基于電流磁效應的定子反嵌測量系統設計

黃偉群 李信合 朱潔樂 蔡國浩

廣東美創希科技有限公司 廣東佛山 528000

0 引言

電機作為電器的動力源之一，由定子與轉子構成。定子在繞組線圈嵌槽時，出現其中一個或多個槽的匝線圈嵌反了，該槽的電流方向與正常的工作方向相反，稱為反嵌。出現反嵌的定子跟正常的轉子組裝成電機時，反嵌的繞線中流過的電流方向相反，使電機的磁動勢不平衡，造成電機啟動困難，三相電流不平衡，電機可能發生噪聲、振動甚至燒毀[1]。現有的檢測方式主要是通過電機綜合性能自動測試系統[2]的功率因數，或者堵轉電流等可以檢測出來，從而判斷異常。但是當成品測試出異常后，重新拆解分析，需要消耗大量的人力物力，還有可能破壞原先設計的系統性能，如匝間絕緣性能、電氣絕緣性能。

對于電機的制造商，定子反嵌的檢測有兩層意義，一個是“能不能檢測出來”；另一個是“能不能準確地指出反嵌的位置”。

本系統利用電流磁效應原理[3]，設計了一套專門用于檢測定子反嵌的測量系統，通過給定子繞線組施加恒流源產生磁場，霍爾傳感器檢測磁場強度大小并通過霍爾信號判斷磁場方向，通過軟件算法計算出反嵌的不良定子，并指出對應的位置。系統采用芯片自動檢測的方法，在組裝成電機之前對定子測量，檢測出不良的定子。通過實驗研究證明，該檢測方案能夠有效且準確的指出反嵌的位置。

1 測量原理

根據奧斯特發現的電流磁效應原理，通電的導體周圍產生磁場，那么把導體纏繞成線圈的形狀后，周圍磁場會增強，此時線圈相當于一個條形磁鐵，產生的磁極用右手定則。

圖1為三相Y型接法，18槽的定子繞線方式，每個槽的繞線等同于一個線圈，給單個繞線組通恒流源時，同相的6個線圈產生6個相同指向的磁場，磁場方向由電流的方向決定，同時指向內圈，或者同時指定外面。

圖1 定子繞線方式

直流電產生的磁場強度的計算公式為：

式中：H為磁場強度，單位為A/m；N為勵磁線圈的匝數；I為勵磁電流（測量值），單位為A；Le為測試樣品的有效磁路長度，單位為m。

定子中，每一槽線圈的匝數N相同，勵磁電流I相同，磁路長度Le也相同，所以每一個槽產生的磁場強度也相同。但是，當定子繞線反嵌時，它的電流方向發生改變，磁場方向也發生改變。通過制作不同工裝，在定子的中心，或者定子的外圍，每個線圈的磁力方向放置一個霍爾傳感器，對定子的每一個繞組施加一個恒流源，通過霍爾傳感器的采樣電路采樣，然后通過MCU計算相對應的極性即可判斷出反嵌的定子并指出相應的位置。

2 系統總體設計

總體的設計框圖如圖2所示，其中：

圖2 系統整體方案設計框圖

MCU控制系統：MCU最小系統，包括系統需要的其他單元如存儲、DAC等，負責整個系統控制，用戶按鍵指令的接收，結果的判定，以及控制顯示等。

霍爾傳感器采樣小板：包括霍爾傳感器及其電平轉換電路，分體式的設計是為了兼容不同的定子槽極，方便做成定子的放置工裝，工裝用于定子的定位。

模擬開關：由于定子的槽極較多，而MCU的ADC采樣通道有限，通過用模擬開關切換ADC的采樣通道，達到擴充ADC的作用，使每一個槽極都有一個ADC采樣通道。

按鍵模塊：用戶指令輸入。

顯示模塊：顯示用戶的操作界面，以及結果的判斷。

壓控恒流源：用于給線圈施加電流，由于不同的產品線圈的圈數不同，產生的磁場強度不同，需要使用DAC或PWM控制恒流源電流的大小輸出，使用霍爾傳感器得到合適的信號。

繼電器板：用于把恒流源輸出切換至不同的繞組。

電源供電：AC-DC，用于給整個系統供電。

3 主要的硬件電路設計

本系統中的顯示模塊、控制算法、IO均需要占用較多的MCU資源，所以系統中采用STM32F407VET6[4]，ARM Cortex-M4內核，在定子測量系統中，主要負責的內容為：

