永磁同步電機零位計算及試驗驗證

張帥

摘要：永磁同步電機以其結構簡單、功率密度大、效率高而被廣泛應用于現代電驅牽引系統中。為了實現對其閉環精準控制，在其控制系統中安裝了旋轉變壓器。本文提出一種有效、簡便的同步電機零點位置計算方法，并通過實際研發樣機進行試驗驗證，論證該方法的可行性和可靠性，為確定永磁同步電機零點位置及設計旋變安裝結構和旋變調零提供了理論依據和實踐指導。

關鍵詞：永磁同步電機;旋轉變壓器;調零計算;旋變安裝設計

0 ?引言

永磁同步電機因其功率密度大、效率高、結構簡單而被廣泛應用于現代驅動系統中，為了實現對其進行閉環控制，在其控制系統中安裝了監控轉子位置和轉速的旋轉變壓器，而每一臺電機出廠前必須對其進行調零。為此劉紅偉等人研究了電機初始零位誤差對電機速度環的影響，強調了電機初始零位的重要性[1]。馬愛國等人研究了電機的零位對電動汽車能耗的影響，旨在提升電動汽車行駛里程[2]。朱維杰等人重點研究了小型異步電機零點標定方法[3]。魯浩等人開展了基于電機零位的啟動測量研究，將電機零點逐步深入應用[4]。隨之張靜波等人先后設計了伺服電機零位調試儀和光電編碼零位調試儀實現電機調零[5][6]。對于電機零點準確性要求越來越高，胡任之等人開展了同步電機零點位置偏差估計的研究[7]，李智明設計了伺服電機零位校準系統[8]。在實際使用過程中存在問題，因旋變零位位置計算不準確導致安裝好旋變之后無法調零，需要重新對定子進行嵌線，成本較大。目前計算電機零點位置的方法較多，但是都比較繁瑣同時存在較大的誤差，為此本文提出一種便捷有效的旋變調零方法，并通過實際研發樣機對其進行了驗證，論證該方法的可行性和可靠性，為永磁同步電機旋變調零提供了理論依據和實踐指導。

1 ?電機結構設計

1.1 電機定轉子和旋變定轉子之間的位置關系

電機定子是由機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座的相對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到零。永磁同步電機轉子主要由轉子鐵芯、永磁體和轉軸組成，永磁體內嵌在鐵芯的永磁體槽內，鐵芯通過內凸鍵與轉軸上的鍵槽配合固定。根據電磁方案設計轉子鐵芯內凸鍵對應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。旋變轉子通過內凸鍵與轉軸非轉矩輸出端上的鍵槽配合固定，轉子上外側N級與旋變轉子凸極對齊。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機座或是某一個端蓋上，腰形槽的設計主要是為了讓旋變定子在圓周上可以旋轉一定角度，實現旋變調零，磁阻式旋轉變壓器定轉子如圖2所示。

1.2 電機零點

電機零點指的是電機控制系統中對電機初始位置的一個識別點，作為監控電機轉速和位置的量。我們可以通過給電機通直流電方式測試電機零位，然后通過調節旋變定子將此時的旋變也調至零位，完成電機零位標定。本文重點研究，V相接正極，U接負極測試電機的零位方法。一般p對極電機有p個零位。

1.3 旋變零點

旋轉變壓器實質上是一臺磁阻式電機，p對極的旋變在其定轉子相對運動一周中出現p次特征信號，把特征信號解析出的零點對應的旋變定轉子位置定義為旋變的零點。旋變廠商一般會把旋變的轉子的凸極與旋變定子出線端中軸線對齊規定為旋變的零點，如圖2所示。此時旋變電角度為0°，旋變轉子機械正方向旋轉一周，電角度由0°～360°變化p次。

2 ?電機零點計算

電機零點的影響因素主要有定子的嵌線原理、電機直流電通電方式及定子鐵芯相對機座的位置關系。嵌線原理決定了線圈通電后的磁場分布，電機直流通電方式決定了調節零點時的定子磁場分布，定子鐵芯相對于機座的位置決定了旋變定子安裝及出現位置，決定了旋變是否可以順利調零。

