第18章 航空用特种同步电机
永磁电机已广泛用于各种微控系统中，永磁直流电机的制造容量可达数百瓦甚至数千瓦，永磁交流发电
机的制造容量自数百伏安至75kV A 。早期的飞机，就是用永磁电机产生的高压来点火的，现在，广泛用永磁电机来作为航空直流电动机、同步发电机组的付励磁机及高压直流系统中的同步发电机。 在本章中，介绍主要的永磁材料及其性能，并简要介绍永磁同步电机的典型结构和性能特点。至于永磁电机的理论的深入探讨，已超出本书范围。
18.1 同步电动机的工作原理
根据电机的可逆原理，同步发电机也可以作为同步电动机运行。
当同步电机作为同步电动机运行时，同步电机的三相定子绕组上，外加对称的三相电源电压，三相电枢绕组中的电流，在电机中产生旋转磁场，旋转磁场与转子磁极相互作用，产生电磁转矩。作用在转子上的电磁转矩，使转子沿旋转磁场旋转的方向转动。转子的转速，永远等于旋转磁场的转速，故称这种电动机为同步电动机。 同步电动机在对称稳定运行状态时，电机中的电磁关系和同步发电机对称稳定运行状态基本上是相同的。
如图18-1所示，如果按照电动机惯例，取电势0
索布恰克
E 反方向、即电位降的方向作为电流的正方向，即把端电压U 看作是电位升，电流I 是由端电压U 驱驶的，而把电势0
E 看作是反电势，那么，由于电流方向与前述相反，则电势平衡方程式为
大丰三小
)(00s jX r I E r I X I j X I j E U ++-=+++-=αα
带锯条焊接σαα
(18-1)
根据电势平衡方程式，当忽略电枢电阻及漏抗时：
a
X I j E U +-=0 (18-2) 在一般情况下， 900+<<ϕ，根据电势平衡方程式，可作出隐极同步电动机的电势相量图如图18-2(a)所示。在图18-2中，同时作出了与电势相量图相联系的磁势的空间向量图。
由图18-2(a)可见，当忽略电枢电阻及漏抗时，激磁电势0
E -与端电压U 之间的时间相位差角δ，也就等于激磁磁势0
F 与合成磁势δF 在空间的夹角δ，注意：在空间0F 滞后于δF 一个δ角，这是同步电动机与
同步发电机最本质的区别。与同步发电机相比, 0<δ说明电机自电网吸收电功率。
当考虑电枢漏抗及电枢电阻αr 时，可作出隐极同步电动机的时空向量图，如图18-2(b)所示。由图可见，
E -滞后于U 的时间电角度θ，等于激磁磁通0φ 滞后于合成磁通R φ 的空间电角度θ。
和发电机状态相似，当忽略电枢电阻时，由向量图可得隐极同步电动机的电磁转矩及电磁功率为：
θsin 011s
X U E m M Ω= (18-3) θsin 01s
M X U E m P = (18-4) 如果规定0E 超前于U 时的功角θ为正，而0
E 滞后于U 时的功角θ为负，则同步电动机的电磁转矩的方向与同步发电机的电磁转矩的方向相反，为转动转矩，而同步电动机的电磁功率为自电网吸取的有功功率。
同样，隐极同步电动机的无功功率为 S
S X U m X U E m Q 2
101cos -=θ (18-5) 仿照隐极同步电动机及凸极同步发电机作向量图的方法，不难作出凸极同步电动机的向量图。可以求出凸极同步电动机电磁转矩及功率为：
θθ2sin )11(2sin 121011d
q d X X U m X U E m M -Ω+Ω= (18-6)θθ2sin )11(2sin 2101d
q d m X X U m X U E m P P -+== (18-7))11(22cos )11(2cos 212101d
q d q d X X U m X X U m X U E m Q +--+=θθ (18-8) 可见，凸极机的电磁转矩较隐极机大θ2sin )11(2121d
q X X U m -Ω，这是由于凸极机沿纵轴及横轴磁阻不等而产生的，故称磁阻转矩，如图18-3所示。由转矩公式可见：当0,00≠=U E 时，就是说：即使电机不激磁，但接于电网时，这部分转矩也会存在。磁阻转矩产生的原因，很容易由图18-3
得到解释。
利用沿纵轴及横轴磁阻不等而产生转矩的原理，可以制成磁阻电动机。磁阻转矩又称反应转矩，磁阻电动机又称反应式电动机。
同步电动机的主要缺点，是不能象异步电动机那样一通电就自己转起来。当定子旋转磁场快速地旋转时，由于转子有惯性而不能立即跟着旋转磁场一起旋转，这样，转子始终处于失步状态而不能转动。
但同步电动机有—个主要的优点，就是转子的转速与旋转磁场的转速相同。当电源频率不变时，转子的转速也保持不变。所以，它可以应用于需要恒速传动的装置中。为了解决起动问题，可以在转子上装上象异步电动机那样的鼠笼转子，它产生异步的起动转矩，或在转子上再装上磁滞转子，产生磁滞转矩及异步转矩，在这些转矩的作用下，把转子带动到接近于旋转磁场的转速，然后加上激磁，靠转子磁极与旋转磁场间产生的同步转矩，把转子拉入同步。
由于同步电动机起动很困难，需要加装这样或那样的起动装置，在飞机上除少数场合(例如转速表指示器中)外，很少用它来作为电动机拖动机械负载。
