专题五十三 微型同步电机（教案）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题五十三 微型同步电机（教案）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测 一、考纲解读 1.电磁感应与变压器原理：掌握电磁感应定律在变压器中的应用，理解互感现象与主磁通、漏磁通的区别，能推导变压器电动势公式（E₁=4.44fN₁Φₘ），明确变比与电压、电流的关系。 2.变压器结构与参数计算：熟悉油浸式、干式变压器的结构组成，掌握空载试验与短路试验的目的及参数计算方法，能分析负载运行时的电压调整率与效率变化规律。 3.变压器并联运行条件：理解变比相等、连接组别相同、短路阻抗标幺值相等的必要性，能判断并联运行时的负载分配问题，掌握环流产生的原因及危害。 4.互感器使用与安全规范：区分电流互感器与电压互感器的工作原理，明确电流互感器二次侧不得开路、电压互感器二次侧不得短路的安全要求，掌握极性判别与接地方法。 二、知识点梳理 微型同步电机是依靠同步转矩运转的交流电动机，其转速与旋转磁场的转速同步。以供电电源的相数分类，有三相和单相之分。小功率单相同步电机又可分为电容式和罩极式。以定子、转子的相对位置来分类，有内转子式和外转子式两类，以工作原理来分，微型同步电机有永磁式、反应式和磁滞式三类。 微型同步电机具有转速恒定、结构简单、体积小、出力大、运行可靠、应用方便的特点。 这种电动机广泛应用在自动控制和其他需要恒定转速的仪器上，如电子钟、记录仪器、摄影机、电唱机、录音机和无线电传真机等恒速拖动系统中。 一、永磁式微型同步电机 1.基本结构 永磁式同步电机可分为异步启动式、磁滞启动式和爪极自启动式三种结构。 (1)异步启动式永磁同步电机异步启动式永磁同步电机的外观结构和异步电动机相似，其定子铁心上嵌放三相或单相绕组。转子除永磁体磁极外，还有铜条或铸铝的笼型绕组，作用是供异步启动和同步运行时作阻尼绕组用。 异步启动式永磁同步电机转子结构如图8-42所示。通常包括星形转子和并联磁路转子两类。图8-42(a)所示为星形转子，其极靴成圆环形的内侧开有缺口，极靴上有笼型绕组。 星形转子采用剩磁较高的铝镍钴永磁材料。图8-42(b)所示为两极并联磁路转子，因永磁体很薄，因而面积很大，其转轴中间部分做成I字形，它适用于铁氧体永磁材料。图8-42(c)所示为笼型转子轴向安装的永磁同步电机转子，这种转子可缩小电机外径。 (2)磁滞启动式永磁同步电机磁滞启动永磁同步电机转子结构如图8-43所示。它的定子铁心槽中设置单相或三相绕组，转子上没有绕组，在永磁体外层用剩磁较大而矫顽力较小的硬磁材料制作的有效层磁滞环。其中，图(a)为径向式，图(b)为轴向式。 (3)爪极自启动永磁同步电机自启动永磁同步电机定子一般制成带环形绕组的爪极，(罩极)转子为永磁体制成的圆环，径向充磁呈多个磁极。这种电动机没有笼型绕组，也没有磁滞环，不能产生异步转矩或磁滞转矩，启动和牵人同步都靠同步转矩。这种电动机极数很多，可达到16~48极，所以同步转速低，尺寸很小，转子惯性矩很小，在同步转矩的作用下转子很快升速而牵入同步。图8-44所示为自启动永磁同步电机典型结构，其中，图(a)为罩极式，图(b)为非罩极式。 2.工作原理 永磁式同步电机虽然有三种不同的结构形式，但是其基本原理是相同的。主要是由定子绕组产生旋转磁场，转子的主体由永久磁钢制成，这和大型同步电机的原理是相同的。所不同的是启动装置有所区别，但工作原理与大型同步电机也是相同的。如异步启动原理与大型同步电机相同，罩极式同步电机与单相罩极式异步电机道理是相同的。 磁滞环启动式电机的启动原理是：当定子通以交流电形成旋转磁场时，被磁化的转子磁滞环，由于磁滞作用，它的磁场仍保持落后位置，与定子旋转磁场之间存在磁滞角。它们之间产生切向磁拉力，形成磁滞转矩，在其作用下，电机转子朝着定子磁场转动的方向转动。电动机借助磁滞转矩启动。当电动机转速接近同步转速时，转子磁场与旋转磁场近于相对静止状态，转子已近于恒定磁化，与转子内部永久磁铁成为一体，被牵入同步运行。这时磁滞环启动电机就成为永磁式同步电机了。 3.