永磁同步電機(jī)零位計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證

張帥

摘要：永磁同步電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度大、效率高而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電驅(qū)牽引系統(tǒng)中。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)其閉環(huán)精準(zhǔn)控制，在其控制系統(tǒng)中安裝了旋轉(zhuǎn)變壓器。本文提出一種有效、簡(jiǎn)便的同步電機(jī)零點(diǎn)位置計(jì)算方法，并通過實(shí)際研發(fā)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，論證該方法的可行性和可靠性，為確定永磁同步電機(jī)零點(diǎn)位置及設(shè)計(jì)旋變安裝結(jié)構(gòu)和旋變調(diào)零提供了理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī);旋轉(zhuǎn)變壓器;調(diào)零計(jì)算;旋變安裝設(shè)計(jì)

0 ?引言

永磁同步電機(jī)因其功率密度大、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制，在其控制系統(tǒng)中安裝了監(jiān)控轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)變壓器，而每一臺(tái)電機(jī)出廠前必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)零。為此劉紅偉等人研究了電機(jī)初始零位誤差對(duì)電機(jī)速度環(huán)的影響，強(qiáng)調(diào)了電機(jī)初始零位的重要性[1]。馬愛國(guó)等人研究了電機(jī)的零位對(duì)電動(dòng)汽車能耗的影響，旨在提升電動(dòng)汽車行駛里程[2]。朱維杰等人重點(diǎn)研究了小型異步電機(jī)零點(diǎn)標(biāo)定方法[3]。魯浩等人開展了基于電機(jī)零位的啟動(dòng)測(cè)量研究，將電機(jī)零點(diǎn)逐步深入應(yīng)用[4]。隨之張靜波等人先后設(shè)計(jì)了伺服電機(jī)零位調(diào)試儀和光電編碼零位調(diào)試儀實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)零[5][6]。對(duì)于電機(jī)零點(diǎn)準(zhǔn)確性要求越來越高，胡任之等人開展了同步電機(jī)零點(diǎn)位置偏差估計(jì)的研究[7]，李智明設(shè)計(jì)了伺服電機(jī)零位校準(zhǔn)系統(tǒng)[8]。在實(shí)際使用過程中存在問題，因旋變零位位置計(jì)算不準(zhǔn)確導(dǎo)致安裝好旋變之后無法調(diào)零，需要重新對(duì)定子進(jìn)行嵌線，成本較大。目前計(jì)算電機(jī)零點(diǎn)位置的方法較多，但是都比較繁瑣同時(shí)存在較大的誤差，為此本文提出一種便捷有效的旋變調(diào)零方法，并通過實(shí)際研發(fā)樣機(jī)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，論證該方法的可行性和可靠性，為永磁同步電機(jī)旋變調(diào)零提供了理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 ?電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)定轉(zhuǎn)子和旋變定轉(zhuǎn)子之間的位置關(guān)系

電機(jī)定子是由機(jī)座和帶繞組定子鐵芯組成的，二者通過鍵連接。帶繞組定子鐵芯和機(jī)座的相對(duì)位置決定了旋變定子的安裝及出線位置，間接決定了旋變是否可以調(diào)到零。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體和轉(zhuǎn)軸組成，永磁體內(nèi)嵌在鐵芯的永磁體槽內(nèi)，鐵芯通過內(nèi)凸鍵與轉(zhuǎn)軸上的鍵槽配合固定。根據(jù)電磁方案設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)凸鍵對(duì)應(yīng)的永磁體分布極性為N極沿著徑向方向向外輻射。如圖1所示。旋變轉(zhuǎn)子通過內(nèi)凸鍵與轉(zhuǎn)軸非轉(zhuǎn)矩輸出端上的鍵槽配合固定，轉(zhuǎn)子上外側(cè)N級(jí)與旋變轉(zhuǎn)子凸極對(duì)齊。固定旋變定子的螺釘穿過旋變定子上的腰形槽，將其壓緊固定安裝在電機(jī)機(jī)座或是某一個(gè)端蓋上，腰形槽的設(shè)計(jì)主要是為了讓旋變定子在圓周上可以旋轉(zhuǎn)一定角度，實(shí)現(xiàn)旋變調(diào)零，磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器定轉(zhuǎn)子如圖2所示。

1.2 電機(jī)零點(diǎn)

電機(jī)零點(diǎn)指的是電機(jī)控制系統(tǒng)中對(duì)電機(jī)初始位置的一個(gè)識(shí)別點(diǎn)，作為監(jiān)控電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的量。我們可以通過給電機(jī)通直流電方式測(cè)試電機(jī)零位，然后通過調(diào)節(jié)旋變定子將此時(shí)的旋變也調(diào)至零位，完成電機(jī)零位標(biāo)定。本文重點(diǎn)研究，V相接正極，U接負(fù)極測(cè)試電機(jī)的零位方法。一般p對(duì)極電機(jī)有p個(gè)零位。

1.3 旋變零點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)磁阻式電機(jī)，p對(duì)極的旋變?cè)谄涠ㄞD(zhuǎn)子相對(duì)運(yùn)動(dòng)一周中出現(xiàn)p次特征信號(hào)，把特征信號(hào)解析出的零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的旋變定轉(zhuǎn)子位置定義為旋變的零點(diǎn)。旋變廠商一般會(huì)把旋變的轉(zhuǎn)子的凸極與旋變定子出線端中軸線對(duì)齊規(guī)定為旋變的零點(diǎn)，如圖2所示。此時(shí)旋變電角度為0°，旋變轉(zhuǎn)子機(jī)械正方向旋轉(zhuǎn)一周，電角度由0°～360°變化p次。

