第2节 同步电机 (修订中)
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# 1. 单相同步电机
单相同步电机尺寸小，适用于需要精确计时的应用，例如计时、（时钟）和磁带播放器。尽管电池供电的石英调节时钟广泛可用，但交流线路供电的时钟具有更好的长期精度——在几个月内。
这是由于发电厂运营商有意保持交流配电系统频率的长期准确性。如果它落后几个周期，它们将弥补 AC 丢失的周期，使时钟不失时间。
# 2. 大型与小型同步电机
在 10 马力 (10 kW) 以上，更高的效率和领先的功率因数使大型同步电机在工业中非常有用。大型同步电机比更常见的感应电机效率高几个百分点，尽管同步电机更复杂。
由于电动机和发电机的结构相似，因此应该可以将发电机用作电动机，反之，将电动机用作发电机。
异步电动机类似于具有旋转磁场的交流发电机。下图显示了具有永磁 (opens new window)旋转场的小型交流发电机。下图可以是两台由机械能源驱动的并联同步交流发电机，也可以是一台驱动同步电机的交流发电机。或者，如果连接了外部电源，它可能是两个电机。
关键是在任何一种情况下，转子都必须以相同的标称频率运行，并且彼此同相。也就是说，它们必须是_同步_的。使两台交流发电机同步的程序是（1）打开开关，（2）以相同的转速驱动两台交流发电机，（3）提前或延迟一个单元的相位，直到两个交流输出同相，（4）关闭在它们偏离相位之前切换开关。
一旦同步，交流发电机将相互锁定，需要相当大的扭矩才能使一个单元与另一个单元松动（不同步）。
同步电机与交流发电机同步运行
# 3. 用同步电机计算扭矩
如果将更大的旋转方向扭矩施加到上述旋转交流发电机之一的转子上，转子的角度将相对于定子线圈中的磁场提前（与（3）相反），同时仍然同步，并且转子将像交流发电机一样向交流线路输送能量。
转子也将相对于另一个交流发电机中的转子前进。如果将诸如制动器之类的负载施加到上述单元之一，则转子的角度将滞后于定子磁场，如 (3) 处，从交流线路中提取能量，就像电动机一样。
如果施加过大的扭矩或阻力，转子将超过最大_扭矩角_提前或滞后，以至于失去同步。只有在电机保持同步时才会产生扭矩。
# 4. 使同步电机加速
在使用小型同步电机代替交流发电机的情况下，不需要对交流发电机进行复杂的同步程序。但是，同步电动机不是自启动的，在锁定（同步）到发电机转速之前，它仍必须达到近似的交流发电机电气速度。
一旦达到速度，同步电机将与交流电源保持同步并产生扭矩。
正弦波驱动同步电机
假设电机达到同步速度，当正弦波在上图 (1) 中变为正时，下北线圈推动北转子磁极，而上南线圈吸引转子北极。以类似的方式，转子南极被上南线圈排斥并被下北线圈吸引。
当正弦波在 (2) 处达到峰值时，保持转子北极向上的转矩达到最大值。当正弦波在 (3) 处减小到 0 VDC 时，该扭矩减小，扭矩最小。
当正弦波在 (3&4) 之间变为负时，下部南线圈推动南转子磁极，同时吸引北转子磁极。以类似的方式，北转子极被上北线圈排斥并被吸引到下南线圈。在 (4) 处，正弦波达到负峰值，保持扭矩再次达到最大值。随着正弦波从负向 0 VDC 变为正向，该过程重复一个新的正弦波周期。
请注意，上图显示了空载条件下的转子位置（α=0°）。在实际操作中，加载转子会导致转子滞后于角度 α 所示的位置。该角度随着负载而增加，直到在 α=90° 处达到最大电机扭矩。
超过这个角度，同步和扭矩就会丢失。单相同步电动机的线圈中的电流在交替极性的同时脉动。
如果永磁转子的速度接近这种交替的频率，它会与这种交替同步。由于线圈磁场脉动且不旋转，因此必须使用辅助电机使永磁转子加速。这是一个类似于下一节中的小型感应电机。
添加场极会降低速度
当以 3600 rpm（每分钟转数）旋转时，2 极（NS 极对）交流发电机将产生 60 Hz 正弦波。3600 rpm 对应于每秒 60 转。类似的 2 极永磁同步电机也将以 3600 rpm 的速度旋转。
