一文读懂同步电机（必须收藏）

电机是由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成，工作时转子转动输出功率。简单来说，转子转速不会因负载情况而产生变化的电机就叫做同步电机。   

电动机主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子和其它附件组成。在定子绕组旋转磁场的作用下，其在电枢鼠笼式铝框中有电流通过并受磁场的作用而使其转动。

同步电机在稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系：n=ns=60f/p，其中“f”为电网频率，“p”为电机极数的一半，“ns”称为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。

根据励磁方式不同，同步电机有电励磁和永磁产生主磁场的两种类型。

主磁场产生后，三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源;由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。

PS:补充知识---励磁方式

旋转电机中产生磁场的方式。现代电机大都以电磁感应为基础，在电机中都需要有磁场。这个磁场可以由永久磁铁产生，也可以利用电磁铁在线圈中通电流来产生。

电机中专门为产生磁场而设置的线圈组称为励磁绕组。由于受永磁材料性能的限制，利用永久磁铁建立的磁场比较弱，它主要用于小容量电机。但是随着新型永磁材料的出现，特别是高磁能积的稀土材料如稀土钴、钕铁硼的出现，容量达百千瓦级的永磁电机已开始研制。

用以激励磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈（或励磁绕组）。

同步电机的励磁系统，由励磁电源、手动调节装置、自动励磁调节器和灭磁装置等组成。励磁电源也分为自励式和他励式两大类。

他励式设备比较庞大，但调节性能较好，而自励式电源比较简单，但是当电力系统发生故障，电网电压严重下降时，其励磁电流可能反而减少，使电网电压情况更为恶化。励磁电压影响电机运行的稳定性，为此必须采取适当的设备保护措施。

自励式电源取自同步电机内部的辅助绕组或直接取自同步电机本身的出线端。同步电机自励式励磁系统中，自动励磁调节器是重要部件。

它的作用是当同步电机的端电压和无功功率发生变化时，能根据电压量测比较单元和无功补偿（调差）单元送回的反馈信号，自动地控制励磁机或其他励磁供电电源的输出电流，达到自动调节端电压和无功功率的目的。

此外，调节器中还有一些辅助调节装置，例如用以限制发电机某些运行量（如转子电流，定子电流等）的限制单元；通过引入转速或频率等附加信号来改善电子系统动态性能的稳定单元和其他补偿单元等。

此外，还有灭磁装置，它是在电机内部发生短路时,使电机的励磁电流迅速衰减到零,从而使电机的感应电动势降到很低，以避免进一步损坏。

同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。

1.作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式。

2.作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。

3.同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。

同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。

最常用的是转场式同步发电机,其定子铁心的内圆均匀散布着定子槽，槽内嵌放着按规律排列的三相对称绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。

转子铁心上装有制成必定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的散布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。

原动机拖动转子旋转(给电机输入机械能)，极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组(相当于绕组的导体反向切割励磁磁场)。

行业分析师指出：随着电磁材料的发展、计算机辅助设计技术的进步、以及控制技术和驱动电路技术的进步，同步电机的性能有了很大的提高。

近年来，同步电动机在变频调速系统中开始得到较多的应用。

前文我们提到了“高磁能积的稀土材料如稀土钴、钕铁硼的出现，容量达百千瓦级的永磁电机已开始研制。”永磁电机体积小这一优秀特点在电动汽车发展前景可观。

下面我们就来介绍一下同步电机在电动汽车中的应用。

永磁同步电动机广泛用在电动汽车作为牵引电机，

电机采用三相8极结构，电机的定子铁芯与交流异步机相似，在铁芯内圆周有48个嵌线槽，见图1。
　　

转子采用内置永磁体结构，在铁芯内开有插装永磁体的槽，在永磁体两侧有隔磁的空气槽以减小漏磁，见图1右图。

图1--永磁同步电机定子铁芯与转子铁芯  

图2是定子铁芯与转子铁芯的立体图，在左图中显示了尚未完全插入永磁体的转子铁芯。

图2--永磁同步电机定子铁芯与转子铁芯立体图

定子铁芯嵌有三相绕组，按照8极48槽双层叠式绕制，图3是嵌好绕组的铁芯。

图3—嵌好绕组的永磁电机定子铁芯 

定子安装在机座内，机座是整个电机安装的基础，机座壁内有冷却水通道，通道是螺旋状环绕机座，分两层制作，两个冷却水管接头是冷却水的进出口，见图4。
　　

在机座两端有端盖，端盖封闭电机并支撑转子，前端盖是传动端的端盖，后端盖是非传动端的端盖，见图4。

图4—机座与端盖

图5是机座装入定子与绕组的剖视图。

图5—同步电机机座与定子铁芯与绕组 

转子铁芯插入永磁体后用挡板压紧，压入转轴与轴承，见图6。汽车电机功率一般在100kW以下，转子发热量很小，定子通过水冷可很好散热，无需用风扇散热。

图6—永磁同步电机转子

把转子插入定子铁芯，封好端盖，电机就组装完成，图7是永磁同步电机的剖视图。

图7--永磁同步电机的剖视图

为提高电机效率，提高调速精度，在电机非传动端轴端安装位置与速度检测装置 ，主要采用光电编码器或旋转变压器来实现，本模型没有相关装置，有兴趣者请另找参考资料。
　　

图8是永磁同步电机外观图。

图8--永磁同步电机外观图

未来，在材料技术方面，随着半导体技术的不断进步，使同步电机体积能够再减小。

在电机控制方面，研究如何进一步提高无速度传感器直接转矩控制性能，有无速度传感器控制的速度辨识的研究、矢量控制的鲁棒性研究，直接转矩中电压矢量选择智能化的研究。