同步电动机还有一个重要的优点，就是可以用调节它的激磁来改变它吸收电网的无功功率，甚至可以让它向电网输出无功功率，因而，可以用它来改变电网的功率因数。这种同步电动机，称为调相机或同步补偿机。在地面电力系统及大型工矿企业中，常装有大型的同步电动机，它主要并不是用来拖动机械负载而是用来改善电网的功率因数的。这时，它的起动问题，可用专门的起动设备来解决。
18.2永磁同步电机的结构
18.2.1永磁材料
永磁材料有马氏体钢、铸造型铝镍和铝镍钴系列永磁合金、可塑性变形(可加工的)永磁合金、粉末冶 金永磁合金、单畴粉末永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土钴永磁材料等许多种。目前，电机中用得最多的是铸造型铝镍和铝镍钴系列永磁合金和稀土钴永磁材料两种。下面，简要介绍这两种永磁材料。
⑴ 铸造型铝镍和铝镍钴系列永磁合金
这类材料是以铁镍铝为基础，采用浇铸法制造的合金。这种合金磁性能较好，又很稳定。这种合金的成分，主要是铁、镍、铝。如分别加入钴、铜、硅、钴钛，则形成不同的合金种类。
合金的成分对磁性能的影响很大。例如，在低镍合金中加入铜，可使矫顽磁力c H 升高，最大磁能积max BH 增大；在高镍合金中加入铜后，也可使c H 增大，但剩磁感应r B 降低，磁能积无明显变化，在高镍合金中加入少量的硅后，可使临界冷却速度(使合金具有最优磁性能的热处理的冷却速度和温度，分别称为临界加热温度和临界冷却速度)大大降低；合金中加入钴后，可以提高c H 、r B 和s B 饱和磁感应强度，同时也能降低合金的临界冷却速度；含钛合金可以提高c H ，但r B 较低，虽然磁能积无明显变化，但可以细化晶粒，使合金表面光洁，棱角不致剥落。
如果合金在分解反应过程中施加外磁场，则可使凸度系数明显增大，这称为磁场热处理。经过磁场热处理的合金，其磁性带有方向性，顺磁场方向磁性最大，垂直于磁场方向磁性最小。
除采用磁场热处理外，还可以采用晶体定向化的方法来提高磁性能。采用定向结晶的方法，使磁钢在
磁化方向上长成平行排列的粗大晶体，使磁钢的磁能积增加。由于结晶状态不同，磁钢的磁性能有很大的差异。
这种合金的特点是c H 和r B 都比较高(c H 为200～900奥斯特，r B 为4000～13500高斯)，最大磁能积可达6105.13 高·奥。其主要缺点是材料硬而脆，除了磨加工和电加工外，不能进行其它机械加工。
这种合金的典型的去磁曲线见图18-4所示。图中示出了两种不同型号的铝镍钴磁钢的去磁曲线。
⑵ 稀土钴永磁材料．
稀土钴永磁合金简称稀土永磁合金，它们是不同的稀土族元素和钴组成的金属间的化合物。是近十年来得到迅速发展的一种新的永磁材料。
稀土元素一般是指化学元素周期表中原子系数从57到71的15个元素。稀土元素和过渡金属(如Fe 、Co 、Ni 等)可以形成多种金属化合物。其中稀土金属与钴形成的RCo(R 代表稀土元素)型化合物，具有很高的晶体各向异性和饱和磁化强度，并有很高的居里点。符合制成性能优异的永磁材料的条件，是目前永磁材料中综合磁性能最为理想的一种永磁材料。
稀土永磁合金具有以下主要优点：
a 、去磁曲线基本上是一条直线。如图18-5所示，其斜率接近于可逆滋导率，回复直线近似与去磁曲线重合。因而，去磁曲线上的任何一点都是稳定工作点，不需进行特别的稳定处理。电机工作时，工作点将沿去磁曲线变化。
b 、具有极大的矫顽磁力。
c H 高达5000～l0000奥斯特，有的甚至可以超过10000奥斯特。因而它有很强的抗去磁能力。
c 、最大磁能积max BH 很大。其实验值可达61060 高•奥。
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d 、温度稳定性较好。
对于永磁电机来说，采用稀土钴合金后，可以大大提高磁铁的抗去磁能力。尤其对于突然短路、堵转和突然反转等运行条件，采用稀土钴是有利的。由于其去磁曲线是线性的，并且近似与回复直线重合，磁铁可不进行工作稳定性处理，大大提高了磁铁的利用程度，此外，由于其矫顽力特别高，磁铁长度可以缩到最短。这样不但减小了电机的体积和重量，还将对传统的磁路尺寸比例来一次变革。
目前，发展稀土钴永磁合金的主要问题是原材料价格贵，制造工艺复杂，因而成本高。目前只用于磁铁用量不大的小型电机中。如能在原料、工艺、成本等方面有所突破，则稀土永磁合金前途无量。18.2.2永磁同步电机的典型结构
(1)永磁同步发电机
永磁同步发电机的定子上，装有三相绕组，定子铁心用硅钢片迭成。永磁同步发电机的转子，可以做成圆柱形转子，如图18-6(a)所示。这种永磁转子，机械强度较好，但只能做成一对极的转子。当极数较多时，必须做成星形转子，如图18-6(b)所示。永久磁铁与磁性合金老年人手环
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