永磁電機轉子磁性能在線檢測方法及應用

楊偉濤，吳鳳海

(惠而浦(中國)股份有限公司，合肥 230088)

0 引 言

永磁電機采用永磁體勵磁，不需要外加能量在電機氣隙內建立磁場，具有較高的功率因數和效率，且永磁電機的功率密度較高，電機體積和質量較小。隨著國家能耗標準要求越來越高，永磁電機在工業和家用電器中的應用越來越廣泛。

由永磁體建立的磁場，受許多因素影響：永磁體表面磁場強度及分布、永磁體位置、永磁體與轉子鐵心之間的間隙、轉子軸向跳動、轉子徑向跳動、轉子永磁體是否與定子鐵心軸向對齊等，其氣隙磁場波形容易產生畸變，從而導致諧波含量增加，振動噪聲異常。傳統的在線檢測方式，一般只檢測轉子反電動勢和轉子表面磁場，無法有效且快速檢測出轉子每片永磁體對應的氣隙磁場總磁通量，從而導致振動噪聲異常的產品流向客戶。文獻[1]對小功率電動機的出廠檢測項目只規定了外觀、直流電阻、絕緣電阻、匝間耐壓、空載性能、堵轉、超速等實驗項目。文獻[2]對永磁無刷電動機系統的出廠檢測項目除文獻[1]規定的實驗項目外，又增加了反電動勢常數等實驗項目，但都未提及對轉子每片永磁體磁性的出廠檢測。

本文以洗衣機用外轉子永磁同步電動機為例，通過理論分析、實際檢測數據與噪聲測試數據對比，闡述一種有效且快速的永磁電機轉子磁性能的在線檢測方法，可以快速并有效地識別出轉子因永磁體表面磁場強度及分布、磁路磁阻和永磁體端部漏磁通等因素而導致的氣隙磁性能波動，避免因此而產生的振動噪聲異常的產品流入市場。

1 影響氣隙磁場波形的主要因素

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

永磁體表面磁場強度及分布，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，其磁疇分布和磁場預取向也是不同的，同時受析水面、燒結溫度、磨削量等因素的影響，永磁體表面的磁場強度也是不同的。

圖1為永磁體成型時磁疇預取向的磁場分布圖。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，其磁疇預取向的磁場也不同。

圖1 磁疇預取向磁場分布圖

對不同模穴永磁體制成的轉子分別進行了噪聲測試，測試結果如圖2所示。其中橫坐標1～6分別代表不同模穴永磁體制作的轉子，每個模穴有4臺轉子，縱坐標表示不同模穴永磁體轉子在1 300 r/min，630 Hz下的噪聲值。從測試結果可以看出，因不同模穴永磁體的磁場分布不同，其制成的轉子噪聲大小也不同。

圖2 不同模穴永磁體轉子在1 300 r/min，630 Hz下的噪聲測試結果

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子鐵心之間的間隙影響，聚焦到轉子的具體參數上，即主要受轉子永磁體表面的徑向跳動以及轉子永磁體與轉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品設計完成后主要受轉子的端面跳動以及轉子永磁體是否與定子鐵心軸向對齊等因素的影響。

2 現有常規在線檢測方法及其局限性

2.1 反電動勢檢測

針對三相對稱繞組電機，兩相線線間繞組對應著2/3圓周的轉子永磁體，因轉子的線線間反電動勢檢測的是一段時間內轉子感生電壓有效值的平均值，故轉子的反電動勢測試只能測量出轉子的平均磁性能，而某一片永磁體所對應的磁性能或局部磁性能的差異無法有效評估。

2.2 轉子永磁體表面磁通量檢測

轉子永磁體表面磁通量檢測，如圖3所示，主要是通過霍爾傳感器檢測出轉子永磁體表面上某一圓周的磁場性能，無法對整個轉子永磁體面域進行性能檢測，具有一定的局現性，不能反映出整體情況，而且轉子永磁體表面磁通量檢測又需要將霍爾傳感器深入到需要檢測的永磁體表面，操作復雜，不適用于大批量的快速在線檢測。

圖3 轉子永磁體表面磁通量檢測設備

3 新型在線檢測方法——ΔVrms測量法

感生電動勢公式：

E=4.44fKωNLΦ

(1)

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

由式(1)可知，在頻率、繞組系數、繞組匝數一定的情況下，感生電動勢的波動可有效反映出氣隙磁通量的波動。我們可以通過測量繞組感生電壓來評估氣隙磁通量。

如圖4所示，在測量標準定子的某一齒上繞制一定匝數的探查線圈，匝數多少取決于測量設備的精度和量程，通過電壓數據采集卡，采集出每片永磁體通過探查線圈所感生出的電壓，為保證測量精度，本文數據采集卡采樣頻率選擇1 MHz，分辨率選擇16 bit,進而求解出每片永磁體所感生電壓的有效值，來評估每片永磁體對應的氣隙磁場總磁通量。

圖4 探查線圈繞制示意圖

測量結果如圖5所示，橫坐標為轉子磁極數，如36極轉子對應圖中36個波峰，縱坐標為永磁體對應的感生電壓值。我們對探查線圈感生出的對應每片永磁體的電壓波形進行積分，求出其有效值。

圖5 探查線圈兩端電壓波形

通過式(2)計算出轉子每片永磁體所對應感生電壓的有效值，并求出所有永磁體對應感生電壓有效值的平均值，將其作為評判每片永磁體感生電壓是否合格的基準電壓。

(2)

通過式(3)計算出轉子每片永磁體對應感生電壓與基準電壓差異百分比的絕對值，如果此絕對值小于等于規格要求，則判定為合格，否則不合格。另外，需要注意的是此規格需要根據客戶要求和批量生產時的采集數據以及對應的噪聲測試結果綜合設定。

(3)

式中：ΔVrms為轉子每片永磁體對應感生電壓與基準電壓差異百分比的絕對值。

4 ΔVrms檢測結果與噪聲測試結果對比分析

ΔVrms檢測可在反電動勢測試時同步進行，不占用總的生產時間。其測試報告和評判結果可以與反電動勢測量結果同步輸出，如圖6所示。

圖6 在線輸出報告

為了給出合理有效的ΔVrms設定值，我們對批量生產時不同ΔVrms值的轉子進行了相應的噪聲測試，測量結果如圖7所示。客戶要求在1 300 r/min、630 Hz下的噪聲值小于等于55 dB，為留有一定的生產余量，本文的ΔVrms規格值設定為小于等于16%。

圖7 不同ΔVrms值的轉子噪聲測試結果

由圖7可以得出，ΔVrms值越大的轉子，其噪聲測試結果越高；另外，我們還發現，在ΔVrms值約等于17%時，噪聲測試結果出現突變，且呈現指數級增長，在生產時一定要避免此類事件的發生。

采用此測量方法可以快速并有效地識別出轉子每片永磁體磁性能的波動，避免噪聲異常的產品流入市場。

5 結 語

通過以上理論分析和測量結果對比，我們可以得出以下結論：

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

2)ΔVrms值越大的轉子，其噪聲測試結果越高，在ΔVrms值上升到一定程度時，噪聲會出現突變，且呈現指數級增長；

3)ΔVrms測量法可以快速并有效地識別出轉子每片永磁體磁性能的波動，避免噪聲異常的產品流入市場。