Когда трехфазный ток течет в трехфазные симметричные обмотки статора синхронного двигателя с постоянными магнитами, магнитодвижущая сила, создаваемая током, объединяется, образуя вращающуюся магнитодвижущую силу с постоянной амплитудой. Поскольку ее амплитуда остается постоянной, траектория этой вращающейся магнитодвижущей силы образует круг, называемый круговой вращающейся магнитодвижущей силой. Ее величина ровно в 1,5 раза превышает максимальную амплитуду однофазной магнитодвижущей силы.
Где F – круговая вращающаяся магнитодвижущая сила (Т·м); Fφl — максимальная амплитуда однофазной магнитодвижущей силы (Т·м); k – коэффициент основной обмотки; p – количество пар полюсов двигателя; N – количество витков последовательно в каждой катушке; I — действующее значение тока, протекающего через катушку. Поскольку скорость вращения синхронного двигателя с постоянными магнитами всегда является синхронной скоростью, основное магнитное поле ротора и вращающееся магнитное поле, создаваемое круговой вращающейся магнитодвижущей силой статора, остаются относительно стационарными. Два магнитных поля взаимодействуют, образуя составное магнитное поле в воздушном зазоре между статором и ротором. Это составное магнитное поле взаимодействует с основным магнитным полем ротора, создавая электромагнитный крутящий момент Te, который либо приводит в движение, либо препятствует вращению двигателя.
Где Te – электромагнитный момент (Н·м); BR – основное магнитное поле ротора (Тл); Bnet — составное магнитное поле в воздушном зазоре (Т). Благодаря разным позиционным соотношениям между составным магнитным полем в воздушном зазоре и основным магнитным полем ротора синхронный двигатель с постоянными магнитами (СДПМ) может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Три рабочих состояния PMSM показаны на рисунке 3. Когда составное магнитное поле в воздушном зазоре отстает от основного магнитного поля ротора, генерируемый электромагнитный крутящий момент противоположен направлению вращения ротора; в этом состоянии двигатель вырабатывает электроэнергию. И наоборот, когда составное магнитное поле в воздушном зазоре опережает основное магнитное поле ротора, генерируемый электромагнитный крутящий момент находится в том же направлении, что и вращение ротора; в этом состоянии двигатель работает как генератор. Угол между основным магнитным полем ротора и составным магнитным полем в воздушном зазоре называется энергетическим углом.
СДСМ состоит из двух ключевых компонентов: мульти-ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками соответствующей конструкции. Во время работы вращающийся многополярный ротор с постоянными магнитами генерирует изменяющийся во времени-магнитный поток в воздушном зазоре между ротором и статором. Этот поток генерирует переменное напряжение на клеммах обмотки статора, образуя тем самым основу для выработки электроэнергии. В обсуждаемом здесь синхронном двигателе с постоянными магнитами используется постоянный магнит в форме кольца-, установленный на ферромагнитном сердечнике. Синхронные двигатели с внутренними постоянными магнитами здесь не рассматриваются. Поскольку встроить магнит в ферромагнитный сердечник с гальваническим покрытием очень сложно, используя магниты соответствующей толщины (500 мкм) и высокоэффективные магнитные материалы в сердечниках ротора и статора, воздушный зазор можно сделать очень большим (300–500 мкм) без значительной потери производительности. Это позволяет обмоткам статора занимать определенное пространство в воздушном зазоре, что значительно упрощает изготовление синхронных двигателей с постоянными магнитами.