電勵磁雙凸極電機的繞組狀態及零位確定方法

甘忠文，薛開昶，袁光偉，羅宗鑫

（貴州航天林泉電機有限公司 國家精密微特電機工程技術研究中心，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

嚴仰光等人提出了電勵磁雙凸極電機，其定轉子均為凸極結構，定/轉子凸極為6N/4N（N=1，2，3，…，N）結構的電勵磁雙凸極電機屬于三相集中繞組方波電機[1,2]。電勵磁雙凸極電機通過調節勵磁電流來改變反電勢系數，在航空領域作為起動發電機使用時，其克服了永磁起動發電機故障時不可滅磁和三級式起動發電機不耐高溫、高速惡劣環境的不足[3-5]。為了滿足電勵磁雙凸極電機的控制需求，須在工作前確定相序、勵磁電流正方向和電機零位。

永磁同步電機通過給電樞繞組按一定規律通入電流時，查看電機的運動方向來判斷相序；在確定相序后，將B相和C相繞組并聯，外加電流由A相繞組流入，B相和C相繞組流出，使電機鎖定在零位來確定位置傳感器與電機零位的偏差[6,7]。但永磁電機的勵磁源為永磁體，與電勵磁雙凸極電機勵磁源為勵磁繞組不同，電勵磁雙凸極電機需要考慮勵磁電流正方向對相序和電機零位的影響，因此永磁同步電機相序和零位校正方法不可直接用于電勵磁雙凸極電機。現在普遍采用將電勵磁雙凸極電機拖到一定轉速，通過查看反電勢波形的方法確定相序和零位。但該方法需要外加拖動源和示波器，相序、勵磁電流正方向和電機零位的確定方法較為復雜。因此，本文通過對相序正確和相反、勵磁電流方向正確和相反4種情況下的運行狀態進行分析，提出了無須求外加拖動源和示波器的電機相序和勵磁電流正方向的方法，并根據電機零位與電樞繞組電流的固有規律，提出了電機的零位確定方法。最后，通過實驗結果驗證了所提出的繞組狀態及零位確定方法有效可行。

1 電勵磁雙凸極電極工作原理

12/8電勵磁雙凸極電機的結構如圖1（a）所示，定義轉子順時針為正方向，按順時針方向對定子齒進行了標號。電角度差計算公式為

圖1 電勵磁雙凸極電機結構與繞組星形圖

式中：Z為定子齒數；p為轉子極對數。對于12/8電勵磁雙凸極電機，Z=12，p=8。

根據式（1）可計算出每齒間的電角度差Δθ為240°。據此可得出繞組星形圖如圖1（b）所示，齒1、4、7和10上的繞組對應A相，齒3、6、9和12上的繞組對應B相，齒2、5、8和11上的繞組對應C相。圖1（a）中齒12和1間、3和4間、6和7間、9和10間的槽用于放勵磁繞組，分別采用“×”和“·”表示勵磁電流正方向是進入和離開。齒上箭頭表示繞組的繞制正方向。

電樞繞組和勵磁繞組的展開圖如圖2所示，相應的定子磁通方向如圖3所示，1～3齒和7～9齒上的勵磁磁通由下而上，4～6齒和10～12齒上的勵磁磁通由上而下。由于勵磁磁通的方向差異，1～3齒和7～9齒上的繞組正面由左至右為正方向，4～6齒和10～12齒上的繞組正面由右至左為正方向。

圖2 電勵磁雙凸極電機繞組展開圖

圖3 電勵磁雙凸極電機定轉子展開圖

電樞電流作用在1～3齒、4～6齒、7～9齒和10～12齒上產生電磁效果是相同的，因此本文將僅取1～3齒的局部定子來對問題進行分析。

2 電機鎖定位置分析方法

對于1臺電勵磁雙凸極電機，其初始位置具有隨機性，以下將在勵磁電流正方向正確和相反2種情況下，分析電樞繞組通以電樞電流的情況。

2.1 勵磁電流正方向正確

當勵磁電流正方向正確，電樞繞組電流為A相進入、C相輸出時，電機由任意位置到達鎖定位置的過程如圖4所示。

圖4 勵磁電流正方向正確時的位置鎖定過程

結合圖4（a）中第（1）狀態的電機位置，對分析方法進行說明。A相電流與定義正方向相同，A相齒左側和右側繞組電流分別為流出和流入；C相電流與定義正方向相反，C相齒左側和右側繞組電流分別為流入和流出。定子齒與轉子齒接觸時，對應定子齒會有磁通流過；對于A相左側繞組，根據左手定則，會產生向左的磁力，對于C相左側和右側繞組分別會產生向右和向左的磁力；定子磁力綜合效果為向左，根據反作用力與作用力等大反向的原理，可知轉磁力為向右，會使電機位置由圖4（a）中第（1）狀態轉化至圖4（a）中第（2）狀態。