可以通过增加更多的极对来构建低速电机。4 极电机的转速为 1800 rpm，12 极电机的转速为 600 rpm。所示的结构样式（上图）用于说明。更高效率更高扭矩的多极定子同步电机实际上在转子中有多个极。
单绕组12极同步电机
如上图所示，不要为 12 极电机缠绕 12 线圈，而是缠绕一个带有 12 个叉指钢极片的线圈。尽管线圈的极性由于施加的交流电而交替，但假设顶部暂时为北，底部为南。
极片将南磁通从线圈的底部和外部引导到顶部。这些 6 个南端与从线圈钢极片顶部向上弯曲的 6 个北端插片交错。因此，永磁转子棒将在棒状磁铁的一次物理旋转中遇到对应于 6 个交流周期的 6 极对。
旋转速度将是交流电速度的 1/6。转子速度将是 2 极同步电机的 1/6。示例：60 Hz 将以 3600 rpm 的速度旋转 2 极电机，或 12 极电机以 600 rpm 的速度旋转。
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定子（上图）显示了一个 12 极 Westclox 同步时钟电机。结构与上图类似，采用单线圈。单线圈结构对于低扭矩电机来说是经济的。这个 600 rpm 的电机驱动减速齿轮移动时钟指针。
__问：__如果 Westclox 电机在 50 Hz 电源下以 600 rpm 的速度运行，需要多少极？
答： 10 极电机将有 5 对 NS 极。它将以每秒 50/5 = 10 转或 600 rpm（10 s-1 x 60 s/分钟）的速度旋转。
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转子（上图）由永磁棒和钢制感应电机杯组成。在极片内旋转的同步电机棒保持准确的时间。条形磁铁外部的感应电机杯安装在标签的外部和上方，以实现自启动。曾经制造过不带感应电机杯的非自启动电机。
# 5. 三相同步电机
下图所示的三相同步电机在定子中产生旋转磁场。如果从工业环境中发现的固定频率电源（例如 50 或 60 Hz）启动，此类电机不会自启动。
此外，转子不是工业上使用的多马力（多千瓦）电动机的永磁体，而是电磁体。大型工业同步电机比感应电机效率更高。当需要恒速时使用它们。由于具有领先的功率因数，它们可以校正交流线路的滞后功率因数。
定子励磁的三相相加矢量以产生单个合成磁场，该磁场每秒旋转 f/2n 次，其中 f 是电源线频率，对于工业电源线驱动的电机为 50 或 60 Hz。极数为n。对于以 rpm 为单位的转子速度，乘以 60。
S = f120/n 其中： S = 转子速度，单位 rpm f = 交流线路频率 n = 每相的极数
三相四极（每相）同步电机在 60 Hz 功率下以 1800 rpm 或在 50 Hz 功率下以 1500 rpm 旋转。如果线圈以 φ-1、φ-2、φ-3 的顺序依次通电，则转子应依次指向相应的磁极。
由于正弦波实际上是重叠的，因此合成场将旋转，而不是逐步旋转，而是平滑旋转。例如，当 φ-1 和 φ-2 正弦波重合时，场将处于指向这些极点之间的峰值处。所示的磁棒转子仅适用于小型电机。
具有多个磁极的转子（右下方）用于驱动大量负载的任何高效电机。这些将是大型工业电机中的滑环供电电磁铁。大型工业同步电机由嵌入在电枢中的鼠笼式导体自启动，充当感应电机。
电磁衔铁只有在转子达到接近同步速度后才会通电。
三相四极同步电机
# 6. 小型多相同步电机
小型多相同步电机可以通过将驱动频率从零斜升至最终运行频率来启动。多相驱动信号由电子电路产生，除了最苛刻的应用外，在所有应用中都是方波。
这种电机被称为无刷直流电机。真正的同步电机由正弦波形驱动。通过在定子中提供适当数量的绕组，可以使用两相或三相驱动。上面只显示了三相。
电子同步电机
框图显示了与低压 (12 V DC) 同步电机相关的驱动电子设备。这些电机具有集成在电机内的_位置传感器_，该传感器提供频率与电机转速成正比的低电平信号。
