基于电流磁效应的定子反嵌测量系统设计

黄伟群 李信合 朱洁乐 蔡国浩

广东美创希科技有限公司 广东佛山 528000

0 引言

电机作为电器的动力源之一，由定子与转子构成。定子在绕组线圈嵌槽时，出现其中一个或多个槽的匝线圈嵌反了，该槽的电流方向与正常的工作方向相反，称为反嵌。出现反嵌的定子跟正常的转子组装成电机时，反嵌的绕线中流过的电流方向相反，使电机的磁动势不平衡，造成电机启动困难，三相电流不平衡，电机可能发生噪声、振动甚至烧毁[1]。现有的检测方式主要是通过电机综合性能自动测试系统[2]的功率因数，或者堵转电流等可以检测出来，从而判断异常。但是当成品测试出异常后，重新拆解分析，需要消耗大量的人力物力，还有可能破坏原先设计的系统性能，如匝间绝缘性能、电气绝缘性能。

对于电机的制造商，定子反嵌的检测有两层意义，一个是“能不能检测出来”；另一个是“能不能准确地指出反嵌的位置”。

本系统利用电流磁效应原理[3]，设计了一套专门用于检测定子反嵌的测量系统，通过给定子绕线组施加恒流源产生磁场，霍尔传感器检测磁场强度大小并通过霍尔信号判断磁场方向，通过软件算法计算出反嵌的不良定子，并指出对应的位置。系统采用芯片自动检测的方法，在组装成电机之前对定子测量，检测出不良的定子。通过实验研究证明，该检测方案能够有效且准确的指出反嵌的位置。

1 测量原理

根据奥斯特发现的电流磁效应原理，通电的导体周围产生磁场，那么把导体缠绕成线圈的形状后，周围磁场会增强，此时线圈相当于一个条形磁铁，产生的磁极用右手定则。

图1为三相Y型接法，18槽的定子绕线方式，每个槽的绕线等同于一个线圈，给单个绕线组通恒流源时，同相的6个线圈产生6个相同指向的磁场，磁场方向由电流的方向决定，同时指向内圈，或者同时指定外面。

图1 定子绕线方式

直流电产生的磁场强度的计算公式为：

式中：H为磁场强度，单位为A/m；N为励磁线圈的匝数；I为励磁电流（测量值），单位为A；Le为测试样品的有效磁路长度，单位为m。

定子中，每一槽线圈的匝数N相同，励磁电流I相同，磁路长度Le也相同，所以每一个槽产生的磁场强度也相同。但是，当定子绕线反嵌时，它的电流方向发生改变，磁场方向也发生改变。通过制作不同工装，在定子的中心，或者定子的外围，每个线圈的磁力方向放置一个霍尔传感器，对定子的每一个绕组施加一个恒流源，通过霍尔传感器的采样电路采样，然后通过MCU计算相对应的极性即可判断出反嵌的定子并指出相应的位置。

2 系统总体设计

总体的设计框图如图2所示，其中：

图2 系统整体方案设计框图

MCU控制系统：MCU最小系统，包括系统需要的其他单元如存储、DAC等，负责整个系统控制，用户按键指令的接收，结果的判定，以及控制显示等。

霍尔传感器采样小板：包括霍尔传感器及其电平转换电路，分体式的设计是为了兼容不同的定子槽极，方便做成定子的放置工装，工装用于定子的定位。

模拟开关：由于定子的槽极较多，而MCU的ADC采样通道有限，通过用模拟开关切换ADC的采样通道，达到扩充ADC的作用，使每一个槽极都有一个ADC采样通道。

按键模块：用户指令输入。

显示模块：显示用户的操作界面，以及结果的判断。

压控恒流源：用于给线圈施加电流，由于不同的产品线圈的圈数不同，产生的磁场强度不同，需要使用DAC或PWM控制恒流源电流的大小输出，使用霍尔传感器得到合适的信号。

继电器板：用于把恒流源输出切换至不同的绕组。

电源供电：AC-DC，用于给整个系统供电。

3 主要的硬件电路设计

本系统中的显示模块、控制算法、IO均需要占用较多的MCU资源，所以系统中采用STM32F407VET6[4]，ARM Cortex-M4内核，在定子测量系统中，主要负责的内容为：

