【正文】 步電動(dòng)機(jī)的功角特性，即。當(dāng)時(shí)。這樣式（326)表示的矩角特性曲線與功角曲線有相同的形狀，它們之間只差一個(gè)比例尺。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩又恢復(fù)為，電動(dòng)機(jī)的角恢復(fù)為，所以電動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。同步電動(dòng)機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，叫過(guò)載倍數(shù)，用表示。為了保持同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，角不能超出允許的范圍，如圖317所示。根據(jù)隱極式同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程（忽略定子電阻），畫出不同勵(lì)磁電流、時(shí)的相量圖，如圖318所示。當(dāng)勵(lì)磁電流比正常勵(lì)磁電流小時(shí)，稱為欠勵(lì)磁狀態(tài)。這種情況下運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，像是個(gè)電阻電容負(fù)載。有時(shí)，為了改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，可使同步電動(dòng)機(jī)不帶負(fù)載，浮接在電網(wǎng)上而運(yùn)行于過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)。 圖319 同步電動(dòng)機(jī)的V型曲線當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出某一恒定功率時(shí)，對(duì)應(yīng)有一條V型曲線，如圖319所示。減小，與成正比減少，當(dāng)小到一定程度，超過(guò)90176。假設(shè)定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，并在開始瞬間為圖320 (a) 所示的位置。圖321異步起動(dòng)法原理接線圖同步電動(dòng)機(jī)的異步起動(dòng)與三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)運(yùn)行類似。但是，也不能把勵(lì)磁繞組短路。顯然定子邊的電源是一個(gè)可調(diào)頻率的變頻電源，一般是采用變頻裝置。③相數(shù)和相間連接方式：交流電機(jī)一般為三相，相間為星形(Y)或三角形（）接法。②電磁設(shè)計(jì)：本階段的任務(wù)是根據(jù)技術(shù)任務(wù)書或技術(shù)建議書的規(guī)定，參照生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算和方案比較，來(lái)確定與所設(shè)計(jì)電機(jī)電磁性能有關(guān)的尺寸和數(shù)據(jù)，選定有關(guān)材料，并核算其電磁性能。電機(jī)主要尺寸設(shè)計(jì)選擇的合理，電機(jī)設(shè)計(jì)工作就有了一個(gè)好的基礎(chǔ)，電機(jī)就可能有一個(gè)比較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在電機(jī)設(shè)計(jì)中，被稱為電機(jī)常數(shù)，是一個(gè)近似于常數(shù)的量。在生產(chǎn)實(shí)際中，對(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)已經(jīng)積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)往往只需參考已經(jīng)制成的同類型、相近規(guī)格電機(jī)的尺寸，針對(duì)所設(shè)計(jì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、材料、工藝特點(diǎn)等因素，直接初選其定子鐵心外徑、內(nèi)徑和長(zhǎng)度，進(jìn)行核算調(diào)整，最后加以確定。對(duì)于一般電機(jī)，可在2～6間選取，而且盡量選取整數(shù)，因分?jǐn)?shù)槽繞組容易引起振動(dòng)和噪聲。（3）單雙層繞組雙層繞組采用短距時(shí)，某些槽內(nèi)上下層的導(dǎo)體屬于同一相，而某些槽內(nèi)上下層導(dǎo)體屬于不同相。分?jǐn)?shù)槽繞組雖然能改善同步電機(jī)的電勢(shì)波形，但在某些情況下，與基波次數(shù)接近的次諧波磁場(chǎng)與基波相互作用，有可能使凸極同步電機(jī)的定子鐵心產(chǎn)生顯著振動(dòng)及噪聲，在選擇定子槽數(shù)時(shí)必須注意。和并整理上述兩式得：在確定電機(jī)的定子內(nèi)徑后，從上式可以求出定子繞組的每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)。上面計(jì)算出的是初步數(shù)據(jù)，待磁路、參數(shù)、性能計(jì)算后，如必要還須進(jìn)一步調(diào)整。 同步發(fā)電機(jī)的效率可按以下公式計(jì)算 為電機(jī)所有損耗之和 為電機(jī)的總鐵耗；為電樞繞組銅耗；為勵(lì)磁損耗；為諧波繞組銅耗；為機(jī)械損耗；為附加損耗。對(duì)于大多數(shù)運(yùn)行時(shí)電樞端電壓固定或轉(zhuǎn)速變化率不大的電機(jī)，這些損耗從空載到額定負(fù)載變動(dòng)很小。