[科普中国]-同步电动机

同步电动机（synchronous motor）是由直流供电的励磁磁场与电枢的旋转磁场相互作用而产生转矩，以同步转速旋转的交流电动机。

简介转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电机。其转子转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足n=60f/p。转速n决定于电源频率f，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。具有运行稳定性高和过载能力大等特点。常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备(如轧钢机)等。

同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因数的。1

特点由于同步电机可以通过调节励磁电流使它在超前功率因数下运行，有利于改善电网的功率因数，因此，大型设备，如大型鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机等，常用同步电动机驱动。低速的大型设备采用同步电动机时，这一优点尤为突出。此外，同步电动机的转速完全决定于电源频率。频率一定时，电动机的转速也就一定，它不随负载而变。这一特点在某些传动系统，特别是多机同步传动系统和精密调速稳速系统中具有重要意义。同步电动机的运行稳定性也比较高。同步电动机一般是在过励状态下运行，其过载能力比相应的异步电动机大。异步电动机的转矩与电压平方成正比，而同步电动机的转矩决定于电压和电机励磁电流所产生的内电动势的乘积，即仅与电压的一次方成比例。当电网电压突然下降到额定值的80%左右时，异步电动机转矩往往下降为64%左右，并因带不动负载而停止运转；而同步电动机的转矩却下降不多，还可以通过强行励磁来保证电动机的稳定运行。2

结构同步电动机的结构和同步发电机基本相同，转子也分凸极和隐极。但大多数同步电动机为凸极式。安装形式也分卧式和立式。为了解决同步电动机的启动问题，在其转子上一般装有起动绕组。它还可以在运行中抑制振荡,故又称阻尼绕组。除了上述传统结构外，还有一种无滑动接触的爪极式转子结构。 以6极电机为例，在转轴上相向地装上两组爪形磁极。一组在爪盘上沿轴向向右伸出3个极身；另一组反向安装在右边,使爪盘上沿轴向向左伸出3个极身。 两组磁极的极性相反。磁极的外圆周表面装配后，不再象一般凸极电机那样呈圆瓦面，而是楔形瓦面，即一端的极弧较另一端长，整个转子形状如图。励磁绕组装在两侧磁轭外缘。它产生的磁通经过N、S极间的侧向主气隙gm、转子和定子间的轴向气隙g1和g2，再经端盖和机座而闭合，如图中虚线所示。为防止磁通经转轴短路，转轴应采用非磁性钢；或把转轴分成3段，中间一段为非磁性钢。这种结构的主要优点是旋转部分没有绕组，也无集电环和电刷之间的滑动接触，故运行可靠，绝缘结构简单，维修也方便。但它的主磁路长且有较多气隙，使励磁所需功率增大；电机外壳有强磁性，这会引起轴承发热；而转轴也必须采用隔磁措施。因此这种电机并未获得普遍推广，只在某些特殊场合下使用，一般容量不超过几百千瓦。

起动同步电动机仅在同步转速下才能产生平均的转矩。如在起动时立即将定子接入电网而转子加直流励磁，则定子旋转磁场立即以同步转速旋转，而转子磁场因转子有惯性而暂时静止不动，此时所产生的电磁转矩将正负交变而其平均值为零，故电动机无法自行起动。要起动同步电动机须借助其他方法，主要有以下两种方法。

①异步起动法：在电动机主磁极极靴上装设笼型起动绕组。起动时，先使励磁绕组通过电阻短接，而后将定子绕组接入电网。依靠起动绕组的异步电磁转矩使电动机升速到接近同步转速，再将励磁电流通入励磁绕组，建立主极磁场，即可依靠同步电磁转矩，将电动机转子牵入同步转速。

②辅助电动机起动法：通常选用与同步电动机同极数的感应电动机（容量约为主机的10～15%）作为辅助电动机，拖动主机到接近同步转速，再将电源切换到主机定子，励磁电流通入励磁绕组，将主机牵入同步转速。

分类同步电动机在结构上大致有两种：

转子用直流电进行励磁它的转子做成显极式的，安装在磁极铁芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的极性，并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。磁场线圈是由一只小型直流发电机或蓄电池来激励，在大多数同步电动机中，直流发电机是装在电动机轴上的，用以供应转子磁极线圈的励磁电流。

由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动机启动之用。鼠笼绕组放在转子的周围，结构与异步电动机相似。

当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生了一个旋转磁场，鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场的转速，此时转子磁场线圈经由直流电来激励，使转子上面形成一定的磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。

转子不需要励磁的同步电机转子不励磁的同步电动机能够运用于单相电源上，也能运用于多相电源上。这种电动机中，有一种的定子绕组与分相电动机或多相电动机的定子相似，同时有一个鼠笼转子，而转子的表面切成平面。所以是属于显极转子，转子磁极是由一种磁化钢做成的，而且能够经常保持磁性。鼠笼绕组是用来产生启动转矩的，而当电动机旋转到一定的转速时，转子显极就跟住定子线圈的电流频率而达到同步。显极的极性是由定子感应出来的，因此它的数目应和定子上极数相等，当电动机转到它应有的速度时，鼠笼绕组就失去了作用，维持旋转是靠着转子与磁极跟住定子磁极，使之同步。3

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学