黃偉群 李信合 朱潔樂 蔡國(guó)浩
廣東美創(chuàng)??萍加邢薰?廣東佛山 528000
電機(jī)作為電器的動(dòng)力源之一,由定子與轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子在繞組線圈嵌槽時(shí),出現(xiàn)其中一個(gè)或多個(gè)槽的匝線圈嵌反了,該槽的電流方向與正常的工作方向相反,稱為反嵌。出現(xiàn)反嵌的定子跟正常的轉(zhuǎn)子組裝成電機(jī)時(shí),反嵌的繞線中流過的電流方向相反,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)了一套專門用于檢測(cè)定子反嵌的測(cè)量系統(tǒng),通過給定子繞線組施加恒流源產(chǎn)生磁場(chǎng),霍爾傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小并通過霍爾信號(hào)判斷磁場(chǎng)方向,通過軟件算法計(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。
根據(jù)奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流磁效應(yīng)原理,通電的導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場(chǎng),那么把導(dǎo)體纏繞成線圈的形狀后,周圍磁場(chǎng)會(huì)增強(qiáng),此時(shí)線圈相當(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槽的定子繞線方式,每個(gè)槽的繞線等同于一個(gè)線圈,給單個(gè)繞線組通恒流源時(shí),同相的6個(gè)線圈產(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。通過制作不同工裝,在定子的中心,或者定子的外圍,每個(gè)線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,通過霍爾傳感器的采樣電路采樣,然后通過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。
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。
模擬開關(guān):由于定子的槽極較多,而MCU的ADC采樣通道有限,通過用模擬開關(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:用戶指令輸入。
顯示模塊:顯示用戶的操作界面,以及結(jié)果的判斷。
壓控恒流源:用于給線圈施加電流,由于不同的產(chǎn)品線圈的圈數(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。
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。
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。
霍爾傳感器采用的是HONEYWELL的線性霍爾傳感器,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了模擬開關(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)模擬開關(guān)芯片,以及ADC的輸入也要有必要的過壓保護(hù)電路。
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)。
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)正向穿過傳感器,輸出大于5 V;反向穿過傳感器時(shí),輸出小于5 V。通過每一組繞線所有的磁極,判斷繞線組中是否存在反嵌,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。
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)。
本測(cè)量系統(tǒng)以電流的磁效應(yīng)為基礎(chǔ),通過對(duì)繞線組施加恒流源,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。