張穩(wěn)橋，曾曉松，魏雪環(huán)，劉 勇

(貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

近40多年以來(lái)，伴隨著電力半導(dǎo)體工業(yè)、自動(dòng)控制技術(shù)以及稀土永磁材料的快速發(fā)展，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)電機(jī))因其高功率密度、高效率、控制方式簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、機(jī)器人、家用電器、電動(dòng)玩具等行業(yè)，逐漸取代有刷電機(jī)成為工業(yè)領(lǐng)域隨處可見(jiàn)的伺服裝置[1-3]。

從控制方法上區(qū)分，電機(jī)可分為無(wú)位置傳感器控制和有位置傳感器控制，常用的無(wú)位置傳感器控制方法為通過(guò)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)從而控制逆變電路中晶體管的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電子換相[4]，該控制方法雖然有減小電機(jī)體積、線路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也具有當(dāng)電機(jī)停止或轉(zhuǎn)速很低時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)無(wú)法檢測(cè)或因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)使得氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變從而不能準(zhǔn)確地檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)等缺點(diǎn)。目前，有位置傳感器控制方式中，霍爾元件為主要的位置傳感器[5]。對(duì)于電機(jī)中霍爾元件的理論位置分析，吳小江、周灝、譚建成、王萍等已在相關(guān)文獻(xiàn)[4-7]中作了詳細(xì)闡述，本文以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例，旨在提出一種在工程設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)單快速地判斷霍爾元件理論位置的方法，并分析在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中影響霍爾元件實(shí)際位置的幾種因素。

1 直槽電機(jī)霍爾元件理論安裝位置分析

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理可以簡(jiǎn)單概括為：反映主轉(zhuǎn)子位置的霍爾位置傳感器的輸出信號(hào)，通過(guò)電子換向電路去驅(qū)動(dòng)與電樞繞組連接的相應(yīng)功率開(kāi)關(guān)元件，使電樞繞組依次導(dǎo)電，從而在電樞繞組上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁感應(yīng)后，使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并使電機(jī)以一定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾傳感器不斷輸出變化的高低電頻信號(hào)，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終一致，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸換流。因此，精準(zhǔn)的霍爾元件理論位置對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)換相有著至關(guān)重要的意義。

霍爾元件的理論位置主要由電樞繞組磁勢(shì)位置決定，具體位置還與電機(jī)轉(zhuǎn)向、控制器的控制邏輯真值表、霍爾元件工作原理等因素有關(guān)。因此在分析霍爾元件的理論位置前，有必要作出如下約定：

1)霍爾元件為鎖存型霍爾集成電路。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)霍爾元件輸出信號(hào)的占空比為50%，即邏輯1和0各占180°電角度。當(dāng)霍爾元件標(biāo)志面朝向磁極N極時(shí)，其輸出為邏輯1，當(dāng)霍爾元件標(biāo)志面朝向磁極S極時(shí)，其輸出為邏輯0，若霍爾元件標(biāo)志面背向跟蹤磁極，則輸出邏輯恰好相反。

2)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，控制器的控制邏輯與導(dǎo)通方式對(duì)應(yīng)表見(jiàn)表1(A、B、C代表三相繞組)，即某相的霍爾元件信號(hào)上跳沿出現(xiàn)時(shí)，該相繞組開(kāi)始正向?qū)?，某相的霍爾信?hào)下跳沿出現(xiàn)時(shí)，該相繞組開(kāi)始反向?qū)āｋ姍C(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，控制器的加電順序相反。

表1 控制器控制邏輯與導(dǎo)通方式對(duì)應(yīng)表

3)若電機(jī)有跟蹤磁極，則跟蹤磁極決定霍爾元件信號(hào)的跳變，其極性應(yīng)和主磁極對(duì)應(yīng)。

1.1 霍爾元件分布與電樞繞組磁勢(shì)關(guān)系分析

基于上述約定，文獻(xiàn)[8]中已表明霍爾元件位置分布可通過(guò)磁勢(shì)軸線分布來(lái)確定，并詳細(xì)分析了霍爾元件位置與電樞繞組磁勢(shì)對(duì)應(yīng)關(guān)系，此處不再贅述。為方便讀者參考，直接引用其結(jié)果，即每對(duì)磁極下有兩組共六個(gè)霍爾元件位置可選擇，兩組位置恰好相差180°電角度，且這些位置均與三相繞組磁勢(shì)軸線重合，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2(FA、FB、FC分別代表A、B、C三相對(duì)應(yīng)的正向磁勢(shì)軸線)。

