永磁電機齒槽轉矩對旋變初始位置影響的研究

劉 軻

(廣東新高電驅(qū)動系統(tǒng)技術有限公司， 廣東 佛山 528518)

0 引 言

永磁同步電機具有功率密度大、高效率區(qū)間廣、運行可靠等優(yōu)點，近年來得到廣泛應用。永磁同步電機通常采用矢量控制策略，通過旋變(旋轉變壓器)定位轉子位置；為了保證電機性能的一致性，要求每一臺電機的旋變的初始位置一致，并且一臺電機只有一個旋變初始位置。而電機的齒槽轉矩過大，會引起旋變初始位置有偏差。

1 磁阻式旋轉變壓器

磁阻式旋變依據(jù)電磁感應原理，通過轉子凸極效應產(chǎn)生具有正弦特征的氣隙磁導變化，使輸出繞組的感應電壓隨機械轉角作相應正弦或余弦變化。定子里面有1組勵磁繞組和2組輸出繞組(如圖1)；根據(jù)檢測轉子和定子的氣隙磁導變化，以sin和cos式波形的變化來輸出2組電壓，如圖2所示。

圖1 定子繞組示意圖

圖2 氣隙磁導變化的電壓波形圖

由于磁阻式旋轉變壓器具有結構牢固，抗振動沖擊，耐油污、粉塵，抗電磁干擾能力強等優(yōu)點，廣泛應用于新能源汽車、軌道交通、礦山機械等領域。本論文案例中所用的旋轉變壓器就是磁阻式旋轉變壓器，使用在新能源汽車驅(qū)動電機上。

2 標定旋變初始位置的方法

永磁同步電機通常采用轉子磁場定向矢量控制策略，這種控制策略需要使用傳感器檢測轉子的絕對位置，對于精度要求較高的場合，一般采用旋變作為位置傳感器。

旋變初始位置標定的方法有三種：第一種，直接采用固定方向的定子電壓矢量進行定位，將轉子位置定位在與其方向一致的位置上，然后讀出轉子位置就是初始角。第二種，采用電流閉環(huán)的定位方式，定位時假定轉子電角度位置為-90，給定為id=0，iq為初始定位電流大小(取0.5-1倍額定電流)，定位后讀出的轉子位置就是初始角；由于存在轉子摩擦和齒槽轉矩，為了減少誤差，將電機順時針和逆時針兩個方向定位到零位置時，讀取轉子位置值求平均值后，作為轉子的位置初始角[1]；第三種，反電勢過零法：通過拖動電機被動轉動，測量電機繞組反電勢電壓以及旋變解碼數(shù)據(jù)高位信號的零位偏差直接測量方法，該方法只需要測量兩個時間量即可計算得到位置傳感器零位偏差[2]。

3 齒槽轉矩對于標定旋變初始位置的影響

3.1 齒槽轉矩產(chǎn)生機理

永磁電機中的永磁體與對面的齒槽結構存在相互作用的切向力，這種作用力試圖使電機的永磁磁極中心線與齒槽中心線保持對齊。這個作用力產(chǎn)生的轉矩就是齒槽轉矩。

3.2 旋變初始位置的一致性

在一些應用場合，永磁同步電機不能在線標定旋變初始位置，需要預先將每臺電機的旋變初始位置標定，保證每一臺電機的旋變初始位置一樣。

旋變的初始位置與電機轉子磁極和定子磁極的位置有關。磁阻式旋變，通常把旋變轉子固定在電機轉軸上，隨電機轉子轉動，通過鍵槽定位徑向位置；旋變定子通過螺絲固定在電機后端蓋上，旋變定子可以在一定角度內(nèi)轉動，用螺絲固定，如圖3所示。

圖3 旋變定子結構圖

電機轉子，在安裝磁鋼和轉軸時，要保證磁鋼的N-S極性相對于旋變轉子固定鍵槽一致。電機定子，定子鐵芯上有標記槽，每臺定子從標記槽開始嵌線，保證定子磁極位置一致。定子裝入機殼，機殼上設計定位特征或者通過工裝，保證每臺定子裝入機殼后，圓周位置基本一致。通過以上措施，每臺電機磁場的位置大體一致，然后安裝旋變的轉子和定子，轉動旋變定子，精確調(diào)整旋變的初始位置，可以保證初始位置的一致性差異在±0.3°(電角度)的范圍以內(nèi)。