本文采取右手螺旋定則判斷電機通直流電后電機定子所產生的穩定磁場分布，在定子磁場作用下，轉子會發生一定角度的轉動，最終靜止在某個位置上，此時定子所產生的磁場和轉子永磁體分布磁場相匹配，即定子分布的S極和轉子分布的N極相互吸引。安裝在轉子轉軸上的旋變轉子也隨之靜止下來，此時調節旋變定子使旋變顯示為零位。以下以某型號電機為例計算其零位。

電機U接負V接正，當轉子與定子磁場相互作用停止時，轉子N極所對應的位置就是電機的零點。

磁場疊加分析，根據右手螺旋定則分別判斷通電后U相線圈的磁場分布，如圖3a所示，V相線圈的磁場分布，如圖3b所示，最終合成磁場零點及其在帶繞組定子鐵芯上的分布如圖4所示。

3 ?電機旋變安裝結構設計

旋變轉子外凸部分和其N極方向相對應，定子引出線位置需要正對在轉子外凸部分，所以在機座或是端蓋上固定旋變定子的結構需要參考此位置確定。以3中例子，當V+U-時電機出現4個零點如圖4所示，可通過調節旋變定子出線位置定在4個零點位置處，此時旋變可以調為零點。圖4即按照此方法設計旋變定子安裝結構及出線位置，并作了驗證。

4 ?試驗驗證

4.1 電機零點位置理論計算

某款永磁同步電機采用48槽，4路并聯，12組線圈，每組4個線圈，其嵌線原理圖U相如圖5所示，VW兩項同理U相順時針旋轉嵌線。該兩種嵌線原理圖都采用雙層嵌線，都是4對級電機，故有4個電機零點。

對于該電機分別采取不同的通直流電方案進行電機零點計算，根據上文計算方法確定電機零點，如表1所示。

4.2 試驗驗證

對該型號永磁同步電機按照上述方法進行計算并設計旋變安裝結構做出樣機，進行旋變調零試驗驗證，如圖6所示。

該旋變型號為J74XU9734A-L4，其旋變圖紙及旋變零點位置如圖4所示，屬于正常旋變零點位置。轉子結構如圖1所示。旋變出線中線與水平夾角41°（內側）。

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°。結合帶繞組定子鐵芯其電機零點在整機上分布如圖7所示。

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

V+W-：28號槽計算零點，顯示0°或是360°（目前該電機是按照此方式旋變調零）;

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

試驗過程中電機旋變角度記錄如表2 所示。

以上計算結果都是旋變定子出線在引出線孔中心位置時計算設備檢測顯示的旋變角度絕對值，通過離旋變出線位置最近的一個電機零點計算的。

5 ?結論

本文通過介紹永磁同步電機零點和旋變零點，提出一種通過直流通電方式尋找電機零點的方法，給出旋變安裝結構設計的指導意見，同時通過某款電機實際驗證了電機零點和旋變調零過程的可行性和可靠性。

參考文獻：

[1]劉紅偉，范永坤，等.初始零位誤差對永磁同步電機速度環的影響[J].微電機，2014，3.

[2]馬愛國，周秉福，趙梓君，張鑫.電機零位對電動汽車能耗影響研究[J].客車技術與研究，2019，10.

[3]朱維杰.儀表用小型步進電機零位標定方法[J].電機技術，2009，8.

[4]魯浩，孫建忠，婁偉，吳慎華.基于旋轉變壓器零位檢測的SRM起動策略研究[J].微電機，2014，3.

[5]張靜波，艾武.伺服電機編碼器零點調試儀的設計[J].微電機，2012，3.

[6]張靜波.光電編碼器相位零點調試儀設計與實現[D].武漢：華中科技大學，2012，1.

[7]胡任之，徐永向，王寶超，鄒繼斌.永磁同步電動機位置傳感器零位偏差估計方法[J].微電機，2009，42.

[8]李智明.私服電機絕對式編碼器零位校準系統的設計與實現[D].武漢：華中科技大學，2018，5.