小S初次接觸永磁電機，和女士參說起他的一些疑惑：無刷直流永磁電機的電子換向問題太讓人費解了，什么“一相導(dǎo)通三相三狀態(tài)”、“二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)”及“二相、三相導(dǎo)通三相十二狀態(tài)”等等，似乎怎么折騰怎么算，盡管都是為了換向目的，方法卻五花八門，好眼暈!

女士參給他講，無刷直流永磁電機關(guān)鍵的技術(shù)就是換向問題，若照搬機械換向模式，太過復(fù)雜(一換向片相當(dāng)于一相，大電機幾百個換相片都不算為過)以致無法實現(xiàn)，故而演變出許多種具有實際應(yīng)用價值的換向方案，機理相同、接近于機械換向效果的水平有所差異，應(yīng)權(quán)衡利弊、合理選擇。

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無刷直流永磁電機的電樞繞組

無刷直流永磁電機電子換向的方法與電樞繞組的連接方式緊密關(guān)聯(lián)，不同連接方式的電樞繞組與不同電子換向電路的組合是多種多樣的。

● 星形連接繞組

星形連接繞組是把所有相繞組線圈的首端或尾端連接在一起，與之相配合的電子換向電路可以是橋式線路，也可以是非橋式電路。圖1、圖2為星形繞組與橋式線路的組合，圖3、圖4為星形繞組與非橋式電路的組合。

● 封閉式連接繞組

封閉式連接繞組是由各相繞組線圈組成封閉的形式，即把相繞組線圈的尾端與第二相繞組線圈的首端相連接，再把第二相繞組線圈的尾端與第三相繞組線圈的首端相連接，依次類推，直至后一相繞組線圈的尾端又與相繞組線圈的首端相連接。圖5為三相封閉式連接繞組與橋式線路的組合，圖6為四相封閉式連接繞組與橋式線路的組合。

電子換向簡介

換向又可稱之為“換流”。

在無刷直流永磁電機中，來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號，經(jīng)處理后按照一定的邏輯程序，驅(qū)使某些與電樞繞組相連接的功率開關(guān)晶體管在某一瞬間導(dǎo)通或截止，迫使某些原來沒有電流的電樞繞組內(nèi)開始流通電流，某些原來有電流的電樞繞組內(nèi)開始關(guān)斷電流或改變電流的流通方向，從而迫使定子磁狀態(tài)產(chǎn)生變化。這種利用電子電路來實現(xiàn)電樞繞組內(nèi)電流變化的物理過程即所謂“電子換向”或“換流”。“換向”或“換流”一次，定子磁狀態(tài)就改變一次;連續(xù)不斷地“換流”，于是在工作氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場。

“電子換向”或“換流”是無刷直流永磁電機的關(guān)鍵技術(shù)之一，只有正確地進(jìn)行“換流”，才能保證無刷直流永磁電動機可靠地運行。

電子換向?qū)嵗?/p>

圖7是“三相星形非橋式”連接的電子換向電路的原理圖。

圖7

圖中左邊是電磁式轉(zhuǎn)子位置傳感器的示意圖。固定部分由高頻鐵氧體磁芯和六個線圈組成，其中三個線圈串聯(lián)作為原邊激磁線圈，另外三個線圈XU、XV和XW作為副邊輸出線圈，分別與U相、V相和W相三個電樞繞組相對應(yīng)。轉(zhuǎn)子位置傳感器的旋轉(zhuǎn)部分由略大于120o電角度的扇形高頻鐵氧體磁芯(圖中涂黑部分)和非導(dǎo)磁體(圖中未涂黑部分)所組成的一個圓環(huán)，與電動機同軸安裝。

電子換向過程

圖7中轉(zhuǎn)子位置傳感器的原邊激磁線圈通以幾百千赫的高頻激磁電流的情況下，電子換向過程是這樣的：

● 當(dāng)旋轉(zhuǎn)部分的高頻鐵氧體磁芯(圖中涂黑部分)扇形片使副邊輸出線圈XU與原邊激磁線圈耦合時，副邊輸出線圈XU就有輸出信號;而其他兩個副邊輸出線圈XV和XW沒有與原邊激磁線圈耦合，所以沒有輸出信號。這時利用副邊輸出線圈XU的輸出信號經(jīng)整流處理后去觸發(fā)與U相電樞繞組相連接的功率開關(guān)晶體管BG1,并使之導(dǎo)通，功率開關(guān)晶體管BG2和BG3因沒有觸發(fā)信號而保持截止?fàn)顟B(tài)，電源給U相電樞繞組供電。

圖7

● 當(dāng)轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子扇形片轉(zhuǎn)過120o電角度時，扇形片使副邊輸出線圈Xv與原邊激磁線圈耦合，副邊輸出線圈XV就有輸出信號，而其他兩個副邊輸出線圈XU和XW沒有與原邊激磁線圈耦合，所以沒有輸出信號。這時，利用副邊輸出線圈XV的輸出信號經(jīng)整流處理后去觸發(fā)與V相電樞繞組相連接的功率開關(guān)晶體管BG2, 功率開關(guān)晶體管BG2由截止變成導(dǎo)通，而功率開關(guān)晶體管BG1由導(dǎo)通變成截止，電源給V相電樞繞組供電。

圖7

● 當(dāng)轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子扇形片再轉(zhuǎn)過120o電角度時，扇形片使副邊輸出線圈XW與原邊激磁線圈耦合，副邊輸出線圈XW就有輸出信號，而其他兩個副邊輸出線圈XU和XV沒有與原邊激磁線圈耦合，所以沒有輸出信號。這時，利用副邊輸出線圈XW的輸出信號經(jīng)整流處理后去觸發(fā)與W相電樞繞組相連接的功率開關(guān)晶體管BG3, 功率開關(guān)晶體管BG3由截止變成導(dǎo)通，而功率開關(guān)晶體管BG2由導(dǎo)通變成截止，電源給W相電樞繞組供電。這樣，隨著轉(zhuǎn)子位置傳感器旋轉(zhuǎn)部分的扇形高頻鐵氧體磁芯的轉(zhuǎn)動，電樞繞組便被一相一相地依次饋電，從而實現(xiàn)了電樞繞組各相之間的“電子換向”或“換流”。

圖7

電樞電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場及磁狀態(tài)

在換向或“換流”過程中，三相電樞電流在工作氣隙內(nèi)會形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，這種旋轉(zhuǎn)磁場在360o電角度范圍內(nèi)有三個磁狀態(tài)，每個磁狀態(tài)持續(xù)120o電角度，故稱之為“一相導(dǎo)通星形三相三狀態(tài)”。圖8示意此情況下，永磁體磁場和電樞磁場之間的相互關(guān)系。

圖8(a)為磁狀態(tài)，F(xiàn)a為電樞繞組被饋電后所產(chǎn)生的磁勢。顯然，電樞磁場與永磁體磁場的相互作用迫使電動機轉(zhuǎn)子沿著順時針方向旋轉(zhuǎn);當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過120o電角度后，便進(jìn)入第二磁狀態(tài)，如圖8(b)所示，電動機轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿著順時針方向旋轉(zhuǎn);當(dāng)轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過120o電角度后，便進(jìn)入第三磁狀態(tài)，如圖8(c)所示，電動機轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿著順時針方向旋轉(zhuǎn);當(dāng)轉(zhuǎn)子再沿著順時針方向轉(zhuǎn)過120o電角度后，電動機便回到起始狀態(tài)，這樣周而復(fù)始，電動機便連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。

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