同步电机的基本工作原理和结构

    摘要：针对现有同步电机存在的问题，提出一种新型同步电机。该电机省去了滑环和电刷，
通过调节励磁电流的大小和方向使发电机的输出电压可调。描述了电机的结构及原理，计算
了发电机的空载特性。

 

　　关键词：电励磁

 无刷 同步电机 空载特性 

　　

1 同步电机的种类 

　　同步电机是交流电机的一种，主要用作发电机，世界上的电力几乎都由同步发电机发
出按照转子励磁调节方式不同，主要有

5 种类型。 

　　

1.1 由直流励磁机供电的同步电机。调节励磁机励磁电阻可改变直流励磁机的端电压，

进而改变同步发电机的励磁电压和励磁电流。

 

　　

1.2 由静止半导体提供励磁的同步电机。目前 100MW 以上的汽轮发电机普遍使用交流

励磁机配合半导体整流装置获得直流电流，以供给同步发电机作励磁电流。交流主励磁机是
普通的三相同步发电机，常用的交流主

 励磁机 的频率 为 100Hz，目的是使整流后的励磁

电流的纹波尽量小些。交流副励磁机是一种特殊结构的永磁发电机，其频率为

400Hz 或

500Hz，输出的三相交流电经可控半导体整流装置供给交流主励磁机励磁电 
　　流，以改变同步发电机的励磁电压和励磁电流。

 

　　静止半导体励磁的同步发电机输出的达几千安的励磁电流，通过电刷滑环才输入到同
步电机的励磁绕组。大的电流通过电刷滑环必然会引起严重的发热现象或高温对零件结构造
成不可逆转的损坏；因此，当电机长时间运行时，积累的热量可能会烧毁电机内部零件。

 

　　

1.3 由旋转半导体提供励磁的同步电机。旋转半导体励磁的同步电机虽然取消了电刷和

滑环，但它仍需要交流主、副励磁机提供励磁电流。交流主励磁机、交流副励磁机以及三相同
步电机各为一级，即整体有三级。这样一个

“三级”模式结构比较复杂，且励磁机本身需要励

磁，当主电机运行于电动状态时，励磁机由主电机驱动；励磁机产生的是阻力矩，故能量
转换环节多，效率低；此外，励磁调节速度慢、灭磁也慢，对迅速消除主电机内部故障不利，
并且有剩磁。

 

　　

1.4 电励磁无刷同步电机。该电机包括机壳、电枢铁心、电枢绕组、转轴、N 和 S 磁极。其特

点是：电枢铁心下的磁极为瓦片形，所有

N 磁极向一边扩展后向上（或向下）拉伸，再向

同一边扩展并连接在一相同材料的圆环上，形成一个整体；所有

S 磁极向一边扩展后向下

（或向上）拉伸，再向同一边扩展并连接在一相同材料的圆环上，也形成一个整体。两圆环
之间放置一环形磁桥固定在机壳上，直流励磁绕组置于环形磁桥中，磁极外圆周有笼型全
阻尼绕组。电励磁无刷同步电机虽然取消了电刷滑环，但其所增加的笼型全阻尼绕组对于
“无刷”而言无意义，该笼型全阻尼绕组只是产生启动转矩。 
　　

1.5 永磁同步电机。转子由永磁体提供励磁磁势，虽然电机的功率密度较高，无电励磁

电机的电刷和滑环，但由于永磁体制成后其磁场无法调节，故造成永磁电机的磁场调节困
难。

 

　　综上所述，现有技术中的电机或因为存在电刷和滑环，使得可靠性降低，或虽然取消
了电刷和滑环，但仍需要励磁机提供励磁电流，使整个系统结构比较复杂；永磁电机虽然
没有电刷、滑环等问题，功率密度也较高，但由于其输出电压调节困难，且永磁体存在去磁
等风险，限制了其发展，但对于新结构的电励磁无刷同步电机的研究还尚待深入，本文提
出一种新型的电励磁无刷同步电机，并计算了其空载特性。

 

　　

2 同步电机的结构 

　　

2.1 结构该同步电机由定子、转子构成。电机的定子部分有定子铁心 5、电枢绕组 4、励磁

绕组

8、环形导磁桥 11、前端盖 3、后端盖 9 等组成；环形导磁桥 11 固定在后端盖 9 上，励磁