2.4 PMSM基本工作原理

電動機的工作原理是基于定子繞組中的電流與轉子磁場的相互作用，定子繞組結構和連接形式以及繞組中的電流和產生的反電動勢決定著電動機的工作模式和電動機形式。

這里對電動機定子繞組與轉子之間的作用力進行定性的介紹，有助于讀者對電動機的轉矩建立基本的概念，詳細的數學推導見第3章。電動機轉子的旋轉是因為有電磁轉矩的原因，這里又可以細分為定子繞組與永磁體以及定子繞組與凸極轉子兩種電磁轉矩。

2.4.1 定子繞組與永磁轉子的作用力

如圖2-17所示，當電動機轉子靜止時，永磁體產生的磁場是直流磁場，方向沿d軸（如圖中N、S所示），該磁場在空間內是不會旋轉的。當三相定子繞組通入直流電，那么也可以產生直流磁場，并且如果合理地控制各相繞組電流大小，那么定子繞組產生的合成直流磁場的位置（可以近似認為是圖中合成電流i_s的位置）也是不同的。兩個直流磁場就如同兩塊磁鐵，它們之間可以產生相互作用力。定子繞組由于固定在定子槽中不能運動，所以轉子磁鐵受到作用力后就會旋轉。

當兩塊磁鐵的相對位置發生變化時，它們之間的作用力將會隨之變化而不能夠保持恒定。如果希望它們之間的作用力保持恒定，那么就需要在轉子磁鐵旋轉時，在定子繞組中通入正弦交流電從而產生一個等效的旋轉磁鐵。

轉子磁鐵由于機械旋轉產生了機械旋轉磁場；定子繞組雖然靜止不動，但通入的正弦交流電流產生了電氣旋轉磁場，兩個磁場是可以保持相對靜止的。此時，旋轉磁場的轉速為

式中 n——轉子的轉速（r/min）；

n₁——旋轉磁場的轉速（r/min）；

f——三相正弦交流電的頻率（Hz）；

n_p——電機的磁極對數。

2.4.2 定子繞組與凸極轉子的作用力

圖2-17 定子磁場與轉子磁鐵作用示意圖

PMSM轉子凸極的存在使電動機的磁場復雜化，為了便于說明，在圖2-18中，假定凸極轉子鐵心的磁場分布在兩個軸線上——d軸與q軸，定子繞組也被替換成一個d軸繞組（圖中的D₁與D₂兩個端子，圖中電流方向為正方向）和一個q軸繞組（圖中的Q₁與Q₂兩個端子，圖中電流方向為正方向）。當定子繞組的d軸電流i_d與q軸電流i_q分別在d軸、q軸的磁路中勵磁，將會分別產生d軸的磁通Ф_d與q軸的磁通Ф_q。定子繞組與凸極轉子之間的作用力是相互的，可以通過分析定子繞組的受力來計算轉子的受力。

定子繞組d軸電流i_d與q軸磁路中的磁通Ф_q產生作用力f₁，定子繞組q軸電流i_q與d軸磁路中的磁通Ф_d產生作用力f₂，如下式所示：

圖2-18 定子磁場與凸極轉子的作用示意圖

凸極轉子的受力與定子繞組的受力相反，在圖2-18中，按照轉子逆時針方向旋轉為正方向，轉子受到的電磁轉矩可以簡單地描述為式2-5。

T_e=R×（f₂-f₁）=K×（L_d-L_q）×i_di_q （2-5）

由于d軸磁路的磁導小于q軸磁路的磁導，所以L_d＜L_q。當i_q＞0時，如果希望有正向的電磁轉矩產生，那么必須有i_d＜0。即是說圖2-18中第二象限內的定子繞組合成電流可以牽引凸極轉子逆時針旋轉，第一象限內的定子繞組合成電流則不能夠實現這一點。

上面分析的結果也可以說明，只要定子繞組d軸、q軸電流不變，那么轉矩也是恒定的。

實際上，電動機三相定子繞組的對稱正弦波電流產生的總電流可以用電流矢量來描述，此時的電流矢量是一個幅值恒定、勻速旋轉的矢量，該電流矢量的旋轉速度等于正弦電流的電角速度，當該速度與轉子電角速度相等時，電動機轉子受到的作用力保持恒定——這通常是我們希望的，電動機調速系統通常需要恒定的轉矩對機械系統進行加速或制動。電流矢量的旋轉速度通常稱為同步速度，電動機穩定運行時的轉速也是該速度，這是我們稱這種電動機為“同步”電動機的原因。

2.4.3 電動機的基本控制模式

根據電動機的基本運行原理，可以考慮兩種方式來控制電動機，使其產生恒定的電磁轉矩。一種情況是在不知道電動機轉子位置的情況下，給定子繞組通入旋轉的電流矢量，利用該電流與轉子的相互作用力驅動電動機旋轉，條件合適的話，電動機轉子可以與電流矢量保持同步旋轉，這種情況下稱電動機處于他控模式。另一種情況是首先需要知道電動機的轉子位置，然后根據該信息控制定子繞組的通電方式和各相繞組的電流值，從而保持定子電流矢量與轉子的同步，這種情況下稱電動機處于自控模式。

電動機處于他控模式下，有可能會出現定子電流矢量與轉子位置關系非常不協調，此時不能產生合適的電磁轉矩驅動轉子同步旋轉，那么電動機就不能進入穩定運行的狀態。另外，當電動機穩定運行時，如果轉子受到某種擾動而使其位置發生變化，那么電動機的電磁轉矩就會直接受到影響。如果電動機轉矩不能及時驅動轉子進入同步狀態，那么電動機將可能會發生失步，不再穩定運行。相比之下，自控模式下的電動機電流矢量可以根據轉子位置進行實時控制，所以電動機的工作穩定性可以大大提高。