理論上當(dāng)時(shí)間t=∞時(shí)，物體才達(dá)到最終穩(wěn)定溫升，這時(shí)物體所產(chǎn)生的全部熱量都散發(fā)到周圍介質(zhì)通常氣隙選取得盡可能小，以降低空載電流，因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)主要決定于空載電流。同時(shí)，槽滿率變小會(huì)導(dǎo)致電樞繞組每相電阻變大，使得電組銅耗上升，降低了電機(jī)的效率。在電機(jī)槽中如放置由整塊導(dǎo)體組成的線棒，當(dāng)導(dǎo)體中通以交流時(shí)，由于導(dǎo)體沿槽高上截面各部分的漏磁通匝鏈數(shù)不相同，因此感應(yīng)電勢(shì)也不一樣。我們?cè)陔姍C(jī)設(shè)計(jì)中均假定鐵心磁導(dǎo)率等于無(wú)窮打，即忽略鐵心的磁阻不計(jì)。這種使得定、轉(zhuǎn)子間的互感電抗減小的因數(shù)，我們稱之為斜槽系數(shù)，而由斜槽引起的附加漏抗稱為斜槽漏抗。（4）核算零部件的機(jī)械性能。（2）確定零部件的結(jié)構(gòu)型式、材料、形狀、尺寸、加工精度、形位誤差、表面粗糙度和技術(shù)要求等。這樣，定、轉(zhuǎn)子繞組自建的電磁耦合系數(shù)減少了，即是說(shuō)，由定子電流產(chǎn)生的基波磁場(chǎng)有一部分不與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條起耦合作用，反之也是。 （a）槽內(nèi)導(dǎo)體 （b）電流密度分布 （c）計(jì)算導(dǎo)體的等效導(dǎo)體 圖43 槽內(nèi)導(dǎo)體分布導(dǎo)體中形成的渦流將產(chǎn)生附加渦流損耗，導(dǎo)致效率降低、溫升升高。是電流或電壓以頻率較高的電子在導(dǎo)體中傳導(dǎo)時(shí),會(huì)聚集于總導(dǎo)體表層,而非平均分布于整個(gè)導(dǎo)體的截面積中。槽滿率是導(dǎo)線有規(guī)則排列所占的面積與槽的有效面積之比，即其中：—導(dǎo)線所占面積； —電機(jī)槽的有效面積； —槽滿率。根據(jù)對(duì)均質(zhì)物體發(fā)熱過(guò)程的分析，得知其溫升隨時(shí)間的變化是指數(shù)曲線關(guān)系如下圖所示，圖42 溫升隨時(shí)間的變化曲線起始是物體的溫度與周圍的溫度相同，這是物體產(chǎn)生的損耗全部用來(lái)提高物體的溫度，因此起始物體的溫度升高很快。（5）機(jī)械損耗，它包括通風(fēng)損耗、軸承摩擦損耗和電刷與換向器或集電環(huán)的摩擦損耗。選擇時(shí)主要根據(jù)工藝條件考慮。對(duì)雙層繞組，應(yīng)取偶數(shù)，此時(shí)每個(gè)線圈匝數(shù)=。如果定子繞組采用條并聯(lián)支路，則必須為整數(shù)，才能使每相中的各支路對(duì)稱，可以選擇分?jǐn)?shù)槽繞組并聯(lián)支路時(shí)受到更多的限制。大中型凸極同步電機(jī)的定子繞組一般采用雙層疊繞組，每極每相槽數(shù)為分?jǐn)?shù)，即所謂的分?jǐn)?shù)槽繞組，其主要理由是這種繞組可以改善空載電勢(shì)波形。其主要優(yōu)點(diǎn)是：①可以選擇有利的節(jié)距以改善磁勢(shì)與電勢(shì)波形，是電機(jī)的電氣性能較好；②端部排列方便；③線圈尺寸相同，便于制造。（4）絕緣材料用量和加工工時(shí)增加，槽利用率降低。由尺寸比公式，故 ()且 ()將式（）、（）代入式（）中， （） 式中、的單位為m，的單位為r/min，的單位為KVA，的單位為A/m，的單位為T，的單位為Wb。 式（）中電流頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系： （） 式中p—極對(duì)數(shù)。本文參考的同步機(jī)是中心高180mm、16kw、6極電機(jī)，其有關(guān)尺寸主要有：定子沖片外徑300mm、內(nèi)徑227mm、36槽、繞組型式為雙層疊繞組。①準(zhǔn)備階段：通常包括兩方面的內(nèi)容。設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，不能片面追求體積小和材料省，因?yàn)檫@樣可能導(dǎo)致電機(jī)性能降低，特別是效率降低，加工工時(shí)增加，使制造成太上升，并造成能量浪費(fèi)。2．變頻起動(dòng)法變頻起動(dòng)方法是開始起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子先加上勵(lì)磁電流，定子邊通入頻率極低的三相交流電流，由于電樞磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速極低，轉(zhuǎn)子便開始旋轉(zhuǎn)。值得注意的是，起動(dòng)時(shí)先把同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組通過(guò)一個(gè)電阻短接，這是因?yàn)槠饎?dòng)時(shí)，勵(lì)磁繞組不能開路。1．異步起動(dòng)法——采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作原理異步起動(dòng)方法即在凸極式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝置阻尼繞組而獲得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，是一種常用的異步起動(dòng)法。