由圖4可知，無論電機初始位置如何，在相同的特定的電樞繞組電流作用下，電機都會處于某一固定位置。在勵磁電流正方向正確的情況下，電機鎖定狀態為轉子齒與通入正向電樞電流的定子齒基本對齊，轉子略微偏右一點以維持磁力平衡。

2.2 勵磁電流正方向相反

采用相同方法，對勵磁電流正方向相反的情況進行分析。電機由任意位置到達鎖定位置的過程如圖5所示。

圖5 勵磁電流正方向相反時的位置鎖定過程

由圖5可知，在勵磁電流正方向相反的情況下，電機鎖定狀態為轉子齒與通入負向電樞電流的定子齒基本對齊，轉子略微偏左一點。

3 相序識別原理

3.1 不同相序、勵磁電流方向下的工作原理

圖6對不同相序、勵磁電流方向下4種情況進行了歸納。

圖6 旋轉方向與相序和勵磁電流正方向的關系

圖6中La、Lb和Lc分別表示三相電感，某一相的電感與該相定子齒與轉子齒接觸面積成正比。ea、eb和ec分別為三相反電勢，勵磁電流正方向正確時，定義正旋轉方向相電感增加時，反電勢為正；勵磁電流正方向相反時，定義正旋轉方向相電感增加時，反電勢為負。

圖6（a）中，由A+C-向B+A-切換時，eb和ea分別為正和負，與電樞電流Ib和Ia分別為正和負相對應，合成功率P=ebIb+eaIa＞0，使電機正向旋轉，此過程中B相和C相均作功。圖6（b）中，由A+C-向B+A-切換時，eb和ea分別為0和負，電樞電流Ib和Ia分別為正和負，合成功率P=eaIa＞0，使電機正向旋轉，此過程中僅A相作功。

圖6（c）中，由A+B-向C+A-切換時，ec和ea分別為負和正，與電繞電流Ic和Ia分別為正和負相反，合成功率P=ecIc+eaIa＜0，使電機反向旋轉，此過程中C相和A相均作功。在圖6（d）中，由A+B-向C+A-切換時，ec和ea分別為0和正，電繞電流Ic和Ia分別為正和負，合成功率P=eaIa＜0，使電機反向旋轉，此過程中僅A相作功。

3.2 相序識別方法

根據上述分析可知，電機的旋轉方向只與相序有關，與勵磁電流方向無關。因此，可以通過以下步驟確定繞組相序。

步驟1：無須考慮勵磁電流方向，給勵磁繞組通入勵磁電流。

步驟2：對于電機三相輸出線L1、L2和L3，令L1=A，假設L2=B和L3=C。

步驟3：使電流從A端進入電機，從C端出電機。

步驟4：使電流從B端進入電機，從A端出電機。

步驟5：使電流從C端進入電機，從B端出電機。

步驟6：觀察步驟3至步驟5操作時電機的旋轉方向，若電機的旋轉方向與定義正方向相同，則L2=B和L3=C，若電機的旋轉方向與定義方向相反，則L2=C和L3=B。

4 勵磁電流正方向識別原理

電樞電流由C+B-向C+A-切換時，不同勵磁電流方向下電機的鎖定位置如圖7所示。由圖7（a）可知，在勵磁電流正方向正確時，電機鎖定位置均在轉子齒與C相定子齒對齊位置附近，僅是電樞電流為C+B-時，轉子略微偏右；在電樞電流為C+A-時，轉子略微偏左。由圖7（b）可知，在勵磁電流正方向相反時，電樞電流為C+B-與電樞電流為C+A-情況下，電機鎖定位置相差略小于120°的電角度。

圖7 勵磁電流正方向識別原理

根據上述分析可知，對于勵磁電流正方向正確時，電機位置主要取決于流過正電流的相繞組，與流過負電流的相繞組關系不大；對于勵磁電流正方向相反時，電機位置主要取決于流過負電流的相繞組，與流過正電流的相繞組關系不大。因此，在相序確定之后，可以通過以下步驟確定勵磁電流方向。

