劉 軻

(廣東新高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)有限公司， 廣東 佛山 528518)

0 引 言

永磁同步電機(jī)具有功率密度大、高效率區(qū)間廣、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。永磁同步電機(jī)通常采用矢量控制策略，通過(guò)旋變(旋轉(zhuǎn)變壓器)定位轉(zhuǎn)子位置；為了保證電機(jī)性能的一致性，要求每一臺(tái)電機(jī)的旋變的初始位置一致，并且一臺(tái)電機(jī)只有一個(gè)旋變初始位置。而電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大，會(huì)引起旋變初始位置有偏差。

1 磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器

磁阻式旋變依據(jù)電磁感應(yīng)原理，通過(guò)轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)產(chǎn)生具有正弦特征的氣隙磁導(dǎo)變化，使輸出繞組的感應(yīng)電壓隨機(jī)械轉(zhuǎn)角作相應(yīng)正弦或余弦變化。定子里面有1組勵(lì)磁繞組和2組輸出繞組(如圖1)；根據(jù)檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子的氣隙磁導(dǎo)變化，以sin和cos式波形的變化來(lái)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(dǎo)變化的電壓波形圖

由于磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器具有結(jié)構(gòu)牢固，抗振動(dòng)沖擊，耐油污、粉塵，抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、軌道交通、礦山機(jī)械等領(lǐng)域。本論文案例中所用的旋轉(zhuǎn)變壓器就是磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器，使用在新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)上。

2 標(biāo)定旋變初始位置的方法

永磁同步電機(jī)通常采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制策略，這種控制策略需要使用傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置，對(duì)于精度要求較高的場(chǎng)合，一般采用旋變作為位置傳感器。

旋變初始位置標(biāo)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(jìn)行定位，將轉(zhuǎn)子位置定位在與其方向一致的位置上，然后讀出轉(zhuǎn)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(shí)假定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置就是初始角；由于存在轉(zhuǎn)子摩擦和齒槽轉(zhuǎn)矩，為了減少誤差，將電機(jī)順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向定位到零位置時(shí)，讀取轉(zhuǎn)子位置值求平均值后，作為轉(zhuǎn)子的位置初始角[1]；第三種，反電勢(shì)過(guò)零法：通過(guò)拖動(dòng)電機(jī)被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量電機(jī)繞組反電勢(shì)電壓以及旋變解碼數(shù)據(jù)高位信號(hào)的零位偏差直接測(cè)量方法，該方法只需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)時(shí)間量即可計(jì)算得到位置傳感器零位偏差[2]。

3 齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)于標(biāo)定旋變初始位置的影響

3.1 齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理

永磁電機(jī)中的永磁體與對(duì)面的齒槽結(jié)構(gòu)存在相互作用的切向力，這種作用力試圖使電機(jī)的永磁磁極中心線(xiàn)與齒槽中心線(xiàn)保持對(duì)齊。這個(gè)作用力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就是齒槽轉(zhuǎn)矩。

3.2 旋變初始位置的一致性

在一些應(yīng)用場(chǎng)合，永磁同步電機(jī)不能在線(xiàn)標(biāo)定旋變初始位置，需要預(yù)先將每臺(tái)電機(jī)的旋變初始位置標(biāo)定，保證每一臺(tái)電機(jī)的旋變初始位置一樣。

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

圖3 旋變定子結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)轉(zhuǎn)子，在安裝磁鋼和轉(zhuǎn)軸時(shí)，要保證磁鋼的N-S極性相對(duì)于旋變轉(zhuǎn)子固定鍵槽一致。電機(jī)定子，定子鐵芯上有標(biāo)記槽，每臺(tái)定子從標(biāo)記槽開(kāi)始嵌線(xiàn)，保證定子磁極位置一致。定子裝入機(jī)殼，機(jī)殼上設(shè)計(jì)定位特征或者通過(guò)工裝，保證每臺(tái)定子裝入機(jī)殼后，圓周位置基本一致。通過(guò)以上措施，每臺(tái)電機(jī)磁場(chǎng)的位置大體一致，然后安裝旋變的轉(zhuǎn)子和定子，轉(zhuǎn)動(dòng)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?xún)?nèi)。