特点与用途 永磁式同步电机的效率和功率因数都比较高，在同样体积下，其输出功率也较大。但永磁式同步电机除自动启动式外，没有启动能力，且不可在异步状态下运行。永磁同步电机广泛应用于恒速驱动装置，例如，化学纤维工业的高精度同步驱动装置；由逆变器供电的变频调速装置，其功率为0.4~750 kW,供电频率为20～300 Hz。 二、反应式微型同步电机 1.基本结构 反应式同步电机是利用转子的交轴和直轴对磁通的反应不同而产生转矩的电动机。这类电动机也称磁阻式同步电机。 反应式同步电机通常由笼型异步电动机派生而来，它的定子结构与异步电动机基本相同。转子可由异步电动机转子铁心冲片加开反应槽而制成。笼型启动绕组多为铸铝材料。常见的转子结构有三种，如图8-45所示。 外反应式由于反应槽开在转子外圆，相当于切去转子冲片的一部分，使转子形成固定磁极，故结构简单，易于加工。 内反应式由于反应槽开在转子轴边磁轭部，对交轴磁通形成较大的磁阻。笼型启动绕组又完整，故同步运行性能比外反应式结构的好。 内外反应式的冲片结构，其直轴与交轴的磁阻差别最大，与同机座号的外反应式相比，容量可以提高一个等级，其性能也较好，但工艺复杂。在功率较大的反应式同步电机中，大都采用这种结构。 为了进一步提高直轴和交轴的磁阻差，可采用图8-46所示的分层式转子铁心结构，图中画线部分为钢，其他部分为铝，两端有端环，形成特殊的笼型绕组。其中，图(a)为2极结构，图(b)为4极结构。 2.工作原理 反应式微型同步电机小功率时常做成单相的，功率稍大时也有三相的。现以单相反应式同步电机为例，说明其工作原理。 图8-47所示为单相反应式同步电机工作原理。定子铁心用硅钢片冲制叠压而成，磁极各有一个裂口，在对角的半个磁极铁心上各套一只短路环，如同单相罩极异步电动机的定子铁心。定子铁心上装有励磁线圈。转子用硬磁材料做成凸极式，一经磁化便产生固定的磁极。 当定子绕组通入交流电时，由于短路环的电磁感应作用，像罩极异步电动机的定子铁心一样，在电机的气隙中产生旋转磁场。定子旋转磁场的形成如图8-47所示。从图中可知，电流变化一周，定子磁场旋转一周。 转子在磁场中被磁化，形成磁性固定不变的磁极。由于磁极的相互作用，转子被定子磁场吸引，由于定子磁场在旋转，转子也就跟随定子磁场以同步转速旋转。 3.特点和用途 这种微型同步电机和大型同步电机一样，不能自行启动。若要使其自行启动，必须装启动绕组，产生启动转矩，所以其启动转矩是由转子上的笼型启动绕组产生的。在转子加速到接近同步转速时，依靠磁阻转矩将转子牵人同步并在同步下运行，启动绕组失去启动作用。转子上没有励磁绕组和滑环，也不使用永磁材料，其磁场由定子磁通产生。由于没有滑动接触，又由于笼型绕组在正常运行时起到阻尼绕组的作用，因此，运行稳定可靠。 这种电动机可以改变定子、转子磁极对数，改变转子转速，也可以改变交流电的频率来改变转速。这种电动机结构简单、成本低廉，可用于记录仪表、摄影机、录音机及复印机等设备中。 三、磁滞式同步电机 1.基本结构 磁滞电机是一种利用磁滞材料产生磁滞转矩而运行的同步电机。这类电动机的定子结构和异步电动机相似，可以做成三相或单相。单相磁滞电机常用电容器分相，在容量特别小时，也有用罩极式的，或与爪极定子相结合成为罩极一爪极式磁滞电机。磁滞电机用作陀螺电机时，通常做成外转子式。 磁滞电机转子的有效层由具有显著磁滞特性的硬磁材料制成。但不预先充磁，它的磁化是在电动机启动过程中直接依靠定子磁场进行的。转子为光滑的圆柱体，分内层和外层。外层由磁滞材料构成，内层是非磁性的(如黄铜、铝合金或耐高温塑料)或磁性的(如结构钢或电工钢)套筒，如图8-48所示。磁滞材料有铁钴钒系合金。 2.工作原理 图8-49所示为磁滞电机转矩作用原理图。 假设磁滞电机是实心的，定子旋转磁场用永久磁铁代替。在永久磁铁磁场的作用下，转子被磁化，其轴线与永久磁铁磁场(旋转磁场)的轴线(N-S)重合，如图8-49(a)所示。这两个磁场的相互作用力是径向的，没有切向力，不能产生转矩。 如果转子是软铁制成，且不产生涡流和磁滞现象，当永久磁铁绕转子轴转动时，已被磁化的转子磁场轴向(N-S)将随永久磁铁的磁场转动而不滞后(转子本身并不转动),它们之间相互作用产生的力也是径向的，也不会有转矩产生，如图8-49(b)所示。 