位置传感器可以像固态磁场传感器一样简单，例如为驱动电子设备提供换向（电枢电流方向）定时的_霍尔效应器件。_位置传感器可以是高分辨率角度传感器，例如 [旋转变压器](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating- 感应同步器 (opens new window)（磁编码器）或光学编码器。
如果需要恒定且准确的旋转速度，（对于磁盘驱动器）可以包括_转速计_和_锁相环_（下图）。该转速计信号是与电机速度成正比的脉冲序列，被反馈到锁相环，将转速计频率和相位与稳定的参考频率源（如晶体振荡器）进行比较。
锁相环控制同步电机速度
# 7. 无刷直流电机
由简单的霍尔效应传感器提供的由电流方波 (opens new window)驱动的电机称为_无刷直流电机_。这种类型的电机通过轴旋转具有比正弦波驱动电机更高的_纹波转矩变化。_对于许多应用程序来说，这不是问题。不过，我们主要对本节中的同步电机感兴趣。
电机纹波转矩和机械模拟
纹波转矩或齿槽效应是由转子磁极对定子磁极片的磁吸引力引起的。（上图）注意没有定子线圈。PM 转子可以用手旋转，但在靠近它们时会遇到极片的吸引力。
这类似于机械情况。对于磁带播放器中使用的电机来说，纹波扭矩会成为问题吗？是的，我们不希望电机在将录音带移过磁带播放磁头时交替加速和减速。纹波扭矩是否会成为风扇电机的问题？不。
分布在带中的绕组产生更正弦的场
如果电机由与电机反电动势同步的电流正弦波驱动，则无论驱动波形是否由电子方式产生，都属于同步交流电机。如果定子磁场具有正弦分布，同步电机将产生正弦反_电动势。_
如果磁极绕组分布在多个槽的带中，而不是集中在一个大磁极上（如我们大多数简化插图中所绘制的那样），则将更加正弦。这种布置消除了许多定子磁场奇次谐波。
在相绕组边缘具有较少绕组的槽可以与其他相共享空间。缠绕带可以采用如下图所示的另一种同心形式。
同心带
对于由正弦波驱动的 2 相电机，转矩在整个旋转过程中通过三角恒等式是恒定的：
sin2θ + cos2θ = 1
与无刷直流电机中使用的霍尔效应传感器相比，驱动波形的生成和同步需要更精确的转子位置指示。旋转_变压器_或_光学或磁性编码器_每转可提供数百到数千个零件（脉冲）的分辨率。
旋转变压器以与轴角的正弦和余弦成比例的信号形式提供模拟角位置信号。编码器以串行或并行格式提供数字角度位置指示。
正弦波驱动实际上可能来自 PWM（脉宽调制器），这是一种用数字波形逼近正弦波的高效方法。每个相位都需要驱动电子设备，以使该波形每相移相适当的量。
PWM 近似于正弦波
# 8. 同步电机的好处
同步电机的效率高于感应电机。同步电机也可以更小，尤其是在转子中使用高能永磁体的情况下。现代固态电子设备的出现使得以可变速度驱动这些电机成为可能。
感应电动机多用于铁路牵引。然而，安装在驱动轮内的小型同步电机使其对此类应用具有吸引力。这种电机_的高温超导_版本的重量是铜绕电机的五分之一到三分之一。
最大的实验性超导同步电机能够驱动一艘海军驱逐舰级舰艇。在所有这些应用中，电子变速驱动器都是必不可少的。由于较低频率下的感抗降低，变速驱动器还必须降低低速时的驱动电压。
为了产生最大转矩，转子需要将定子磁场方向滞后 90°。再多的，它就会失去同步。减少扭矩的结果要少得多。因此，需要准确地知道转子的位置。并且需要计算和控制转子相对于定子磁场的位置。
这种类型的控制称为 矢量相位控制。它是用一个快速微处理器驱动定子相位的脉宽调制器来实现的。同步电动机的定子与更流行的感应电动机的定子相同。
因此，与感应电机配套使用的工业级电子调速也适用于大型工业同步电机。如果将传统旋转同步电机的转子和定子展开，则产生同步直线电机。
该类型电机适用于精密高速直线定位。
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