（1）用户的输入（按键）以及输出（显示模块）；

（2）用DAC控制压控恒流源的输出电流大小，以及使用继电器把恒流源输出至不同的绕组；

（3）霍尔传感器的切换以及信号的采样；

（4）系统的控制与算法。

3.1 压控恒流源

根据直流电产生的磁场强度的计算公式：H=N×I/Le，不同的定子匝数N不一样，H就不一样，所以需要调节电流I，使用不同的定子，磁场强度可以被霍尔传感器检测。本系统中采用了精密程控恒流源的设计[5]，利用STM32内部自带的12位DAC，输出对应的电流。

3.2 霍尔传感器采样小板的设计

霍尔传感器采用的是HONEYWELL的线性霍尔传感器，其内部结构如图3所示，转换的性能如图4所示，其中，橫坐标的单位是高斯，它与式（1）标准的磁场强度的转换公式为：

图3 霍尔传感器内部结构

图4 霍尔传感器转换性能

由于该传感器的最大输出电压超过了模拟开关芯片的最大工作电压5 V，传感器小板的电平输出要有降压的电路设计，同时模拟开关芯片，以及ADC的输入也要有必要的过压保护电路。

4 软件与算法设计

4.1 软件的工作流程

流程的设计如图5所示，软件设计的主要注意事项如下：

图5 软件的工作流程图

（1）定子中每次接通一组绕组，如测量原理中的定子，第一次同时接通的槽级为1-4-7-10-13-16，第二次为2-5-8-11-14-17，第三次为

3-6-9-12-15-18。

（2）霍尔传感器每次以轮询的方式读取对应槽级的信号，如图6所示，在恒流源接通稳定之后读取，每个通道的读取为：打开通道→延时→读取第一个通道信号→关闭通道，顺序跟接通的槽级对应。

（3）恒流源在未接负载时，理论上输出电压为无限大，所以每次必须先闭合继电器接通负载之后再通恒流源。测量数据完毕，必须在关闭恒流源之后，再断开继电器。

（4）每一次操作时，Y-UVW必须相同，并且设置与实物一致，否则软件不能报出对应错误的槽级。

4.2 反嵌的判定算法

霍尔传感器在绕组未施加恒流源时，输出为5 V，当施加合适的恒流源之后，如果磁场正向穿过传感器，输出大于5 V；反向穿过传感器时，输出小于5 V。通过每一组绕线所有的磁极，判断绕线组中是否存在反嵌，异常时在测量完毕之后，在显示模块中显示出来。

极性的判断如图7所示，用户设定恒流源，极性判定的上下限。如正向时霍尔传感器输出7 V，反向为3 V。在软件中，大于7 V为1，小于3 V为0，3～7 V为不确定区间-1。

图6 轮询方式读取霍尔传感器输出

图7 极性的判定算法

图8 反嵌的判定算法

反嵌判定的算法如图8所示，第一次接通的绕线组槽级为1-4-7-10-13-16，那么读取的数值应全部＞7 V，即每一个槽级都为1；或者全部＜3 V，即每一个槽级都为0。如果同一个绕线组的6个槽级读取出来有1也有0，那么这个定子就是反嵌的定子。全为1，或者全为0取决于Y-UVW接好之后，霍尔传感器的安装方向。

5 测量结果验证

本实验的定子槽级为18，正常的定子结果如表1所示，定子的每一组绕线的槽级方向全部一致，全部为1。而当定子出现反嵌现象时，就会出现同一组同时出现1和0，如表2中第一组所示。

实验结果表明，Y-U组的第10个槽级反嵌的定子能够被准确有效的检测出来。

6 结论

本测量系统以电流的磁效应为基础，通过对绕线组施加恒流源，在定子的绕组外围增加霍尔传感器，利用MCU及其他的外围电路对定子绕组进行反嵌检测，实现对不良品的分辨。

表2 反嵌定子测试

实验结果表明，通过对采样数据进行方向性判断，结合相应的软件算法，可以有效检测出反嵌的定子，并清晰指出相应的位置。从而避免反嵌的定子组装成成品之后再检测，为电机制造商带来便利，节省了大量的人力与物力。