定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩快速地正、負(fù)交變，平均轉(zhuǎn)矩為零，電機(jī)不能自行起動(dòng)。線的左邊是欠勵(lì)區(qū)；右邊是過(guò)勵(lì)區(qū)。三種勵(lì)磁電流情況下，只有正常勵(lì)磁時(shí)，定子電流為最小，過(guò)勵(lì)磁或欠勵(lì)磁時(shí)，定子電流都會(huì)增大。而異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)必須向電動(dòng)機(jī)提供感性的勵(lì)磁電流，不能調(diào)節(jié)，使電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。 當(dāng)勵(lì)磁電流比正常勵(lì)磁電流大時(shí)，稱為過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)，如圖318中的和，這時(shí)，定子電流領(lǐng)先為角。這時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)只從電網(wǎng)吸收有功功率，不吸收無(wú)功功率。同步電動(dòng)機(jī)輸出功率不變時(shí)，轉(zhuǎn)軸輸出的轉(zhuǎn)矩不變，由于忽略了空載損耗，同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也為常數(shù)，即 ＝常數(shù) （334）從式（334）可見(jiàn)，定子電壓，頻率以及均為常數(shù)時(shí)，必為常數(shù)，即 ＝常數(shù) （335）當(dāng)改變勵(lì)磁電流時(shí)，電動(dòng)勢(shì)的大小隨之變化，但必須滿足式（335）的條件。仍以隱極式電動(dòng)機(jī)為例，如果勵(lì)磁電流，由式(331)得出，這表明轉(zhuǎn)子磁極軸線與定子等效磁極軸線幾乎重合，如圖316所示。可見(jiàn)，在范圍內(nèi)，電機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)式（329），當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)，這時(shí)角必將增大至，這表明不但和之間的夾角增大，轉(zhuǎn)子也會(huì)有一個(gè)短暫地減速，使功率角增大為。對(duì)于隱極式同步電機(jī)，于是電磁功率為 （329）式（329）為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性，它沒(méi)有凸極電磁功率這一項(xiàng)。當(dāng)電機(jī)氣隙均勻時(shí)，例如隱極式同步電機(jī)，不存在凸極電磁功率。根據(jù)功率方程式(11—17)可得同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為 (325)式中，為空載轉(zhuǎn)矩。由此可見(jiàn)，同步電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行還是作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，要視轉(zhuǎn)子磁極與等效磁極之間的相對(duì)位置來(lái)決定。 圖39 凸極同步電機(jī)相量圖（忽略定子繞組，用同步電抗表示）（1）功率因數(shù)角從圖39中可見(jiàn)，是電樞電壓與是電樞電流之間的夾角，稱為功率因數(shù)角，用它可以表示電樞電壓和電樞電流之間的相位關(guān)系，即同步電機(jī)從電網(wǎng)取的功率情況，按電動(dòng)機(jī)慣例有 （311）顯然功率因數(shù)角時(shí)，同步電機(jī)從電網(wǎng)取得功率，電機(jī)運(yùn)行與電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。為了分析簡(jiǎn)單，不考慮磁路飽和，認(rèn)為磁路線性。 (a) (b)圖36 電樞磁通(a) 直軸電樞磁通； (b) 交軸電樞磁通 另外，除了和產(chǎn)生的主磁通外，還要產(chǎn)生漏磁通，關(guān)于漏磁通的處理方法與異步電機(jī)相同?？梢匀藶榈匕央姌写磐▌?shì)分成兩個(gè)正弦分量；一個(gè)分量是縱軸電樞磁動(dòng)勢(shì)，用表示，作用在縱軸方向；另一個(gè)分量是橫軸電樞磁動(dòng)勢(shì)，用表示，作用在橫軸方向。這給分析同步電機(jī)的電樞反應(yīng)帶來(lái)了困難。這樣勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)便設(shè)定為作用在縱軸方向，產(chǎn)生的磁通如圖33所示。而勵(lì)磁電流是直流，且勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于轉(zhuǎn)子而言是靜止的。圖中定、轉(zhuǎn)子都是一對(duì)磁極，當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁極（即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極）以的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)同性相斥、異性相吸的原則，不管定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極的原始相對(duì)位置如何不同，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子的磁極S和N極很快分別被定子旋轉(zhuǎn)磁極的N和S極吸住，它們之間產(chǎn)生相應(yīng)的磁拉力，只要這個(gè)磁拉力足夠大，定子旋轉(zhuǎn)磁極將拉著轉(zhuǎn)子磁極以恒定的同步轉(zhuǎn)速一起旋轉(zhuǎn)。