基于電流磁效應(yīng)的定子反嵌測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃偉群 李信合 朱潔樂(lè) 蔡國(guó)浩

廣東美創(chuàng)?？萍加邢薰?廣東佛山 528000

0 引言

電機(jī)作為電器的動(dòng)力源之一，由定子與轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子在繞組線(xiàn)圈嵌槽時(shí)，出現(xiàn)其中一個(gè)或多個(gè)槽的匝線(xiàn)圈嵌反了，該槽的電流方向與正常的工作方向相反，稱(chēng)為反嵌。出現(xiàn)反嵌的定子跟正常的轉(zhuǎn)子組裝成電機(jī)時(shí)，反嵌的繞線(xiàn)中流過(guò)的電流方向相反，使電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)不平衡，造成電機(jī)啟動(dòng)困難，三相電流不平衡，電機(jī)可能發(fā)生噪聲、振動(dòng)甚至燒毀[1]?，F(xiàn)有的檢測(cè)方式主要是通過(guò)電機(jī)綜合性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[2]的功率因數(shù)，或者堵轉(zhuǎn)電流等可以檢測(cè)出來(lái)，從而判斷異常。但是當(dāng)成品測(cè)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(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能，如匝間絕緣性能、電氣絕緣性能。

對(duì)于電機(jī)的制造商，定子反嵌的檢測(cè)有兩層意義，一個(gè)是“能不能檢測(cè)出來(lái)”；另一個(gè)是“能不能準(zhǔn)確地指出反嵌的位置”。

本系統(tǒng)利用電流磁效應(yīng)原理[3]，設(shè)計(jì)了一套專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)定子反嵌的測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)給定子繞線(xiàn)組施加恒流源產(chǎn)生磁場(chǎng)，霍爾傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小并通過(guò)霍爾信號(hào)判斷磁場(chǎng)方向，通過(guò)軟件算法計(jì)算出反嵌的不良定子，并指出對(duì)應(yīng)的位置。系統(tǒng)采用芯片自動(dòng)檢測(cè)的方法，在組裝成電機(jī)之前對(duì)定子測(cè)量，檢測(cè)出不良的定子。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證明，該檢測(cè)方案能夠有效且準(zhǔn)確的指出反嵌的位置。

1 測(cè)量原理

根據(jù)奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流磁效應(yīng)原理，通電的導(dǎo)體周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，那么把導(dǎo)體纏繞成線(xiàn)圈的形狀后，周?chē)艌?chǎng)會(huì)增強(qiáng)，此時(shí)線(xiàn)圈相當(dāng)于一個(gè)條形磁鐵，產(chǎn)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(xiàn)方式，每個(gè)槽的繞線(xiàn)等同于一個(gè)線(xiàn)圈，給單個(gè)繞線(xiàn)組通恒流源時(shí)，同相的6個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生6個(gè)相同指向的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向由電流的方向決定，同時(shí)指向內(nèi)圈，或者同時(shí)指定外面。

圖1 定子繞線(xiàn)方式

直流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為A/m；N為勵(lì)磁線(xiàn)圈的匝數(shù)；I為勵(lì)磁電流（測(cè)量值），單位為A；Le為測(cè)試樣品的有效磁路長(zhǎng)度，單位為m。

定子中，每一槽線(xiàn)圈的匝數(shù)N相同，勵(lì)磁電流I相同，磁路長(zhǎng)度Le也相同，所以每一個(gè)槽產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度也相同。但是，當(dāng)定子繞線(xiàn)反嵌時(shí)，它的電流方向發(fā)生改變，磁場(chǎng)方向也發(fā)生改變。通過(guò)制作不同工裝，在定子的中心，或者定子的外圍，每個(gè)線(xiàn)圈的磁力方向放置一個(gè)霍爾傳感器，對(duì)定子的每一個(gè)繞組施加一個(gè)恒流源，通過(guò)霍爾傳感器的采樣電路采樣，然后通過(guò)MCU計(jì)算相對(duì)應(yīng)的極性即可判斷出反嵌的定子并指出相應(yīng)的位置。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

總體的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，其中：

圖2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)框圖

MCU控制系統(tǒng)：MCU最小系統(tǒng)，包括系統(tǒng)需要的其他單元如存儲(chǔ)、DAC等，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)控制，用戶(hù)按鍵指令的接收，結(jié)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(zhuǎn)換電路，分體式的設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)：由于定子的槽極較多，而MCU的ADC采樣通道有限，通過(guò)用模擬開(kāi)關(guān)切換ADC的采樣通道，達(dá)到擴(kuò)充ADC的作用，使每一個(gè)槽極都有一個(gè)ADC采樣通道。

按鍵模塊：用戶(hù)指令輸入。

顯示模塊：顯示用戶(hù)的操作界面，以及結(jié)果的判斷。

壓控恒流源：用于給線(xiàn)圈施加電流，由于不同的產(chǎn)品線(xiàn)圈的圈數(shù)不同，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)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(hào)。