（1）用戶的輸入（按鍵）以及輸出（顯示模塊）；

（2）用DAC控制壓控恒流源的輸出電流大小，以及使用繼電器把恒流源輸出至不同的繞組；

（3）霍爾傳感器的切換以及信號的采樣；

（4）系統的控制與算法。

3.1 壓控恒流源

根據直流電產生的磁場強度的計算公式：H=N×I/Le，不同的定子匝數N不一樣，H就不一樣，所以需要調節電流I，使用不同的定子，磁場強度可以被霍爾傳感器檢測。本系統中采用了精密程控恒流源的設計[5]，利用STM32內部自帶的12位DAC，輸出對應的電流。

3.2 霍爾傳感器采樣小板的設計

霍爾傳感器采用的是HONEYWELL的線性霍爾傳感器，其內部結構如圖3所示，轉換的性能如圖4所示，其中，橫坐標的單位是高斯，它與式（1）標準的磁場強度的轉換公式為：

圖3 霍爾傳感器內部結構

圖4 霍爾傳感器轉換性能

由于該傳感器的最大輸出電壓超過了模擬開關芯片的最大工作電壓5 V，傳感器小板的電平輸出要有降壓的電路設計，同時模擬開關芯片，以及ADC的輸入也要有必要的過壓保護電路。

4 軟件與算法設計

4.1 軟件的工作流程

流程的設計如圖5所示，軟件設計的主要注意事項如下：

圖5 軟件的工作流程圖

（1）定子中每次接通一組繞組，如測量原理中的定子，第一次同時接通的槽級為1-4-7-10-13-16，第二次為2-5-8-11-14-17，第三次為

3-6-9-12-15-18。

（2）霍爾傳感器每次以輪詢的方式讀取對應槽級的信號，如圖6所示，在恒流源接通穩定之后讀取，每個通道的讀取為：打開通道→延時→讀取第一個通道信號→關閉通道，順序跟接通的槽級對應。

（3）恒流源在未接負載時，理論上輸出電壓為無限大，所以每次必須先閉合繼電器接通負載之后再通恒流源。測量數據完畢，必須在關閉恒流源之后，再斷開繼電器。

（4）每一次操作時，Y-UVW必須相同，并且設置與實物一致，否則軟件不能報出對應錯誤的槽級。

4.2 反嵌的判定算法

霍爾傳感器在繞組未施加恒流源時，輸出為5 V，當施加合適的恒流源之后，如果磁場正向穿過傳感器，輸出大于5 V；反向穿過傳感器時，輸出小于5 V。通過每一組繞線所有的磁極，判斷繞線組中是否存在反嵌，異常時在測量完畢之后，在顯示模塊中顯示出來。

極性的判斷如圖7所示，用戶設定恒流源，極性判定的上下限。如正向時霍爾傳感器輸出7 V，反向為3 V。在軟件中，大于7 V為1，小于3 V為0，3～7 V為不確定區間-1。

圖6 輪詢方式讀取霍爾傳感器輸出

圖7 極性的判定算法

圖8 反嵌的判定算法

反嵌判定的算法如圖8所示，第一次接通的繞線組槽級為1-4-7-10-13-16，那么讀取的數值應全部＞7 V，即每一個槽級都為1；或者全部＜3 V，即每一個槽級都為0。如果同一個繞線組的6個槽級讀取出來有1也有0，那么這個定子就是反嵌的定子。全為1，或者全為0取決于Y-UVW接好之后，霍爾傳感器的安裝方向。

5 測量結果驗證

本實驗的定子槽級為18，正常的定子結果如表1所示，定子的每一組繞線的槽級方向全部一致，全部為1。而當定子出現反嵌現象時，就會出現同一組同時出現1和0，如表2中第一組所示。

實驗結果表明，Y-U組的第10個槽級反嵌的定子能夠被準確有效的檢測出來。

6 結論

本測量系統以電流的磁效應為基礎，通過對繞線組施加恒流源，在定子的繞組外圍增加霍爾傳感器，利用MCU及其他的外圍電路對定子繞組進行反嵌檢測，實現對不良品的分辨。

表2 反嵌定子測試

實驗結果表明，通過對采樣數據進行方向性判斷，結合相應的軟件算法，可以有效檢測出反嵌的定子，并清晰指出相應的位置。從而避免反嵌的定子組裝成成品之后再檢測，為電機制造商帶來便利，節省了大量的人力與物力。