永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁性能在線檢測方法及應(yīng)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(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，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。隨著國家能耗標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高，永磁電機(jī)在工業(yè)和家用電器中的應(yīng)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(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)的在線檢測方式，一般只檢測轉(zhuǎn)子反電動(dòng)勢和轉(zhuǎn)子表面磁場，無法有效且快速檢測出轉(zhuǎn)子每片永磁體對應(yīng)的氣隙磁場總磁通量，從而導(dǎo)致振動(dòng)噪聲異常的產(chǎn)品流向客戶。文獻(xiàn)[1]對小功率電動(dòng)機(jī)的出廠檢測項(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]對永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的出廠檢測項(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)勢常數(shù)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但都未提及對轉(zhuǎn)子每片永磁體磁性的出廠檢測。

本文以洗衣機(jī)用外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，通過理論分析、實(shí)際檢測數(shù)據(jù)與噪聲測試數(shù)據(jù)對比，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。

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(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)取向的磁場也不同。

圖1 磁疇預(yù)取向磁場分布圖

對不同模穴永磁體制成的轉(zhuǎn)子分別進(jìn)行了噪聲測試，測試結(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。從測試結(jié)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(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)在線檢測方法及其局限性

2.1 反電動(dòng)勢檢測

針對三相對稱繞組電機(jī)，兩相線線間繞組對應(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)勢檢測的是一段時(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)勢測試只能測量出轉(zhuǎn)子的平均磁性能，而某一片永磁體所對應(yīng)的磁性能或局部磁性能的差異無法有效評估。

2.2 轉(zhuǎn)子永磁體表面磁通量檢測

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子永磁體表面上某一圓周的磁場性能，無法對整個(gè)轉(zhuǎn)子永磁體面域進(jìn)行性能檢測，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(fù)雜，不適用于大批量的快速在線檢測。

圖3 轉(zhuǎn)子永磁體表面磁通量檢測設(shè)備

3 新型在線檢測方法——ΔVrms測量法

感生電動(dòng)勢公式：

E=4.44fKωNLΦ

(1)

式中：E為感生電動(dòng)勢；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(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)多少取決于測量設(shè)備的精度和量程，通過電壓數(shù)據(jù)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(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，來評估每片永磁體對應(yīng)的氣隙磁場總磁通量。

圖4 探查線圈繞制示意圖

測量結(jié)果如圖5所示，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子磁極數(shù)，如36極轉(zhuǎn)子對應(yīng)圖中36個(gè)波峰，縱坐標(biāo)為永磁體對應(yīng)的感生電壓值。我們對探查線圈感生出的對應(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

通過式(2)計(jì)算出轉(zhuǎn)子每片永磁體所對應(yīng)感生電壓的有效值，并求出所有永磁體對應(yīng)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(zhǔn)電壓。

(2)

通過式(3)計(jì)算出轉(zhuǎn)子每片永磁體對應(yīng)感生電壓與基準(zhǔn)電壓差異百分比的絕對值，如果此絕對值小于等于規(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)以及對應(yīng)的噪聲測試結(jié)果綜合設(shè)定。

(3)

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

4 ΔVrms檢測結(jié)果與噪聲測試結(jié)果對比分析

ΔVrms檢測可在反電動(dòng)勢測試時(shí)同步進(jìn)行，不占用總的生產(chǎn)時(shí)間。其測試報(bào)告和評判結(jié)果可以與反電動(dòng)勢測量結(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)的噪聲測試，測量結(jié)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(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)子噪聲測試結(jié)果

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

采用此測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。

5 結(jié) 語

通過以上理論分析和測量結(jié)果對比，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)級增長；

3)ΔVrms測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。