高温超导同步电机重量仅常规铜绕线电机的五分之一到三分之一。

实验性超导同步电机已达驱动驱逐舰级军舰的功率等级。变速驱动在所有这些应用中必不可少；因感抗随低速降低，必须在低速时降低供电电压。

最大转矩发生在转子滞后定子磁场90°时。超出此角破坏同步，滞后角减小则转矩下降。因此精确转子位置测量和矢量相位控制——通过快速微处理器和PWM实现——至关重要。

因同步电机定子与感应电机相同，用于感应电机的工业级电子调速可应用于大型同步电机。展开转子和定子可得同步直线电机，适合高精度直线定位。

相关工作表：

• 交流电机理论工作表