3.3 齒槽轉矩過大造成旋變初始位置偏差

本論文案例中，旋變的極對數(shù)與電機的極對數(shù)相同，為四對極。旋變初始位置的標定方法采用電流閉環(huán)的定位方式：電機定子通直流電，電流從A相流入，由 B、C相流出，電流大小為2/3倍額定電流 ；此時電動機轉子自動轉到垂直于A相繞組軸線的地方[3]；用角度顯示儀測試初始位置的電角度，轉動旋變定子，使初始位置的電角度固定在某個值，本案例采用180°；用螺絲鎖緊旋變定子。

然后斷開電源，順時針轉動電機轉子，重新通電，測試初始位置的電角度；同樣的方法，逆時針轉動電機轉子，測試初始位置的電角度。當齒槽轉矩過大時，順時針和逆時針測試的初始位置的電角度有偏差，本案例中順時針的初始位置約為180°電角度，逆時針約為190°電角度。測試結果如下圖4。

使用角度顯示儀標定旋變初始位置的電角度，保證旋變初始位置的一致性；再用電機控制器測試旋變初始位置的參數(shù)，軟件參數(shù)為0-4095的范圍，對應機械角度0～360°。

圖4 測試結果圖

分析旋變初始位置偏差的原因，電機定子通直流電，產(chǎn)生電磁轉矩；當齒槽轉矩過大甚至接近電磁轉矩時，就會削弱電磁轉矩的大小，干擾電機轉子磁極中心線對齊定子A相繞組的磁極中心線。通過軟件仿真，測試以上案例電機的齒槽轉矩約為±1.9 Nm，如圖5所示；測試初始位置的電磁轉矩約為4 Nm，如圖6所示。

圖5 測試電機的齒槽轉矩

圖6 測試初始位置的電磁轉矩

改進旋變初始位置偏差的措施，通過優(yōu)化極弧系數(shù)、定子斜槽、不均勻氣隙等方法降低齒槽轉矩；本案例通過優(yōu)化極弧系數(shù)，將齒槽轉矩降低到±0.32 Nm，如圖7所示。然后，采用電流閉環(huán)的定位方式標定旋變初始位置，順時針和逆時針轉動轉子，測試初始位置的電角度，均為180°電角度；即正反轉的旋變初始位置沒有偏差。

總結：齒槽轉矩為±1.9 Nm時，在標定旋變初始位置過程，齒槽轉矩對電磁轉矩產(chǎn)生較大干擾，順時針和逆時針轉動轉子，測試初始位置的電角度有10個電角度的差異。

圖7 優(yōu)化極槽弧系數(shù)降低齒槽轉矩

4 旋變初始位置偏差對電機性能影響

由于齒槽轉矩過大，在標定旋變初始位置時，順時針和逆時針定位的初始位置不同，出現(xiàn)兩個初始位置(零位)，取不同的旋變初始位置，電機的額定功率的效率有差異，如下表1所示。

表1 旋變不同初始位置對額定點效率的影響

齒槽轉矩過大，使順時針和逆時針定位的初始位置有兩個值，會影響電機的外特性曲線，造成外特性曲線的恒功率區(qū)，低轉速區(qū)功率偏高，高轉速區(qū)功率偏低。圖8中，順時針和逆時針的初始位置分別為180.3、190.1，取平均值185.0，測試的外特性曲線。圖9中，順時針和逆時針的初始位置相同，均為180度，測試的外特性曲線，恒功率區(qū)功率曲線水平。旋變初始位置偏差過大，還會造成電機的轉矩脈動變大，甚至高轉速失控。

圖8 初始位置不同時的外特征曲線

圖9 初始位置相同時的外特征曲線

5 結 語

本文分析旋轉變壓器的原理，旋轉變壓器應用在電機上初始位置的標定方法。通過軟件仿真和樣機試驗，研究電機齒槽轉矩對于標定旋變初始位置的影響。研究證明，在采用電流閉環(huán)的方式標定旋變初始位置時，齒槽轉矩過大會造成電機順時針和逆時針標定的初始位置不一致，出現(xiàn)兩個初始位置，兩個初始位置相差大約10°的電角度；兩個初始位置會影響電機的效率和外特性曲線。因此，在設計電機時，要盡量降低齒槽轉矩，保證在采用電流閉環(huán)的方式標定旋變初始位置時只有一個值。