表2 霍爾元件理論位置與三相繞組磁動(dòng)勢(shì)軸線對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2 直槽電機(jī)三相繞組磁勢(shì)軸線分布分析

通過(guò)1.1節(jié)的分析，我們知道了霍爾元件位置與繞組磁勢(shì)位置相對(duì)應(yīng)，因此在工程設(shè)計(jì)中，為了快速精準(zhǔn)地確定霍爾元件位置，高效準(zhǔn)確地分析出繞組磁勢(shì)分布顯得尤為重要。本節(jié)分別以12槽4極整數(shù)槽電機(jī)和9槽6極分?jǐn)?shù)槽電機(jī)為例，提出一種能夠快速確定電機(jī)磁勢(shì)分布的方法。

1.2.1 12槽4極電機(jī)三相繞組磁勢(shì)軸線分布分析

整數(shù)槽電機(jī)三相繞組磁勢(shì)軸線可直接根據(jù)右手螺旋定則得出。12槽4極電機(jī)為例，繞組展開(kāi)圖如圖1所示，分析某相繞組磁勢(shì)分布時(shí)，均假定電流從該相繞組抽頭流入，則根據(jù)右手螺旋定則易得出其三相繞組磁勢(shì)分布，如圖2所示(說(shuō)明：圖中阿拉伯?dāng)?shù)字為槽序號(hào)，規(guī)定磁勢(shì)方向由電樞內(nèi)側(cè)指向外為正)。

圖1 12槽4極電機(jī)繞組展開(kāi)圖

圖2 12槽4極電機(jī)磁勢(shì)分布圖

1.2.2 9槽6極電機(jī)三相繞組磁勢(shì)軸線分布分析

9槽6極電機(jī)為分?jǐn)?shù)槽電機(jī)，其繞組磁勢(shì)判斷較整數(shù)槽電機(jī)復(fù)雜，需引入虛擬單元電機(jī)的概念：設(shè)定子槽數(shù)為Z，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為p，則存在一t值使得Z=Z0t，p=p0t(t為Z和p的最大公約數(shù))，原電機(jī)由t個(gè)單元電機(jī)組成。分析磁勢(shì)軸線分布時(shí)，可將單元電機(jī)等效為極對(duì)數(shù)為1、槽數(shù)為Z0的電機(jī)來(lái)分析磁勢(shì)分布。因此，簡(jiǎn)化為單元電機(jī)后，所有繞組的磁勢(shì)相量和便是該相繞組的合成磁勢(shì)。

9槽6極電機(jī)繞組展開(kāi)圖如圖3所示，該類(lèi)電機(jī)極對(duì)數(shù)為3，因此該類(lèi)電機(jī)可等效為由3個(gè)3槽2極的單元電機(jī)組成。以1、2、3槽組成的單元電機(jī)來(lái)分析其磁勢(shì)軸線分布，假設(shè)三相均通入正向電流，則單元電機(jī)各相繞組電流方向如圖4所示，使用右手螺旋定則得到各繞組磁勢(shì)分布如圖5所示。根據(jù)電機(jī)繞組分布規(guī)律，電樞上相差180°電角度為相反磁勢(shì)，相差360°電角度為相同磁勢(shì)，得到9槽6極電機(jī)電樞磁勢(shì)分布如圖6所示。

圖3 9槽6極電機(jī)繞組展開(kāi)圖

上述分析中，磁勢(shì)位置直接體現(xiàn)在電樞鐵芯上，比較直觀，方便設(shè)計(jì)師將常用極槽配合電機(jī)的電樞繞組磁勢(shì)分布圖建立成設(shè)計(jì)平臺(tái)，作為工具備查，可大大提高霍爾元件位置設(shè)計(jì)效率。

1.2.3 霍爾元件位置分布規(guī)律

從圖6容易看出，繞組磁勢(shì)各間隔60°電角度，可作為霍爾元件對(duì)應(yīng)位置的一組磁勢(shì)中，三相繞組磁勢(shì)各間隔120°電角度或者240°電角度。

經(jīng)分析，在更多極對(duì)數(shù)的電機(jī)中，除上述兩種情況外，可作為霍爾元件對(duì)應(yīng)位置的一組磁勢(shì)間隔角度，還可為480°電角度、600°電角度、840°電角度……由此可以看出，三個(gè)霍爾元件間隔角度可為120°電角度的整數(shù)倍(去除360°電角度整數(shù)倍)。