步驟1：任意選取1個勵磁電流方向，給勵磁繞組通入勵磁電流。

步驟2：使電流從C端進入電機，從B端出電機，記錄位置傳感器讀出的電角度θf1。

步驟3：使電流從C端進入電機，從A端出電機，記錄位置傳感器讀出的電角度θf2。

步驟4：若θf1與θf2相差不大，則初選勵磁電流正方向正確，若θf1與θf2相差接近120°，則初選勵磁電流正方向相反，需要更改供電勵磁電流方向。

5 零位校正原理

對于電勵磁雙凸極電機，通常定義電機的零位為轉子齒剛開始滑入A相繞組定子齒的位置，即圖7（a）中第（1）狀態位置略偏左一點，圖7（a）中第（2）狀態位置略偏右一點。因此，在相序和勵磁電流正方向確定之后，可以通過以下步驟確定電機零位。

步驟1：接正確方向給勵磁繞組通入勵磁電流。

步驟2：使電流從C端進入電機，從B端出電機，記錄位置傳感器讀出的電角度θz1。

步驟3：使電流從C端進入電機，從A端出電機，記錄位置傳感器讀出的電角度θz2。

步驟 4：按 Δθz=(θz1+θz2)/2確定位置傳感器電角度偏差。

6 實驗結果

在1臺12/8結構的電勵磁雙凸極電極上進行試驗，勵磁電流為5 A，電樞電流為20 A，通過旋轉變壓器輸出電機位置。

相序正確時，電樞繞組依次通入A+C-、B+A-和C+B-的電樞電流時，經旋轉變壓器輸出的電角度如表1所示。由表1可知，相序正確時，無論是勵磁電流方向是否正確，當電樞繞組依次通入A+C-、B+A-和C+B-的電樞電流時，電角度均為增加。

表1 相序正確時電角度測量值 單位：（°）

相序相反時，電樞繞組依次通入A+B-、C+A-和B+C-的電樞電流時，經旋轉變壓器輸出的電角度如表2所示。由表2可知，相序相反時，無論是勵磁電流方向是否正確，當電樞繞組依次通入A+B-、C+A-和B+C-的電樞電流時，電角度均為減少。

表2 相序相反時電角度測量值單 單位：（°）

表1和表2所示結果與理論分析一致，表明理論分析正確。實際進行相序判斷時，無論獲得的是表1或表2的數據，根據旋轉方向均能實現相序判斷。

在完成相序識別后，電樞繞組依次通入C+B-、和C+A-的電樞電流時，經旋轉變壓器輸出的電角度如表3所示。表3測試結果表明勵磁電流正方向正確時，2組電樞繞組電流下的電角度差為14°；勵磁電流正方向相反時，2組電樞繞組電流下的角度差為132°。測量結果與理論分析一致。因此，根據2組電樞繞組電流下的電角度較小，可實現勵磁電流正方向的識別。

表3 勵磁電流正方向識別的電角度測量值 單位：（°）

在完成相序識別和勵磁電流正方向識別后，根據電樞繞組依次通入C+B-和C+A-的電樞電流時的旋轉變壓器輸出電角度分別為129°和115°，按Δθz=(θz1+θz2)/2，θz1=129°和θz2=115°可計算出電機零位與旋轉變壓器的零位差Δθz為122°。

7 結 論

綜上所述，在任意電機的初始位置下，在勵磁電流正方向正確的情況下，電機鎖定狀態為轉子齒與通入正向電樞電流的定子齒基本對齊；在勵磁電流正方向相反的情況下，電機鎖定狀態為轉子齒與通入負向電樞電流的定子齒基本對齊。根據電機的旋轉方向與相序相關，與勵磁電流正方向無關，可以根據特定電樞繞組通電順序下電機的旋轉方向確定相序。在相序確定后，根據電樞繞組依次通入C+B-和C+A-的電樞電流時，2組電樞繞組電流下的電角度差相差較小或相差120°左右來判斷勵磁電流正方向正確或相反。在相序和勵磁電流方向確定后，根據電樞繞組依次通入C+B-和C+A-的電樞電流時2組位置傳感器輸出的電角度值，對其取平均作為電機零位與位置傳感器零位的偏差值，實現電機零位校正。