如果转子由硬磁材料制成，并且具有良好的磁滞特性，那么当转子转动某一角度时，转子由于磁滞(即保持原有磁性不随外界磁场而变化的性质),使定子磁场和转子磁场间的作用力方向发生改变，不仅有径向力，还产生切向力。这同永磁体转子产生的切向力相似，因而产生了转矩，如图8-49(c)所示。 如果转子在磁滞转矩下开始旋转，在电机异步启动状态时，定子磁场以转差频率sf反复磁化转子材料；磁滞转矩也始终保持为最大值，这时磁滞损耗较多。随着转子转速的提高，磁化频率减小，磁滞损耗也相应地降低。达到同步转速时，磁滞损耗减到最小，磁化频率消失，而失调角也改变到使磁滞转矩与负载转矩相平衡的程度。 如果负载转矩增大，失调角也随之增大，一直增大到θmax。如果负载转矩进一步增大，转子被迫失去同步，导致停转。 总之，不论是异步状态还是同步状态，最大磁滞转矩都是相等的。图8-50所示为磁滞电机的转矩特性曲线。对于三相电动机的圆形旋转磁场，在不计涡流转矩时，磁滞转矩是恒定的。转矩特性曲线如图8-50中曲线2所示。 对于单相磁滞电机，它一般工作在椭圆磁场状态下。在不同的转子转速时，椭圆旋转磁场的磁滞转矩是不相同的，转矩特性曲线如图8-50中曲线3所示。 一般来说，硬磁材料电阻率很大，涡流转矩不大，涡流转矩特性曲线如图8-50中曲线4所示。 在磁滞三相同步电机中，如果考虑到涡流转矩存在的话，这时涡流转矩与磁滞转矩的合成转矩如图8-50中曲线1所示。 磁滞电机从原理上讲，既可以在同步状态下运行，也可以在异步状态下运行。但异步运行时，存在磁滞和涡流损耗，因此，很少用于异步运转。 3.特点和用途 磁滞电机具有较大的启动转矩，能自行牵入同步，并稳定在同步状态运转；并且结构简单、工作可靠、机械强度高，适合于高速运转；还具有启动电流小、电磁噪声低的特点。但与其他类型同步电机比较，磁滞电机的重量和体积较大，价格较贵，效率和功率因数都较低。磁滞电机一般用于120W以下要求转速恒定的场合，特别适宜于在转动惯量较大、启动频繁、恒转矩、高速类驱动装置上使用。 反应式和永磁式同步电机具有较高的力能指标，但不能自行启动，一般要在转子上安装笼型绕组，采用异步启动的方法。磁滞式电机和以上两种形式相结合的磁滞启动式永磁同步电机和磁滞反应式同步电机，把磁滞电机的高启动性能和另两种电动机的高运行性能相结合，不仅能够满足根据传动装置特点提出的对电动机机械特性的要求，而且互相取长补短，大大地改善了它们的启动性能和同步状态下的工作性能。 三、真题练讲 1.(2023年河南省统一考试)某单相变压器额定容量为100kV·A，额定电压为10kV/0.4kV，空载损耗为600W，短路损耗为2400W。当负载功率因数为0.8（滞后）且输出电流为额定值时，变压器效率为（ ）。 A.97.6% B.98.1% C.98.5% D.98.8% 答案：C 解析：效率η=P₂/(P₂+P₀+β²Pₖ)，其中β=1，P₂=Sₙ×cosφ=100×0.8=80kW，P₀=0.6kW，Pₖ=2.4kW，代入计算得η≈98.5%。 2.(2021年山东省统一考试)三相变压器并联运行时，若连接组别不同，会导致（ ）。 A.负载分配不均 B.二次侧产生环流 C.电压调整率增大 D.短路阻抗标幺值变化 答案：B 解析：连接组别不同会使二次侧线电压相位不一致，形成电位差，导致环流。环流可能引发过热甚至损坏设备，因此并联前必须核对接线组别。 3.(2024年江苏省统一考试)电流互感器二次侧开路时，可能产生的后果是（ ）。 A.铁心过热 B.二次侧电压降低 C.一次侧电流增大 D.测量精度提高 答案：A 解析：二次侧开路时，一次电流全部用于励磁，铁心磁通饱和，导致过热并产生高电压，危及人身安全。 4.(2022年河南省统一考试)某变压器原边匝数N₁=1000，副边匝数N₂=200，若原边接220V交流电源，则副边空载电压为（ ）。 A.44V B.110V C.220V D.550V 答案：A 解析：变比k=N₁/N₂=5，副边电压U₂=U₁/k=220/5=44V。空载时忽略漏阻抗压降，U₂等于电动势E₂。 5.