2 定子鐵心斜槽對(duì)霍爾元件位置的影響

對(duì)于整數(shù)槽電機(jī)，為了減小齒槽轉(zhuǎn)矩，往往將鐵心中相鄰沖片的槽錯(cuò)開(kāi)一定角度，便得到斜槽的鐵心。使用斜槽鐵心的電樞，繞組磁勢(shì)分布和使用直槽鐵心的電樞必定有差異，從而影響霍爾元件的理論位置。定子鐵心斜槽方式共兩種，如圖7所示。

圖7 定子鐵心斜槽方式示意圖

當(dāng)鐵心按照?qǐng)D7(a)中方式斜槽時(shí)，從電樞出線端看，所有槽往逆時(shí)針?lè)较蛐?，因此繞組跟著往逆時(shí)針?lè)较蛐保瑥亩鴮?dǎo)致繞組磁勢(shì)位置往逆時(shí)針?lè)较蚱啤＜僭O(shè)鐵芯斜一槽，則出線端沖片與非出線端沖片正好錯(cuò)開(kāi)一槽，如圖8所示。電樞可以做這樣一個(gè)等效，每塊沖片與繞組單獨(dú)形成電樞，之后再按照一定角度錯(cuò)開(kāi)疊加得到整個(gè)電樞，設(shè)鐵芯有n塊沖片，出線端沖片為第1塊，形成電樞為電樞1，依次往非出線端排序，則非出線端沖片為第n塊，形成電樞為電樞n。假設(shè)電樞1中有某一磁勢(shì)FA1，則電樞n中與該磁勢(shì)有一對(duì)應(yīng)磁勢(shì)FA2，F(xiàn)A1與FA2方向恰好錯(cuò)開(kāi)一個(gè)槽的角度，且大小相等，對(duì)這兩個(gè)磁勢(shì)求和，得到FA，則FA在FA1的基礎(chǔ)上往逆時(shí)針?lè)较蛐绷税雮€(gè)槽的角度；同樣，第2塊沖片、第(n-1)塊沖片的對(duì)應(yīng)磁勢(shì)合成后會(huì)得到與FA大小相等、方向相同的磁勢(shì)。所有磁勢(shì)合成后方向仍與FA相同。因此，鐵芯斜槽的電樞等效磁勢(shì)方向較直槽時(shí)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了斜槽角度的一半，從而與該磁勢(shì)對(duì)應(yīng)的霍爾元件空間位置應(yīng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)相同角度。

圖8 定子鐵心斜槽后磁勢(shì)合成示意圖

通過(guò)以上分析，可得出如下結(jié)論：若定子鐵心按圖7(a)方式斜槽，則霍爾元件空間位置較直槽時(shí)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)斜槽角度的一半；若定子鐵心按圖7(b)方式斜槽，則霍爾元件空間位置較直槽時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)斜槽角度的一半。

3 電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中影響霍爾元件實(shí)際位置的因素

在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)以上方法，能確定霍爾元件的理論位置。但是在電機(jī)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，還有一些因素會(huì)導(dǎo)致霍爾元件的實(shí)際位置偏離理論位置，從而影響電機(jī)性能，甚至導(dǎo)致電機(jī)不能正確完成換相，列舉如下：

1)霍爾元件在印制板上的焊接位置偏離設(shè)計(jì)理論位置；

2)電機(jī)裝配完成后，霍爾元件對(duì)應(yīng)電樞繞組的位置偏離理論位置；

3)對(duì)于使用跟蹤磁極反映主磁極極性的電機(jī)，跟蹤磁極與主磁極極性不完全對(duì)應(yīng)。

針對(duì)以上影響因素，在電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，需注意下列事項(xiàng)：

1)霍爾元件焊接機(jī)械化或使用工裝保證霍爾焊接位置與理論位置對(duì)應(yīng)；

2)設(shè)計(jì)時(shí)確認(rèn)電樞與機(jī)殼的相對(duì)位置，在生產(chǎn)中采取方法保證電樞壓裝完后與機(jī)殼的相對(duì)位置和 理論設(shè)計(jì)一致；

3)保證跟蹤磁極與主磁極極性對(duì)應(yīng)。

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析，可得出如下結(jié)論：

1)霍爾元件可能理論位置由電樞磁勢(shì)位置決定，霍爾元件實(shí)際理論位置由電機(jī)轉(zhuǎn)向和真值表等要求決定；

2)霍爾元件的理論位置與電樞鐵心是否斜槽有關(guān)；

3)電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的人為因素會(huì)導(dǎo)致霍爾元件的實(shí)際位置偏離理論位置，可能使電機(jī)出現(xiàn)換相問(wèn)題。