永磁同步电动机工作原理解析

从BLDC电机120°直流方波控制来讲解电机的基本工作原理，而180°控制原理则是在120°方波控制的基础上加入正弦变化控制。换言之，针对电机最优的控制，要看电机的反电动势是方波还是正弦波。方波或梯形波的按直流控制，正弦波的按正弦变化控制。

无刷直流（BLDC）电机的基本旋转需依靠转子位置传感器检测的位置信息，然后经过电子换相电路来驱动控制同电枢绕组相连接的各个功率开关器件的关断或导通，从而控制绕组的通电状态，并在定子上产生一个连续的旋转磁场，以拖动转子跟着旋转。随着转子的不断旋转，传感器信号被不断地反馈给芯片，主芯片据此来改变电枢绕组的通电状态，使得在每磁极下的绕组中的电流方向相同，可以产生恒定转矩，并使BLDC电机连续旋转运行起来。BLDC电机三相绕组主回路有三相全控和三相半控两种。其中三相半控电路简单，一个功率开关驱动一相绕组，每个绕组只保持1/3通电时间，另外2/3的时间则保持断开状态，并没有被充分利用起来。通常选择采用三相全控电路，如图3-41所示。

图3-41　三相全控电路示意图

120°变频控制其实是采取两两导通方式的控制策略。两两导通方式是指每一时刻仅有两个功率管导通，每1/6周期，开关管换相一次，而每次换相也即PWM调制一个功率管。典型的IGBT或MOSFET的连续通断开关顺序为：T1T2—T2T3—T3T4—T4T5—T5T6—T6T1—T1T2，按此调制通断即可产生连续的旋转电枢磁势，从而使电机运转，如图3-42所示。注意这里对120°变频来讲，每一步PWM的占空比是固定不变的，从而产生直流方波。这种控制方式的特点是简单方便，容易掌握。而180°变频不仅每1/6周期的PWM占空比不同，而且每一个PWM脉冲的占空比都在调整中，并在每个电周期内使电压按照正弦规律变化，对矢量变频来讲使电流或磁通按照正弦规律周期变化控制。

图3-42　电机旋转示意图

（一）电枢反应

空载时，同步电机气隙中仅有转子磁势存在。而带负载后，除转子磁势之外，还有定子三相电流产生的电枢磁动势。电枢磁动势的存在，会使气隙中磁场的位置和大小发生畸变，这种电枢磁势影响主磁极磁场的现象称为电枢反应。

电枢反应除了能使气隙磁场产生畸变之外，还会关联机电能量转换，有增磁或去磁作用，这对电机的运行性能会产生很大的影响。该反应的性质取决于主磁场与电枢磁势在空间上的相对位置，分析表明该位置与负载电流Ia和激磁电动势E0之间的相位差Ψ有关。

图3-43　Ψ=0时的电枢反应

1.Ia与E0同相位时的电枢反应

如图3-43所示，Fa与Ff矢量相加后为气隙合成磁动势，习惯上用d（直轴）来表示转子磁极轴线，用q（交轴）来表示N、S极之间的中线。这样因交轴磁势的存在，故会使合成磁势轴线的位置发生位移，且幅值也会发生一定的变化。

2.Ia滞后相位90电角度（Ψ=90°）时的电枢反应

如图3-44所示，从图中可看出电枢磁势的方向与气隙磁势的方向相反，电枢反应是有去磁效果的。

3.Ia超前E0相位90电角度（Ψ=-90°）时的电枢反应

如图3-45所示，这时电枢反应是有增磁作用的，也称为直轴增磁电枢磁动势。

图3-44　Ψ=90°时的电枢反应

图3-45　Ψ=-90°时的电枢反应(www.xing528.com)

4.对于Ψ为任意角度时的电枢反应

此时要分清是电流超前电动势还是滞后电动势。

电流滞后电动势：0<Ψ<90°

可利用迭加原理，将分解成两个分量与，以及滞后于90°电角度的分量。如图3-46（a）所示，它们有以下数学关系：

图3-46　Ψ为任意角度时的电枢反应

Iq与E0同相，起交磁作用，Id与主磁势相反起去磁作用。也可以将电枢磁势Fa按Ψ分解如下：

电流超前电动势：-90°<Ψ<0°

从图3.46（b）所示可知：此时Iq仍然起交轴作用，但Id与主磁势方向相同起增磁作用。

综上分析有以下重要结论：电枢磁势除了产生交轴电枢反应外，当E0超前Ia时，还会有一部分产生直轴去磁作用；当E0滞后Ia时，会产生直轴增磁作用。这个结论是根据电机的结构来进行最大扭矩每安培控制的依据，它直接关系能耗的多少。

（二）运行特性

永磁同步电动机的运行特性主要是机械特性和工作特性。

永磁同步电动机稳态正常运行时，转速始终保持同步速不变，其机械特性为平行于横轴的直线，通过调节电源频率来调节电动机转速时，转速将严格地与频率成正比例变化，如图3-47所示。

图3-47　永磁同步电动机的机械特性

图3-48　永磁同步电动机的工作特性

永磁同步电动机的工作特性是指当电源电压恒定时，电动机的输入功率、电枢电流、效率、功率因数等随输出功率变化的关系，如图3-48所示。