2 ?電機(jī)零點(diǎn)計(jì)算

電機(jī)零點(diǎn)的影響因素主要有定子的嵌線原理、電機(jī)直流電通電方式及定子鐵芯相對(duì)機(jī)座的位置關(guān)系。嵌線原理決定了線圈通電后的磁場(chǎng)分布，電機(jī)直流通電方式?jīng)Q定了調(diào)節(jié)零點(diǎn)時(shí)的定子磁場(chǎng)分布，定子鐵芯相對(duì)于機(jī)座的位置決定了旋變定子安裝及出現(xiàn)位置，決定了旋變是否可以順利調(diào)零。

本文采取右手螺旋定則判斷電機(jī)通直流電后電機(jī)定子所產(chǎn)生的穩(wěn)定磁場(chǎng)分布，在定子磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子會(huì)發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終靜止在某個(gè)位置上，此時(shí)定子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永磁體分布磁場(chǎng)相匹配，即定子分布的S極和轉(zhuǎn)子分布的N極相互吸引。安裝在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上的旋變轉(zhuǎn)子也隨之靜止下來，此時(shí)調(diào)節(jié)旋變定子使旋變顯示為零位。以下以某型號(hào)電機(jī)為例計(jì)算其零位。

電機(jī)U接負(fù)V接正，當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)相互作用停止時(shí)，轉(zhuǎn)子N極所對(duì)應(yīng)的位置就是電機(jī)的零點(diǎn)。

磁場(chǎng)疊加分析，根據(jù)右手螺旋定則分別判斷通電后U相線圈的磁場(chǎng)分布，如圖3a所示，V相線圈的磁場(chǎng)分布，如圖3b所示，最終合成磁場(chǎng)零點(diǎn)及其在帶繞組定子鐵芯上的分布如圖4所示。

3 ?電機(jī)旋變安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋變轉(zhuǎn)子外凸部分和其N極方向相對(duì)應(yīng)，定子引出線位置需要正對(duì)在轉(zhuǎn)子外凸部分，所以在機(jī)座或是端蓋上固定旋變定子的結(jié)構(gòu)需要參考此位置確定。以3中例子，當(dāng)V+U-時(shí)電機(jī)出現(xiàn)4個(gè)零點(diǎn)如圖4所示，可通過調(diào)節(jié)旋變定子出線位置定在4個(gè)零點(diǎn)位置處，此時(shí)旋變可以調(diào)為零點(diǎn)。圖4即按照此方法設(shè)計(jì)旋變定子安裝結(jié)構(gòu)及出線位置，并作了驗(yàn)證。

4 ?試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 電機(jī)零點(diǎn)位置理論計(jì)算

某款永磁同步電機(jī)采用48槽，4路并聯(lián)，12組線圈，每組4個(gè)線圈，其嵌線原理圖U相如圖5所示，VW兩項(xiàng)同理U相順時(shí)針旋轉(zhuǎn)嵌線。該兩種嵌線原理圖都采用雙層嵌線，都是4對(duì)級(jí)電機(jī)，故有4個(gè)電機(jī)零點(diǎn)。

對(duì)于該電機(jī)分別采取不同的通直流電方案進(jìn)行電機(jī)零點(diǎn)計(jì)算，根據(jù)上文計(jì)算方法確定電機(jī)零點(diǎn)，如表1所示。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)該型號(hào)永磁同步電機(jī)按照上述方法進(jìn)行計(jì)算并設(shè)計(jì)旋變安裝結(jié)構(gòu)做出樣機(jī)，進(jìn)行旋變調(diào)零試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖6所示。

該旋變型號(hào)為J74XU9734A-L4，其旋變圖紙及旋變零點(diǎn)位置如圖4所示，屬于正常旋變零點(diǎn)位置。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示。旋變出線中線與水平夾角41°（內(nèi)側(cè)）。

從后端蓋可以看出旋變出線口的方位為非軸伸端看去第一象限與水平夾角41°。結(jié)合帶繞組定子鐵芯其電機(jī)零點(diǎn)在整機(jī)上分布如圖7所示。

U+V-：24號(hào)槽計(jì)算零點(diǎn)，360/48*（28-24）=30°，電角度30*4=120°顯示120°或是240°;

V+W-：28號(hào)槽計(jì)算零點(diǎn)，顯示0°或是360°（目前該電機(jī)是按照此方式旋變調(diào)零）;

U-V+：30號(hào)槽計(jì)算零點(diǎn)，360/48*（30-28）=15°，電角度15*4=60°，顯示60°或是300°。

試驗(yàn)過程中電機(jī)旋變角度記錄如表2 所示。

以上計(jì)算結(jié)果都是旋變定子出線在引出線孔中心位置時(shí)計(jì)算設(shè)備檢測(cè)顯示的旋變角度絕對(duì)值，通過離旋變出線位置最近的一個(gè)電機(jī)零點(diǎn)計(jì)算的。

5 ?結(jié)論

本文通過介紹永磁同步電機(jī)零點(diǎn)和旋變零點(diǎn)，提出一種通過直流通電方式尋找電機(jī)零點(diǎn)的方法，給出旋變安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意見，同時(shí)通過某款電機(jī)實(shí)際驗(yàn)證了電機(jī)零點(diǎn)和旋變調(diào)零過程的可行性和可靠性。

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