交變電勢(shì)的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場(chǎng)之間的相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)，電樞繞組中將會(huì)感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對(duì)稱交變電勢(shì)。 同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段： ①5060年代是用直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁；②6060年代是用由分立元件組成的模擬控制可控硅勵(lì)磁；③90年代以后使用微機(jī)控制同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通信功能。勵(lì)磁系統(tǒng)是同步電動(dòng)機(jī)的重要組成部分之一。在同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子由于高速旋轉(zhuǎn)而承受很大的機(jī)械應(yīng)力，所以隱極式轉(zhuǎn)子大多由整塊強(qiáng)度高和導(dǎo)磁性能好的鑄鋼或鍛鋼加工而成。定子機(jī)座是支承部件，用于安放定子鐵心和電樞繞組，并構(gòu)成所需的通風(fēng)路徑，因此要求它有足夠的剛度和強(qiáng)度。同步電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)極其多樣，產(chǎn)生了特點(diǎn)和性能各異的許許多多的品種，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)，從民用到國(guó)防，從日常生活到航空航天，從簡(jiǎn)單電動(dòng)工具到高科技產(chǎn)品，幾乎無(wú)所不在。同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)比較有下列優(yōu)點(diǎn)：① 轉(zhuǎn)矩紋波小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速準(zhǔn)確，過(guò)載能力強(qiáng)。所以是屬于凸極轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子磁極是由一種磁化鋼做成的，而且能夠經(jīng)常保持磁性。磁場(chǎng)線圈是由一只小型直流發(fā)電機(jī)或蓄電池來(lái)激勵(lì)，在大多數(shù)同步電動(dòng)機(jī)中，直流發(fā)電機(jī)是裝在電動(dòng)機(jī)軸上的，用以供應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極線圈的勵(lì)磁電流。同步電動(dòng)機(jī)是運(yùn)用電磁感應(yīng)原理的一種交流旋轉(zhuǎn)，它的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子電流頻率維持嚴(yán)格不變的關(guān)系，即。雖說(shuō)同步電動(dòng)機(jī)較直流電動(dòng)機(jī)有上述的優(yōu)點(diǎn)，但客觀來(lái)將，同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速也有自身的缺點(diǎn)和不足：（1）同步電動(dòng)機(jī)需要在轉(zhuǎn)子側(cè)加一套勵(lì)磁裝置。通過(guò)改變電容和電機(jī)輸出引線的接法，能夠可靠的實(shí)現(xiàn)電機(jī)定向旋轉(zhuǎn)并控制旋轉(zhuǎn)方向。 同步電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及我們的日常生活，幾乎離不開各種各樣的電機(jī)。關(guān)鍵詞： 同步電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速、設(shè)計(jì) 109AbstractThe scheme of electromagnetic design for 16KW6 pole synchronous motor and the design of the control system of the frequency converterAbstractThis article introduces the scheme of electromagnetic design for synchronous motor and the design of the control system of the frequency converter. According to the requirements of the topic,this paper mainly introduces the fundamental characteristic,working mechanism,working method,the basic method of electromagnetic design of a synchronous to the requirements of frequency control This article is also on the moto