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(gè)系統(tǒng)供電。

3 主要的硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)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(tǒng)中采用STM32F407VET6[4]，ARM Cortex-M4內(nèi)核，在定子測(cè)量系統(tǒng)中，主要負(fù)責(zé)的內(nèi)容為：

（1）用戶(hù)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(hào)的采樣；

（4）系統(tǒng)的控制與算法。

3.1 壓控恒流源

根據(jù)直流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算公式：H=N×I/Le，不同的定子匝數(shù)N不一樣，H就不一樣，所以需要調(diào)節(jié)電流I，使用不同的定子，磁場(chǎng)強(qiáng)度可以被霍爾傳感器檢測(cè)。本系統(tǒng)中采用了精密程控恒流源的設(shè)計(jì)[5]，利用STM32內(nèi)部自帶的12位DAC，輸出對(duì)應(yīng)的電流。

3.2 霍爾傳感器采樣小板的設(shè)計(jì)

霍爾傳感器采用的是HONEYWELL的線(xiàn)性霍爾傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，轉(zhuǎn)換的性能如圖4所示，其中，橫坐標(biāo)的單位是高斯，它與式（1）標(biāo)準(zhǔn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換公式為：

圖3 霍爾傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 霍爾傳感器轉(zhuǎn)換性能

由于該傳感器的最大輸出電壓超過(guò)了模擬開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)，同時(shí)模擬開(kāi)關(guān)芯片，以及ADC的輸入也要有必要的過(guò)壓保護(hù)電路。

4 軟件與算法設(shè)計(jì)

4.1 軟件的工作流程

流程的設(shè)計(jì)如圖5所示，軟件設(shè)計(jì)的主要注意事項(xiàng)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(cè)量原理中的定子，第一次同時(shí)接通的槽級(jí)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(xún)的方式讀取對(duì)應(yīng)槽級(jí)的信號(hào)，如圖6所示，在恒流源接通穩(wěn)定之后讀取，每個(gè)通道的讀取為：打開(kāi)通道→延時(shí)→讀取第一個(gè)通道信號(hào)→關(guān)閉通道，順序跟接通的槽級(jí)對(duì)應(yīng)。

（3）恒流源在未接負(fù)載時(shí)，理論上輸出電壓為無(wú)限大，所以每次必須先閉合繼電器接通負(fù)載之后再通恒流源。測(cè)量數(shù)據(jù)完畢，必須在關(guān)閉恒流源之后，再斷開(kāi)繼電器。

（4）每一次操作時(shí)，Y-UVW必須相同，并且設(shè)置與實(shí)物一致，否則軟件不能報(bào)出對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤的槽級(jí)。

4.2 反嵌的判定算法

霍爾傳感器在繞組未施加恒流源時(shí)，輸出為5 V，當(dāng)施加合適的恒流源之后，如果磁場(chǎng)正向穿過(guò)傳感器，輸出大于5 V；反向穿過(guò)傳感器時(shí)，輸出小于5 V。通過(guò)每一組繞線(xiàn)所有的磁極，判斷繞線(xiàn)組中是否存在反嵌，異常時(shí)在測(cè)量完畢之后，在顯示模塊中顯示出來(lái)。

極性的判斷如圖7所示，用戶(hù)設(shè)定恒流源，極性判定的上下限。如正向時(shí)霍爾傳感器輸出7 V，反向?yàn)? 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(qū)間-1。

圖6 輪詢(xún)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(xiàn)組槽級(jí)為1-4-7-10-13-16，那么讀取的數(shù)值應(yīng)全部＞7 V，即每一個(gè)槽級(jí)都為1；或者全部＜3 V，即每一個(gè)槽級(jí)都為0。如果同一個(gè)繞線(xiàn)組的6個(gè)槽級(jí)讀取出來(lái)有1也有0，那么這個(gè)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(cè)量結(jié)果驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)的定子槽級(jí)為18，正常的定子結(jié)果如表1所示，定子的每一組繞線(xiàn)的槽級(jí)方向全部一致，全部為1。而當(dāng)定子出現(xiàn)反嵌現(xiàn)象時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)同一組同時(shí)出現(xiàn)1和0，如表2中第一組所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Y-U組的第10個(gè)槽級(jí)反嵌的定子能夠被準(zhǔn)確有效的檢測(cè)出來(lái)。

6 結(jié)論

本測(cè)量系統(tǒng)以電流的磁效應(yīng)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)繞線(xiàn)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(duì)定子繞組進(jìn)行反嵌檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不良品的分辨。

表2 反嵌定子測(cè)試

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行方向性判斷，結(jié)合相應(yīng)的軟件算法，可以有效檢測(cè)出反嵌的定子，并清晰指出相應(yīng)的位置。從而避免反嵌的定子組裝成成品之后再檢測(cè)，為電機(jī)制造商帶來(lái)便利，節(jié)省了大量的人力與物力。