同步電動機

轉子轉向與定子旋轉磁場的轉向相同的交流電機。其轉子轉速n與磁極對數p、電源頻率f之間滿足n=60f/p。轉速n決定於電源頻率f，故電源頻率一定時，轉速不變，且與負載無關。具有運行穩定性高和過載能力大等特點。常用於多機同步傳動系統、精密調速穩速系統和大型設備(如軋鋼機)等。

同步電動機是屬於交流電機，定子繞組與異步電動機相同。它的轉子旋轉速度與定子繞組所產生的旋轉磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動機。正由於這樣，同步電動機的電流在相位上是超前於電壓的，即同步電動機是一個容性負載。為此，在很多時候，同步電動機是用以改進供電系統的功率因數的。 ^[1] 

由於同步電機可以通過調節勵磁電流使它在超前功率因數下運行，有利於改善電網的功率因數，因此，大型設備，如大型鼓風機、水泵、球磨機、壓縮機、軋鋼機等，常用同步電動機驅動。低速的大型設備採用同步電動機時，這一優點尤為突出。此外，同步電動機的轉速完全決定於電源頻率。頻率一定時，電動機的轉速也就一定，它不隨負載而變。這一特點在某些傳動系統，特別是多機同步傳動系統和精密調速穩速系統中具有重要意義。同步電動機的運行穩定性也比較高。同步電動機一般是在過勵狀態下運行，其過載能力比相應的異步電動機大。異步電動機的轉矩與電壓平方成正比，而同步電動機的轉矩決定於電壓和電機勵磁電流所產生的內電動勢的乘積，即僅與電壓的一次方成比例。當電網電壓突然下降到額定值的80%左右時，異步電動機轉矩往往下降為64%左右，並因帶不動負載而停止運轉；而同步電動機的轉矩卻下降不多，還可以通過強行勵磁來保證電動機的穩定運行。 ^[2] 

同步電動機的結構和同步發電機基本相同，轉子也分凸極和隱極。但大多數同步電動機為凸極式。安裝形式也分卧式和立式。為了解決同步電動機的啓動問題，在其轉子上一般裝有起動繞組。它還可以在運行中抑制振盪,故又稱阻尼繞組。除了上述傳統結構外，還有一種無滑動接觸的爪極式轉子結構。 以6極電機為例，在轉軸上相向地裝上兩組爪形磁極。一組在爪盤上沿軸向向右伸出3個極身；另一組反向安裝在右邊,使爪盤上沿軸向向左伸出3個極身。 兩組磁極的極性相反。磁極的外圓周表面裝配後，不再象一般凸極電機那樣呈圓瓦面，而是楔形瓦面，即一端的極弧較另一端長，整個轉子形狀如圖1。勵磁繞組裝在兩側磁軛外緣。它產生的磁通經過N、S極間的側向主氣隙gm、轉子和定子間的軸向氣隙g1和g2，再經端蓋和機座而閉合。為防止磁通經轉軸短路，轉軸應採用非磁性鋼；或把轉軸分成3段，中間一段為非磁性鋼。這種結構的主要優點是旋轉部分沒有繞組，也無集電環和電刷之間的滑動接觸，故運行可靠，絕緣結構簡單，維修也方便。但它的主磁路長且有較多氣隙，使勵磁所需功率增大；電機外殼有強磁性，這會引起軸承發熱；而轉軸也必須採用隔磁措施。因此這種電機並未獲得普遍推廣，只在某些特殊場合下使用，一般容量不超過幾百千瓦。

同步電動機僅在同步轉速下才能產生平均的轉矩。如在起動時立即將定子接入電網而轉子加直流勵磁，則定子旋轉磁場立即以同步轉速旋轉，而轉子磁場因轉子有慣性而暫時靜止不動，此時所產生的電磁轉矩將正負交變而其平均值為零，故電動機無法自行起動。要起動同步電動機須藉助其他方法，主要有以下兩種方法。

①異步起動法：在電動機主磁極極靴上裝設籠型起動繞組。起動時，先使勵磁繞組通過電阻短接，而後將定子繞組接入電網。依靠起動繞組的異步電磁轉矩使電動機升速到接近同步轉速，再將勵磁電流通入勵磁繞組，建立主極磁場，即可依靠同步電磁轉矩，將電動機轉子牽入同步轉速。

②輔助電動機起動法：通常選用與同步電動機同極數的感應電動機（容量約為主機的10～15%）作為輔助電動機，拖動主機到接近同步轉速，再將電源切換到主機定子，勵磁電流通入勵磁繞組，將主機牽入同步轉速。

同步電動機在結構上大致有兩種：

它的轉子做成顯極式的，安裝在磁極鐵芯上面的磁場線圈是相互串聯的，接成具有交替相反的極性，並有兩根引線連接到裝在軸上的兩隻滑環上面。磁場線圈是由一隻小型直流發電機或蓄電池來激勵，在大多數同步電動機中，直流發電機是裝在電動機軸上的，用以供應轉子磁極線圈的勵磁電流。

由於這種同步電動機不能自動啓動，所以在轉子上還裝有鼠籠式繞組而作為電動機啓動之用。鼠籠繞組放在轉子的周圍，結構與異步電動機相似。

當在定子繞組通上三相交流電源時，電動機內就產生了一個旋轉磁場，鼠籠繞組切割磁力線而產生感應電流，從而使電動機旋轉起來。電動機旋轉之後，其速度慢慢增高到稍低於旋轉磁場的轉速，此時轉子磁場線圈經由直流電來激勵，使轉子上面形成一定的磁極，這些磁極就企圖跟蹤定子上的旋轉磁極，這樣就增加電動機轉子的速率直至與旋轉磁場同步旋轉為止。

轉子不勵磁的同步電動機能夠運用於單相電源上，也能運用於多相電源上。這種電動機中，有一種的定子繞組與分相電動機或多相電動機的定子相似，同時有一個鼠籠轉子，而轉子的表面切成平面。所以是屬於顯極轉子，轉子磁極是由一種磁化鋼做成的，而且能夠經常保持磁性。鼠籠繞組是用來產生啓動轉矩的，而當電動機旋轉到一定的轉速時，轉子顯極就跟住定子線圈的電流頻率而達到同步。顯極的極性是由定子感應出來的，因此它的數目應和定子上極數相等，當電動機轉到它應有的速度時，鼠籠繞組就失去了作用，維持旋轉是靠着轉子與磁極跟住定子磁極，使之同步。 ^[3]