(2025年河南省统一考试)变压器带感性负载运行时，二次侧电压随负载增大而（ ）。 A.升高 B.降低 C.不变 D.先升后降 答案：B 解析：感性负载使二次侧电流滞后电压，漏抗压降增大，导致端电压下降。电压调整率ΔU%=(U₂₀-U₂)/U₂₀×100%，负载越大ΔU%越大。 四、限时练讲 1.变压器短路试验的目的是测量（ ）。 A.空载电流 B.短路阻抗 C.变比 D.励磁电阻 答案：B 解析：短路试验时副边短路，原边施加低电压使电流达额定值，测得的参数可计算短路阻抗Zₖ=Uₖ/Iₙ，用于分析负载运行特性。 2.电压互感器使用时必须（ ）。 A.二次侧短路 B.铁心接地 C.极性接反 D.负载阻抗为零 答案：B 解析：电压互感器二次侧必须有一端接地，防止一、二次绕组绝缘击穿时高压窜入低压侧，危及设备和人员安全。 3.变压器并联运行时，若变比不等，则（ ）。 A.空载时无环流 B.负载时负载分配不均 C.短路阻抗标幺值增大 D.连接组别改变 答案：B 解析：变比不等会导致二次侧电压差，空载时产生环流；负载时环流叠加在负载电流上，使各变压器负载分配偏离容量比例。 4.某变压器额定电压为10kV/0.4kV，额定电流为5A/125A，则变比为（ ）。 A.25 B.0.04 C.50 D.0.02 答案：A 解析：变比k=U₁ₙ/U₂ₙ=10/0.4=25，或k=I₂ₙ/I₁ₙ=125/5=25。 5.变压器效率最高时的负载系数β为（ ）。 A.P₀/Pₖ B.√(P₀/Pₖ) C.Pₖ/P₀ D.√(Pₖ/P₀) 答案：B 解析：效率η=1-(P₀+β²Pₖ)/(βSₙcosφ+P₀+β²Pₖ)，求导得β=√(P₀/Pₖ)时效率最大。 6.电流互感器二次侧额定电流通常为（ ）。 A.1A或5A B.10A或20A C.50A或100A D.220V或380V 答案：A 解析：电流互感器二次侧标准额定电流为1A或5A，便于与测量仪表、继电器匹配。 7.变压器空载运行时，原边电流主要用于（ ）。 A.产生主磁通 B.克服铜耗 C.提供输出功率 D.平衡副边电流 答案：A 解析：空载时副边开路，原边电流为励磁电流，主要用于建立主磁通，少量用于克服铁耗。 8.变压器连接组别Dyn11表示（ ）。 A.原边三角形接法，副边星形接法，线电压相位差30° B.原边星形接法，副边三角形接法，线电压相位差30° C.原边三角形接法，副边星形接法，线电压相位差0° D.原边星形接法，副边三角形接法，线电压相位差0° 答案：A 解析：D表示原边三角形接法，yn表示副边星形接法且中性点接地，11表示副边线电压滞后原边30°。 9.简述变压器并联运行的理想条件及不满足时的后果。 答案：理想条件包括变比相等、连接组别相同、短路阻抗标幺值相等。变比不等会导致空载环流和负载分配不均；连接组别不同会使二次侧电压相位不一致，产生巨大环流；短路阻抗标幺值不等会导致负载分配与容量不成比例，可能引发过载。 10.电压互感器使用时需注意哪些安全事项？ 答案：①二次侧不得短路，否则会因短路电流过大损坏设备；②二次侧必须有一端可靠接地，防止高压窜入低压侧；③接线时注意极性，避免测量误差；④根据负载性质选择合适的准确级，计量用应选0.5级及以上。 五、学法建议 重点复习知识点： 1.重点掌握电磁感应定律、变比公式（k=N₁/N₂=U₁/U₂=I₂/I₁）、主磁通与漏磁通的区别，结合空载和短路试验数据推导参数（如励磁阻抗、短路阻抗）。 2.熟练运用效率公式η=(P₂)/(P₂+P₀+β²Pₖ)、电压调整率ΔU%=(U₂₀-U₂)/U₂₀×100%，通过典型例题训练参数代入与单位换算能力。 3.结合电流互感器、电压互感器的接线实训，牢记电流互感器二次侧不得开路、电压互感器二次侧不得短路的安全要求，掌握极性判别与接地方法。 4.通过等效电路分析环流产生机制，对比不同条件下的负载分配情况，理解连接组别对相位的影响，结合向量图加深理解。 5.将易混淆概念（如主磁通与漏磁通、电压互感器与电流互感器）、计算失误（如效率计算中β的取值）整理成册，定期复盘强化记忆。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$