楊偉濤，吳鳳海

(惠而浦(中國(guó))股份有限公司，合肥 230088)

0 引 言

永磁電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，不需要外加能量在電機(jī)氣隙內(nèi)建立磁場(chǎng)，具有較高的功率因數(shù)和效率，且永磁電機(jī)的功率密度較高，電機(jī)體積和質(zhì)量較小。隨著國(guó)家能耗標(biāo)準(zhǔn)要求越來(lái)越高，永磁電機(jī)在工業(yè)和家用電器中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

由永磁體建立的磁場(chǎng)，受許多因素影響：永磁體表面磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布、永磁體位置、永磁體與轉(zhuǎn)子鐵心之間的間隙、轉(zhuǎn)子軸向跳動(dòng)、轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)、轉(zhuǎn)子永磁體是否與定子鐵心軸向?qū)R等，其氣隙磁場(chǎng)波形容易產(chǎn)生畸變，從而導(dǎo)致諧波含量增加，振動(dòng)噪聲異常。傳統(tǒng)的在線檢測(cè)方式，一般只檢測(cè)轉(zhuǎn)子反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子表面磁場(chǎng)，無(wú)法有效且快速檢測(cè)出轉(zhuǎn)子每片永磁體對(duì)應(yīng)的氣隙磁場(chǎng)總磁通量，從而導(dǎo)致振動(dòng)噪聲異常的產(chǎn)品流向客戶。文獻(xiàn)[1]對(duì)小功率電動(dòng)機(jī)的出廠檢測(cè)項(xiàng)目只規(guī)定了外觀、直流電阻、絕緣電阻、匝間耐壓、空載性能、堵轉(zhuǎn)、超速等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。文獻(xiàn)[2]對(duì)永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的出廠檢測(cè)項(xiàng)目除文獻(xiàn)[1]規(guī)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，又增加了反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但都未提及對(duì)轉(zhuǎn)子每片永磁體磁性的出廠檢測(cè)。

本文以洗衣機(jī)用外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，通過(guò)理論分析、實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)與噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，闡述一種有效且快速的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁性能的在線檢測(cè)方法，可以快速并有效地識(shí)別出轉(zhuǎn)子因永磁體表面磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布、磁路磁阻和永磁體端部漏磁通等因素而導(dǎo)致的氣隙磁性能波動(dòng)，避免因此而產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲異常的產(chǎn)品流入市場(chǎng)。

1 影響氣隙磁場(chǎng)波形的主要因素

影響氣隙磁場(chǎng)磁通量的主要因素有永磁體表面磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布、磁路磁阻和永磁體端部漏磁通等。

永磁體表面磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布，主要受永磁體原料和永磁體加工工藝影響。永磁體原料確定后，永磁體的基本性能已確定，但不同永磁體模穴或同一模穴的不同永磁體位置，其磁疇分布和磁場(chǎng)預(yù)取向也是不同的，同時(shí)受析水面、燒結(jié)溫度、磨削量等因素的影響，永磁體表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度也是不同的。

圖1為永磁體成型時(shí)磁疇預(yù)取向的磁場(chǎng)分布圖。從圖1中可以看出，不同模穴的永磁體或同一模穴永磁體的不同位置，其磁疇預(yù)取向的磁場(chǎng)也不同。

圖1 磁疇預(yù)取向磁場(chǎng)分布圖

對(duì)不同模穴永磁體制成的轉(zhuǎn)子分別進(jìn)行了噪聲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。其中橫坐標(biāo)1～6分別代表不同模穴永磁體制作的轉(zhuǎn)子，每個(gè)模穴有4臺(tái)轉(zhuǎn)子，縱坐標(biāo)表示不同模穴永磁體轉(zhuǎn)子在1 300 r/min，630 Hz下的噪聲值。從測(cè)試結(jié)果可以看出，因不同模穴永磁體的磁場(chǎng)分布不同，其制成的轉(zhuǎn)子噪聲大小也不同。

圖2 不同模穴永磁體轉(zhuǎn)子在1 300 r/min，630 Hz下的噪聲測(cè)試結(jié)果

磁路磁阻主要受永磁體表面與定子鐵心之間的距離以及永磁體與轉(zhuǎn)子鐵心之間的間隙影響，聚焦到轉(zhuǎn)子的具體參數(shù)上，即主要受轉(zhuǎn)子永磁體表面的徑向跳動(dòng)以及轉(zhuǎn)子永磁體與轉(zhuǎn)子鐵心之間粘合的緊密程度的影響。

永磁體端部漏磁通在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后主要受轉(zhuǎn)子的端面跳動(dòng)以及轉(zhuǎn)子永磁體是否與定子鐵心軸向?qū)R等因素的影響。

2 現(xiàn)有常規(guī)在線檢測(cè)方法及其局限性

2.1 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)

針對(duì)三相對(duì)稱繞組電機(jī)，兩相線線間繞組對(duì)應(yīng)著2/3圓周的轉(zhuǎn)子永磁體，因轉(zhuǎn)子的線線間反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)的是一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子感生電壓有效值的平均值，故轉(zhuǎn)子的反電動(dòng)勢(shì)測(cè)試只能測(cè)量出轉(zhuǎn)子的平均磁性能，而某一片永磁體所對(duì)應(yīng)的磁性能或局部磁性能的差異無(wú)法有效評(píng)估。

2.2 轉(zhuǎn)子永磁體表面磁通量檢測(cè)

