[发明专利]交流同步电动机

说明书

交流电动机广泛地用于商业、工业、家庭和其他方面需要旋转推动力的地方。迄今对于大多数应用来说，最简单、一般也是最可靠的电动机就是交流感应电动机，其中用的最为广泛的一种形式就是通常的鼠笼式电动机。但是这种感应电动机有着一些众所周知的缺点。大多数交流感应电动机在起动时总是造成特别大的起动电流，这种电流往往是该电动机在满载和全速运行下所需电流的五倍到七倍，有时甚至高达九倍之多。即使是1马力左右的小型感应电动机，当驱动一个电锯或某些大型用具时，在超动时由于超动电流很大而在它所运行的地点造成电灯发暗。这种很大的起动电流还能造成保险丝熔断以及其他一些不利情况。因此，对于大容量的交流感应电动机例如在10马力（7.5瓩）以上，常常需要设置一个起动器以减少过高的起动电流，使其限制在可允许的限度内。但是这种超动器本身的费用往往和电动机本身相差不多，同时还减少了电动机的起动转矩。感应电动机还有着功率因数低的特点，而这种情况又造成输电线路上的问题。由于在低转速下功率因数很低，为使拖动大惯性载荷的感应电动机在起动时不致由于大起动电流造成电动机严重过热往往很难做到。感应电动机的性能是当电动机的运行速度小于同步速度时，也就是在滑差速度时，其转矩甚小，此时，怎样增加转矩，是要解决的技术关键。滑层指的是电动机定子旋转磁场的转速和转子机械转速之差。滑差的大小与电动机的设计和负载情况有关。现今电动机的转差率一般在2%到5%。滑差使得电动机转轴速度随负载的变化而变化，同时还造成一定的电力损耗和不利的电动机绕组和转子鼠笼的发热。使用高阻值的转子能减小起动冲击电流，但是却成比例地造成更高的运行滑差。

从事电机技术的人们对交流电动机的同步速度Ns所下的定义和理解如下：以每分钟转速（RPM）表示的同步速度Ns由下列公式给出：

Ns＝120f/p

其中f为交流电频率，以每秒周波数表示，即赫兹（Hz）表示;P为电动机定子旋转磁场的极数。

常见的绕线磁极式同步电动机以同步速度运转（即滑差为零）并能达到等于1的输入功率因数，比感应电动机有更高的效率。同步电动机的问题是它只在同步速度时给出转矩，而在任何其他速度下都不能给出转矩，因此，不能自静止情况下起动。为使其能自静止情况下起动，现今的同步电动机转子除了有磁极磁场绕组以外还有短路的绕组。这种短路绕组能提供起动转矩，如同感应电动机那样，直到使电机转速接近同步速度。此时，就给磁场绕组通以直流电进行激磁，从而把同步电动机转子拉入同步，即与定子旋转磁场转速相同的同步速度。但是当电动机拖动的负载的惯性很大，以致于在输入频率的 1/2 周波时间内不能使电动机加速到同步速度，电动机就不能进入同步，同时还会受到严重损坏。这一情况大大限制了这种电动机能被拉入同步所能拖动的负载的惯性的大小。

永磁同步电动机在负载的惯性方面，与常见的同步电动机一样，有着相同的限制。例如在英国专利号为1，056，605中公开的那种电动机是一种永磁交流同步电动机，其定子有用于放置三相电源绕组的槽，其转子由永磁材料层、叠片铁心及贯穿叠片铁心的短路笼条所构成。但这种电动机有许多缺点，从静止到起动，从起动到到达同步速度的全过程中，电动机没有较好的转矩特性;在接近同步速度时，电动机有很大的转矩波动;当这种电动机在达到同步速度之前，不能施加大的负载。另外，为使起动所需的鼠笼绕组有独立的磁路而留有必要的空间，以及为了避免起动时转子永久磁铁的退磁，这种永磁同步电动机的转子结构变得十分复杂，与通常的鼠笼式感应电动机和本发明的电动机相比，在制造费用上也大得多，其尺寸和使用范周也受到限制。通常市场上供应的永磁同步电动机的功率一般在5马力（3.75瓩）以下。

由于市场供应的小功率绕线磁极同步电动机的成本很高，厂家一般不生产功率在50至100马力（37.5-75瓩）以下的这种电动机。应当提及的是，同步电动机不论是绕线磁极式的还是永久磁极式的，比容量相同的感应电动机在结构上复杂得多，在成本上要高出几倍。

在过载情况下，同步电动机可能被迫离开同步速度。此时，如果不能立即终止电力输入和/或抛掉负载就会造成重大损害。当电力传输线中的交流电力被短暂遮断后而企图重新起动同步电动机时，由于转子磁场相对于定子磁场有较大的相位漂移，往往会产生很大破坏性的电流冲击。