提高能效的永磁式交流无换向器电动机技术

永磁式交流无换向器电动机所使用的电动机类似永磁同步电动机（见图6-36），转子是由稀土永磁材料制成的磁极。定子侧的电源是由直流电源，通过晶体管开关元件构成的三相桥式逆变电路向定子三相绕组供电。晶体管开关元件的导通和关断的策略是由转子磁极的位置所决定。

图6-36 采用晶体管作为开关元件的永磁式交流无换向器电动机

电动机的定子电流建立定子磁通Φ₁，转子永久磁铁建立的磁通是Φ₂。这两个磁通的相互作用产生电磁转矩T，即

式中 θ——定子磁通矢量Φ₁和转子磁通矢量Φ₂的空间夹角。

定子磁通吸引着转子磁通，并带动转子磁极转动。形象地打个比方，就像用一个永久磁铁吸引指南针转动。当两个磁通矢量之间的空间夹角为90°时，电动机产生最大转矩；当两个磁通矢量之间的空间夹角减小，转矩随之减小直至减小为零。转矩和两个磁通矢量夹角的关系如图6-37所示。

图6-37 定子磁通Φ₁和转子磁通Φ₂之间的 夹角与转矩的关系（极对数p_n=1）

下面我们来分析电动工况时的定、转子磁通的空间矢量图（为了简化起见，以极对数p_n=1为例）。假定当前时刻晶体管VT3和VT4导通（见图6-36），这时电流的通路是：电源正极L+→晶体管VT3→绕组B→绕组A→晶体管VT4→电源负极L-。定子绕组A、B产生的合成磁势的空间矢量位于F3的位置（见图6-38a）。如果此时转子的位置如图6-38b所示，根据式（6-31），电动机将会产生电磁转矩，转子在电磁转矩的作用下按顺时针方向转动。随着θ角逐渐减小，转矩也逐渐变小。当转子转过30°就应当使电动机绕组进行换相（见图6-38a），电动机的合成磁势应当位于F₄的位置。为此，需要关断晶体管VT3，导通晶体管VT5。以此类推，换相原则是按晶体管序号递增的顺序依次进行的。由晶体管VT1～VT6构成的无触点换相开关的动作受位置检测器PS的控制。为了得到最大的转矩的值并且转矩波动最小，角度θ应当保持在90°±30°的范围之内。如果极对数p_n=1，则转子每转一周，六个开关元件就动作一次，定子的合成磁势也旋转一周。如果极对数为p_n，并且p_n＞1，那么同样六个开关元件动作一次，定子磁势旋转360/p_n度，转子也旋转同样角度。

图6-38 电动机绕组换相时的磁势矢量图和空间矢量关系

改变定子的磁势的大小就可以调节转矩，也就是说改变定子的平均电流就可以改变转矩。定子的平均电流是(www.xing528.com)

式中 R₁——定子一相绕组的电阻。

定子绕组的感应的电动势E_a与转子的转速和转子磁通的乘积成正比，所以定子回路的电压方程为

式中 L₁——定子一相绕组的电感。

因此，调节电动机定子侧的供电电压，就可以改变定子电流，从而达到调节转矩的目的，即

T=k_TΦ₂I₁ （6-34）

当开关元件关断后电流不会立即消失，电流将通过续流二极管和滤波电容C构成闭合回路。

从式（6-32）～式（6-34）不难看出，永磁式交流无换向器电动机的电流、电压、和转矩公式与直流电动机的相应公式基本雷同。所以它的机械特性也和他励直流电动机在恒磁条件下的机械特性相同。

永磁交流无换向器电动机的调压调速的方法是通过改变开关元件的控制脉冲的宽度来实现的。即在一个开关周期内改变晶体管VT1～VT6的控制脉冲的占空比，就可以调节加到定子绕组上的平均电压。

为了实现制动工况，必须改变开关元件的开关模式，使得定子磁势矢量在空间落后于转子磁势，并使U₁＜E_a，这时电动机的转矩为负值。如果输入侧的整流器是不可控的整流器，制动能量无法回馈到电网，只能向滤波电容C充电。为了限制电容C上的电压值，这时应当接通晶体管VT7，使得制动能量通过制动电阻泄放掉。