永磁同步电机和直流励磁同步电机有什么区别？含结构原理特性应用
罗罗日记2021-06-11 11:51
什么是同步电机（Synchronous Motor）？
那么什么又叫同步呢？
公众号：罗罗日记同步电机定子通交流电时，产生旋转磁场。
转子跟随定子产生的旋转磁场而旋转。
同步电机转子旋转示意图，图中有电机同步转速计算公式。
所谓同步，就是转子的旋转速度和定子旋转磁场的旋转速度相同。
而定子旋转磁场的转速和交流电频率及定子磁极数有关，用公式表示就是：
Ns=120*f/P。
其中Ns表示电机的转速，f表示通入定子中交流电的频率，P表示电机旋转磁场磁极数（磁极通俗地说就是南北极）。
01
同步电机的结构
前面我们说了，定子绕组需要通入交流电，那么转子需要通电吗？
可通电可不通电。
实际上，按照转子励磁（产生磁场）方式的不同，同步电机分为两种，即非励磁式和直流励磁式。
来自我的公众号：罗罗日记同步电机的分类
磁滞电机和磁阻电机（以后有机会再聊这种电机），还有永磁同步电机都属于非励磁同步电机。
今天我们主要集中讨论永磁同步电机，和直流励磁同步电机。
永磁同步电机，转子没有线圈绕组，主要结构是永磁铁。
而直流励磁同步电机，转子则有绕组，绕组通直流电，用来产生类似于永磁铁的磁场，以便和定子旋转磁场相互作用，产生旋转运动。
我们来看几张图，了解一下永磁同步电机和直流励磁同步电机的构造。
永磁同步电机的结构：定子的核心结构是镶嵌在钢片中的绕组，转子的核心结构是插入钢片中的磁铁。
永磁同步电机的结构：看左下方的简化图，定子的核心结构是绕组，转子的核心结构是永磁铁。
一个三相八极无刷同步电机（直流励磁同步电机）的实物图，及其内部绕组示意图（BL-WRSM＝Brushless Wound Rotor Synchronous Motor，无刷绕线式转子同步电机）。
一种新型带环形绕组的直驱永磁同步电机（N-TWDDPMSM＝Novel Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Motor With Toroidal Windings）。
直流励磁式转子同步电机的结构：定子和转子都有绕组。
直流励磁同步电机：定子产生旋转磁场，转子产生恒定磁场。
直流励磁同步电机结构示意图：定子通入交流电，转子中通入直流电。
三相直流励磁同步电机简化图，及其磁场作用示意图。
定子：
永磁同步电机的定子和直流励磁同步电机的定子一样，都是由固定的铁芯和缠绕其上的绕组构成，定子绕组通入交流电，用来产生旋转的磁场。
直流励磁同步电机的结构示意图，定子产生旋转磁场。
转子：
永磁同步电机的转子主要由永磁体构成，用来产生恒定的磁场，这个磁场会跟随定子的旋转磁场而旋转。
而直流励磁同步电机的转子则没有永磁体，取而代之的是缠绕在转子铁芯上的绕组，只不过这个绕组不通交流电，而是通过轴上的滑环接入直流电，用来产生固定磁极，这个磁极就相当于永磁铁，它会随着定子的旋转磁场而旋转。
直流励磁同步电机的示意图：转子通过滑环接入直流电。这种电机的结构和绕线式感应电机结构相当，不同之处在于感应电机转子闭合成回路，不通电，通过电磁感应原理，产生电流。
直流励磁同步电机转子和绕线式（也叫滑环式）感应电机转子：结构太像了，简直一模一样。直流励磁同步电机转子通过滑环接入直流电，而感应电机转子，通过滑环及外部电子元件形成闭合回路。
02
同步电机的启动
常见的同步电机是三相同步电机。
三相同步电机的启动比较麻烦，因为其产生的旋转磁场速度很快，启动时，转子因为惯性，不能立即加速跟上磁场旋转，所以是转不起来的。
只有当转子的惯性矩和机械负载都非常较小时，它才可以在没有任何辅助方法的情况下启动。
三相交流同步电机常用以下三种方法启动：
外部原动机启动法：
比如，使用一台与同步电机极数相同的小型异步电机作为启动电机。
启动时，先用异步电机将同步电机带动到异步转速，再将同步电机接上三相交流电并给转子励磁，然后把同步电机和启动电机解耦，这样同步电机即可启动，但这种方法仅适用于空载启动。
外部原动机启动法示意图：左边电机表示小型感应电机，右边表示同步电机，仅仅是示意图，并不表示真的就是这样连接。
变频电源启动法：
这种方法，采用变频电源向同步电机供电。
变频电路示意图
启动时，让电源频率从零慢慢升高，旋转磁场转速也从零慢慢升高，带动转子缓慢加速，直到达到额定转速。
这种方法多用于大型同步电机的起动。
异步启动法：
在转子上加上鼠笼或启动绕组，启动时励磁绕组不通电，这时相当于异步电机，待转速接近磁场转速时，再接通励磁电源，就进入同步运行，这也是最流行的启动方法。
异步启动转子示意图：Damper Wingding由铜杆构成，在两端连接，形成闭合回路，可以像感应电机一样产生感应电流，用于启动同步电机。
03
同步电机的优缺点和应用
优点：
同步电机的优点是可以控制功率因数。
同步电机可以在滞后和领先功率因数下运行。
过励同步电机具有领先的功率因数，并且与感应电机并联运行，从而提高了系统功率因数。
不同负载下功率因数和励磁电流之间的关系。
同步电机速度扭矩图。
同步电机的速度与负载无关，保持恒定，这种有利于无论负载如何变化，都要求恒定速度的工业机械。
同步电机比感应电机具有更大的气隙，这使它们在运行时更加稳定。
与感应电机相比，同步电机通常效率更高（超过90％），尤其是在低速情况下。
缺点：
直流励磁同步电机需要通入直流电，消耗更多能源。通常，每千瓦输出的成本要高于感应电机。
同步电机不能自启动，无法在负载下启动，因为其启动转矩为零，需要一些外部辅助来启动和同步。
同步电机除非调整输入电源频率，否则无法调整电机运行速度。
直流励磁同步电机需要集电环，会导致结构件磨损，需要较高的维护成本。
同步电机不能用于需要频繁启动的应用中，如果电机过载，则可能会失去同步并停止。
应用：
由于需要单独的励磁源，并且启动和控制需要辅助设备，因此同步电机的应用并不像感应电机那么受欢迎。
与低成本的三相感应电机相比，其使用成本昂贵，但是在某些工业应用中，还是需要使用同步电机。
同步电机按照应用类别可以分类为三类：功率因数校正，电压调节，恒速恒负载驱动器，前两者属于电子领域的应用，我们主要看看驱动应用。
因为同步电机比感应电机效率更高，通常用于低速，高功率负载，还有恒定速度的应用中。
比如，同步电机用于空气和气体压缩机以及真空泵，破碎机，研磨机。
同步电机还用于抽气机，风扇和鼓风机，直流发电机，橡胶和造纸厂等驱动。
（本文首发于我的公众号：罗罗日记）
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