一种能反映电机磁场状态的实验系统

阳 然， 贾玉荣， 王 辉， 陈宜林

(1. 清华大学 电机系, 北京 100084; 2. 台州通达机电有限公司, 浙江 台州 317100)

0 引 言

电机的气隙磁场是个抽象的不易理解的物理量，也是教学的难点。若能将电机运行时的气隙磁势状态用图形显示出来，将有助于观察、分析电磁场与电机运行的关系，加深对电机磁场的理解。随着电子技术和微处理技术的发展，这一设想已成为可能[1-2]。

本文介绍了电机控制系统的结构、原理，气隙磁势的绘制依据和计算方法，并对其在教学中的应用作了具体说明。

1 系统简介

电机气隙的磁场状态取决于定转子的机械结构、绕组的绕制形式和电流的性质。本系统以两相交流电机定、转子结构和绕组的为研究实体[3-4]。用微处理器产生SPWM信号，经驱动电路将直流电压逆变成交流电流后馈入电机绕组，当馈入电流满足一定条件时，便在气隙空间产生运行轨迹为圆形的旋转磁场。磁场的各种运行状态可通过键盘来控制。同时将电流的频率、幅值、相差、相序等参数经RS232串口送PC机处理，经PC机计算、处理成图形数据后送显示屏显示。图1(a)为仪器的结构框[5-10]。

(a)仪器结构框图(b)电机定子

图1 仪器结构图

图1(b)为安放绕组后的电机定子，在定子内放一圆形铁片，被磁化后的铁片将跟随旋转磁场同步转动。为了提高观察效果，让磁势缓慢旋转，本仪器采用低频电流运行。

2 界面设计

虽然定子内的圆铁片能反映磁场方向和速度，但不能反映磁场的幅值、时空分布和运行轨迹，也无法分析其性能和特点。为此，需要设计一个界面，把由下位机传来的磁场各种运行状态的信息和图形在界面上反映出来。

上位机的界面是按教学需要来考虑的，可用VB软件来编程。界面分上、中、下三部分，见图2。上部是标题、通讯状态和电流的各相关参数，如相序、频率、相差等，这是磁场状态变化的依据；中部是旋转磁场的时空状态图，包括磁势波形图、磁势旋转图和磁势运行轨迹图，这是界面的核心部分，也是我们观察分析的重点；下部是文本框，每当按动键盘改变电流参数时，旋转磁场运行状态就发生改变，同时文本框中便显示与磁场状态相对应的基本概念和公式。这种界面设计把电流参数、磁场状态及基本概念和公式融合在一起，有助于提高教学效率。图2为极对数P=2时对称磁场的运行界面[11-13]。

图2 旋转磁场实验演示界面

3 磁场状态分析

磁场的时空状态图是指界面上的磁势波形图、磁势旋转图和磁势轨迹图，下面来讨论时空状态图的特点及教学应用。

3.1 磁势状态图的绘制依据

假定定、转子气隙表面是光滑的圆，且不考虑绕组端部磁场，而以电机气隙横断面的主磁场为绘制对象。主磁场状态取决于绕组的分布结构和电流的性质，本系统的电机绕组是给定的。现选用极对数P=1的两相匝数相同的短距分布绕组，在定子铁芯上按空间相隔90°放置。为了便于讨论，用两相集中绕组Ax和By来等效替代它。再从导体A处切开，将气隙圆展成直线，取气隙为横坐标，表示角位移α；取Ax绕组截面的中线为纵坐标，表示磁势f，见图3。

fa=Fφcosωtcosα

(1)

fb=Fφcos(ωt-φ) cos(α-π/2)

(2)

当Ф=π/2时，可推算出其合成磁通势为：

(3)