3.3 齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大造成旋變初始位置偏差

本論文案例中，旋變的極對(duì)數(shù)與電機(jī)的極對(duì)數(shù)相同，為四對(duì)極。旋變初始位置的標(biāo)定方法采用電流閉環(huán)的定位方式：電機(jī)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(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自動(dòng)轉(zhuǎn)到垂直于A相繞組軸線(xiàn)的地方[3]；用角度顯示儀測(cè)試初始位置的電角度，轉(zhuǎn)動(dòng)旋變定子，使初始位置的電角度固定在某個(gè)值，本案例采用180°；用螺絲鎖緊旋變定子。

然后斷開(kāi)電源，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子，重新通電，測(cè)試初始位置的電角度；同樣的方法，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子，測(cè)試初始位置的電角度。當(dāng)齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大時(shí)，順時(shí)針和逆時(shí)針測(cè)試的初始位置的電角度有偏差，本案例中順時(shí)針的初始位置約為180°電角度，逆時(shí)針約為190°電角度。測(cè)試結(jié)果如下圖4。

使用角度顯示儀標(biāo)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(jī)控制器測(cè)試旋變初始位置的參數(shù)，軟件參數(shù)為0-4095的范圍，對(duì)應(yīng)機(jī)械角度0～360°。

圖4 測(cè)試結(jié)果圖

分析旋變初始位置偏差的原因，電機(jī)定子通直流電，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩；當(dāng)齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大甚至接近電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，就會(huì)削弱電磁轉(zhuǎn)矩的大小，干擾電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極中心線(xiàn)對(duì)齊定子A相繞組的磁極中心線(xiàn)。通過(guò)軟件仿真，測(cè)試以上案例電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩約為±1.9 Nm，如圖5所示；測(cè)試初始位置的電磁轉(zhuǎn)矩約為4 Nm，如圖6所示。

圖5 測(cè)試電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩

圖6 測(cè)試初始位置的電磁轉(zhuǎn)矩

改進(jìn)旋變初始位置偏差的措施，通過(guò)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(zhuǎn)矩；本案例通過(guò)優(yōu)化極弧系數(shù)，將齒槽轉(zhuǎn)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(biāo)定旋變初始位置，順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，測(cè)試初始位置的電角度，均為180°電角度；即正反轉(zhuǎn)的旋變初始位置沒(méi)有偏差。

總結(jié)：齒槽轉(zhuǎn)矩為±1.9 Nm時(shí)，在標(biāo)定旋變初始位置過(guò)程，齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大干擾，順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，測(cè)試初始位置的電角度有10個(gè)電角度的差異。

圖7 優(yōu)化極槽弧系數(shù)降低齒槽轉(zhuǎn)矩

4 旋變初始位置偏差對(duì)電機(jī)性能影響

由于齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大，在標(biāo)定旋變初始位置時(shí)，順時(shí)針和逆時(shí)針定位的初始位置不同，出現(xiàn)兩個(gè)初始位置(零位)，取不同的旋變初始位置，電機(jī)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(duì)額定點(diǎn)效率的影響

齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大，使順時(shí)針和逆時(shí)針定位的初始位置有兩個(gè)值，會(huì)影響電機(jī)的外特性曲線(xiàn)，造成外特性曲線(xiàn)的恒功率區(qū)，低轉(zhuǎn)速區(qū)功率偏高，高轉(zhuǎn)速區(qū)功率偏低。圖8中，順時(shí)針和逆時(shí)針的初始位置分別為180.3、190.1，取平均值185.0，測(cè)試的外特性曲線(xiàn)。圖9中，順時(shí)針和逆時(shí)針的初始位置相同，均為180度，測(cè)試的外特性曲線(xiàn)，恒功率區(qū)功率曲線(xiàn)水平。旋變初始位置偏差過(guò)大，還會(huì)造成電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變大，甚至高轉(zhuǎn)速失控。

圖8 初始位置不同時(shí)的外特征曲線(xiàn)

圖9 初始位置相同時(shí)的外特征曲線(xiàn)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文分析旋轉(zhuǎn)變壓器的原理，旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用在電機(jī)上初始位置的標(biāo)定方法。通過(guò)軟件仿真和樣機(jī)試驗(yàn)，研究電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)于標(biāo)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(biāo)定旋變初始位置時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大會(huì)造成電機(jī)順時(shí)針和逆時(shí)針標(biāo)定的初始位置不一致，出現(xiàn)兩個(gè)初始位置，兩個(gè)初始位置相差大約10°的電角度；兩個(gè)初始位置會(huì)影響電機(jī)的效率和外特性曲線(xiàn)。因此，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，要盡量降低齒槽轉(zhuǎn)矩，保證在采用電流閉環(huán)的方式標(biāo)定旋變初始位置時(shí)只有一個(gè)值。