轉(zhuǎn)子永磁體表面磁通量檢測(cè)，如圖3所示，主要是通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子永磁體表面上某一圓周的磁場(chǎng)性能，無(wú)法對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子永磁體面域進(jìn)行性能檢測(cè)，具有一定的局現(xiàn)性，不能反映出整體情況，而且轉(zhuǎn)子永磁體表面磁通量檢測(cè)又需要將霍爾傳感器深入到需要檢測(cè)的永磁體表面，操作復(fù)雜，不適用于大批量的快速在線檢測(cè)。

圖3 轉(zhuǎn)子永磁體表面磁通量檢測(cè)設(shè)備

3 新型在線檢測(cè)方法——ΔVrms測(cè)量法

感生電動(dòng)勢(shì)公式：

E=4.44fKωNLΦ

(1)

式中：E為感生電動(dòng)勢(shì)；f為頻率；Kω為繞組系數(shù)；NL為每相定子繞組的匝數(shù)；Φ為磁通量。

由式(1)可知，在頻率、繞組系數(shù)、繞組匝數(shù)一定的情況下，感生電動(dòng)勢(shì)的波動(dòng)可有效反映出氣隙磁通量的波動(dòng)。我們可以通過(guò)測(cè)量繞組感生電壓來(lái)評(píng)估氣隙磁通量。

如圖4所示，在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)定子的某一齒上繞制一定匝數(shù)的探查線圈，匝數(shù)多少取決于測(cè)量設(shè)備的精度和量程，通過(guò)電壓數(shù)據(jù)采集卡，采集出每片永磁體通過(guò)探查線圈所感生出的電壓，為保證測(cè)量精度，本文數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率選擇1 MHz，分辨率選擇16 bit,進(jìn)而求解出每片永磁體所感生電壓的有效值，來(lái)評(píng)估每片永磁體對(duì)應(yīng)的氣隙磁場(chǎng)總磁通量。

圖4 探查線圈繞制示意圖

測(cè)量結(jié)果如圖5所示，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子磁極數(shù)，如36極轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)圖中36個(gè)波峰，縱坐標(biāo)為永磁體對(duì)應(yīng)的感生電壓值。我們對(duì)探查線圈感生出的對(duì)應(yīng)每片永磁體的電壓波形進(jìn)行積分，求出其有效值。

圖5 探查線圈兩端電壓波形

通過(guò)式(2)計(jì)算出轉(zhuǎn)子每片永磁體所對(duì)應(yīng)感生電壓的有效值，并求出所有永磁體對(duì)應(yīng)感生電壓有效值的平均值，將其作為評(píng)判每片永磁體感生電壓是否合格的基準(zhǔn)電壓。

(2)

通過(guò)式(3)計(jì)算出轉(zhuǎn)子每片永磁體對(duì)應(yīng)感生電壓與基準(zhǔn)電壓差異百分比的絕對(duì)值，如果此絕對(duì)值小于等于規(guī)格要求，則判定為合格，否則不合格。另外，需要注意的是此規(guī)格需要根據(jù)客戶要求和批量生產(chǎn)時(shí)的采集數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的噪聲測(cè)試結(jié)果綜合設(shè)定。

(3)

式中：ΔVrms為轉(zhuǎn)子每片永磁體對(duì)應(yīng)感生電壓與基準(zhǔn)電壓差異百分比的絕對(duì)值。

4 ΔVrms檢測(cè)結(jié)果與噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

ΔVrms檢測(cè)可在反電動(dòng)勢(shì)測(cè)試時(shí)同步進(jìn)行，不占用總的生產(chǎn)時(shí)間。其測(cè)試報(bào)告和評(píng)判結(jié)果可以與反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量結(jié)果同步輸出，如圖6所示。

圖6 在線輸出報(bào)告

為了給出合理有效的ΔVrms設(shè)定值，我們對(duì)批量生產(chǎn)時(shí)不同ΔVrms值的轉(zhuǎn)子進(jìn)行了相應(yīng)的噪聲測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如圖7所示?？蛻粢笤? 300 r/min、630 Hz下的噪聲值小于等于55 dB，為留有一定的生產(chǎn)余量，本文的ΔVrms規(guī)格值設(shè)定為小于等于16%。

圖7 不同ΔVrms值的轉(zhuǎn)子噪聲測(cè)試結(jié)果

由圖7可以得出，ΔVrms值越大的轉(zhuǎn)子，其噪聲測(cè)試結(jié)果越高；另外，我們還發(fā)現(xiàn)，在ΔVrms值約等于17%時(shí)，噪聲測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)突變，且呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，在生產(chǎn)時(shí)一定要避免此類事件的發(fā)生。

采用此測(cè)量方法可以快速并有效地識(shí)別出轉(zhuǎn)子每片永磁體磁性能的波動(dòng)，避免噪聲異常的產(chǎn)品流入市場(chǎng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上理論分析和測(cè)量結(jié)果對(duì)比，我們可以得出以下結(jié)論：

1)不同模穴的永磁體或同一模穴永磁體的不同位置，其磁疇預(yù)取向的磁場(chǎng)不同，且其制成的轉(zhuǎn)子噪聲大小也不同；

2)ΔVrms值越大的轉(zhuǎn)子，其噪聲測(cè)試結(jié)果越高，在ΔVrms值上升到一定程度時(shí)，噪聲會(huì)出現(xiàn)突變，且呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)；

3)ΔVrms測(cè)量法可以快速并有效地識(shí)別出轉(zhuǎn)子每片永磁體磁性能的波動(dòng)，避免噪聲異常的產(chǎn)品流入市場(chǎng)。