式中：N为每相匝数；kdp为绕组系数；I为电流有效值。

依据上述3个数学式可绘制出两个脉振磁势的波形图和合成磁势图，见图4左侧 。图4右侧为旋转磁势图，并用不同的颜色表示磁场极性。

3.2 磁势对称运行状态的分析

由于两相电流幅值相等且在时间上是对称的，两相绕组在空间差90°电角度，则形成一个对称的磁通势。系统运行时，可通过按键来控制其运行状态，分析对称磁势性质。

(a) t1

(b) t2

(1) 脉振磁势与旋转磁势。系统运行时，用暂停键可捕获到极对数P=1时的2组不同瞬间的磁势波形图和旋转磁势图，2个瞬间t1和t2的磁势状态见图4。比较2个磁势波形图，可以看到Fa和Fb的幅值点只能上、下波动，而合成磁势F的幅值点平移了一个电角度α，且幅值大小不变。这就定性的说明，合成磁势为一等幅值的旋转磁势。还可看出合成磁势的幅值与脉振磁势的最大幅值相等，见图4(a)。如果测得任意两次捕获磁势状态图的时间差Δt、两个图中合成磁势的位移角Δα及电流的频率fp， 并能满足cos(2πfpt-α)=1，这就验证了合成磁势的表达式Fφcos(ωt-α)。

在实际运行时，磁势波形是连续变化的，可用暂停键抓住任何瞬间来对合成磁势的幅值点与表达式中的参数ωt、α和Fφ进行对照分析，弄清它们的时空关系。

这段演示帮助学生理解旋转磁场的成因，推算出旋转磁势的时空函数关系和幅值的大小，推演出“n相对称电流流入n相对称绕组形成旋转磁场”的概念。

(2) 电流相序对合成磁势影响。当通过按键改变电流相序时，在演示磁势波形图中可观察到两个脉振磁势到达正幅值的先后次序发生了变化，导致波形图的移动方向、旋转磁势图的旋转方向和铁片的旋转方向均发生改变。即合成磁势的方向取决于电流相序。

演示中还可引导学生观察旋转磁势的幅值点在空间的运行轨迹是什么样子？同时可引导学生观察旋转磁势的正幅值的位置与流过电流正向最大值的绕组的轴线位置间有何关系。来说明合成磁势的瞬间位置和电流幅值位置的关系。

图2中部就是P=1变到P=2时，对称磁场的时空状态图，其磁势波形图和旋转磁势图的极对数都增加了1倍，而转速降了1/2[14-16]。

3.3 磁势不对称运行状态的分析

当式(2)中的φ≠90°，或两相电流幅值不等时，形成不对称运行，从磁势状态图可看到不对称的程度和后果；若φ= 0，则从磁势状态图可看到其合成磁势仍为脉振磁势；当0°<φ<90°时，从磁势状态图可看到其合成磁势为幅值变化的旋转磁势，其运行轨迹图发生了畸变[16]。

图5是通过键盘仅改变电流相差时所观察到的一组不对称磁场空间运行轨迹。当P=1的其不对称时的运行轨迹近似为椭圆形，随着不对称程度继续增大，其空间运行轨迹为二叶形，见图5(a)和(b)；当P=2时，其不对称的空间运行轨迹为方圆形，见图5(c)；当不对称程度增大时其空间轨迹为四叶形，见图5(d)。轨迹的畸变反映了磁场强度的畸变，将导致力矩不均匀，使电机产生振动和噪声，严重时电机不能运行。

(a)P=1 φ=85°(b)P=1 φ=75°(c)P=2 φ=85°(d)P=2 φ=75°

图5 不同相差的磁势空间轨迹图

从以上分析可知，对称运行时合成磁势的幅值在空间是不变的，不论极对数多少，它在空间的运行轨迹都是个圆。但要做到完全对称是有难度的，轻微的不对称运行却普遍存在。影响对称的因素很多，如绕组位置、电流幅值、电流相差、谐波影响等。显然，在对称条件下，只要对电流的幅值或电流间的相差稍加改变，就变成不对称运行。

4 结 语

让学生自己动手，通过键盘控制电机的运行，通过图形将电机运行的各种磁场状态直观地显示出来，变抽象为具体，有助于学生掌握电机磁场的性能和特点，掌握电机运行状态和磁场状态的关联，加深对基本概念的理解。这一教学尝试对提高教学效率具有现实意义。本系统可拓宽至其他电机控制系统。

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