★ FEATURED ARTICLE 前两天群里有人发了个问题直流无刷电机AX、BY、CZ到底怎么划分的是不是按垂直轴线分的这问题看着基础结果跟帖里吵了一晚上。有人拿出驱动板三相桥臂图有人搬出Clarke变换里的αβ坐标还有人直接说三相绕组就是互相垂直的。我当时就想这几乎是把好几个不同坐标系的概念全搅在一起了。今天就把这事从头到尾捋一遍从AX/BY/CZ到底是什么到定子圆周上的真实排布再到维修拆机时怎么判断、接线时怎么确认相序一次性讲透。1. AX/BY/CZ到底指什么先分清相绕组和接线端子1.1 每相绕组不是一根线而是一组线圈加两个引出端很多刚接触无刷电机的人看到AX、BY、CZ第一反应是定子上有六条线、三个绕组或者干脆当成六个端点符号。实际上AX、BY、CZ表示的是三套独立绕组每一套绕组都有自己的“首端”和“末端”A相绕组的首端叫A末端叫XB相绕组的首端叫B末端叫YC相绕组的首端叫C末端叫Z。这和我们上学时学的三相变压器绕组标记完全同源只不过变压器铭牌上写的是A-X、B-Y、C-Z电机图纸里也一样。每个绕组在定子上不是简单绕一圈而是由多个线圈组串联或并联组成的。A相绕组可能嵌在好几个槽里可能有好几个极相组但它们最终只汇成两个接线端也就是A和X。所以AX的本质不是“两个独立端子”而是“一相绕组的整个支路加上它的两个对外连接点”。说“AX相”也好说“A相绕组”也好指的都是同一样东西。1.2 星形接法下X、Y、Z连在一起三角形则首尾相扣无刷电机最常见的接线是星形接法也就是把X、Y、Z三个末端在电机内部或者接线盒里短接成一个公共点外部只引出A、B、C三根相线。这种情况下你要在端子上找X/Y/Z是找不到的它们已经焊在公共点了。所以拿到一台三线无刷电机测量任意两相之间都有通路阻值还基本相等就是因为三相绕组的一端被内部星点并在一起了。三角形接法则是把每一相绕组的末端和下一相的首端依次连接A连到Y、B连到Z、C连到X形成闭合环路外部同样是A、B、C三根出线。三角形接法在普通异步电机里很常见但直流无刷电机特别是小型BLDC几乎都是星形接法因为方波驱动和FOC控制都默认三相负载有一个虚拟或真实的中性点。1.3 为什么行业内用X/Y/Z而不是A1/A2有朋友问既然叫首末端直接叫A1、A2、B1、B2不好吗实际维修和图纸里如果绕组有抽头或者多套绕组A1、A2容易被理解成“A相的第1号出线端”和“A相的第2号出线端”和首末端的概念会产生歧义。而X、Y、Z专门表示末端和首端A、B、C形成固定对应关系图纸上看到“A-X”就知道是完整的一相看到“X-Y”就明白这是星点连接线。老设备上还能看到写“AX”一个字母组的端子排意思就是这一相绕组的两个线头都引出来了方便改接成Y或Δ。理解这层再看绕组展开图就不会被六个字母吓到。2. 三相绕组在定子圆周上怎么排核心是120°电角度2.1 电角度和机械角度要先换算不然一切都会算错回到群里那个问题“按垂直轴线划分吗”答案很明确不是。三相绕组的空间排布依据是电角度互差120°而不是机械上互相垂直的90°。这俩概念必须先分开。电角度是和磁场周期绑定的角度。转子转一圈如果极对数为p定子绕组感应的电动势就变化p个完整周期一个周期就是360°电角度。所以机械上看起来很小的角度差在电气上可能已经相差很大。电角度θe与机械角度θm的换算关系是θe p × θm其中p是极对数。例如一台4极电机极对数是2机械角差30°在电气上就是60°电角度机械角差60°就是120°电角度。而2极电机极对数是1120°电角度对应的机械角就是120°。2.2 不同极数下三相轴线的机械间隔完全不同三相绕组要求基波磁动势在电气上互差120°。换算成机械间隔会得到一张非常直观的表极数极对数p三相轴线机械间隔2极1120°4极260°6极340°8极430°10极524°所以你在定子圆周上去量的话4极电机A相和B相轴线之间隔60°机械角8极电机隔30°。如果真按“垂直轴线”每隔90°放一相那造出来的电机电气上完全错乱反电动势也不会是互差120°的三相对称波形。2.3 极槽配合决定具体槽位而不是用尺子画三条轴线理解了120°电角度还要知道怎么落到具体槽号上。定子圆周均匀分布着Z个槽以一台4极24槽电机为例每极每相槽数q的计算方法是q Z / (相数 × 极数) 24 / (3 × 4) 2槽也就是说每个极面下每个相要占2个槽。极距τ Z / 极数 24 / 4 6槽。按60°相带排列一个极面下有6个槽三相刚好每相2个槽三相绕组沿圆周按A、C、B或A、B、C的顺序循环出现而不是互相垂直地分布在定子上。实际槽号分配需要画绕组星形图但核心原则就一句槽位由极槽配合算出来电气相位由槽号和极对数决定三者单独拧出一项来都拼不出一台能正常转的电机。3. “垂直轴线”这个错位的三个来源3.1 把Clarke变换里的αβ轴当成了物理绕组“垂直轴线”这个说法最可能的出处来自电机控制里的坐标变换。Clarke变换把三相静止坐标系ABC变换到两相静止坐标系αβα轴和β轴是互相垂直的Park变换再把αβ旋转到dq旋转坐标d轴和q轴也是电气上相差90°的。于是很多人看到控制框图里αβ两个坐标轴垂直就误以为电机定子上的AX、BY、CZ也是按垂直关系划分的。这完全是数学变换和物理绕组的错位。αβ轴是一种等效变换工具目的是把三相耦合的数学模型简化成两相解耦的形式并不是在定子圆周上真正放置两个互相垂直的线圈。同样dq轴垂直是在转子磁场定向控制里的概念是等效出来的交直轴不是A/B/C三相绕组轴线的关系。3.2 历史上真的存在两相正交电机但不是三相无刷电机如果把时间拉回到早期伺服系统确实有两相交流伺服电机主绕组和励磁绕组在空间上相差90°电角度靠相位差90°的两相电源旋转磁场工作。这种电机和控制方式在一些老设备和教科书里出现就会给人留下“电机绕组就是垂直排列”的印象。但我们现在讨论的是三相直流无刷电机不是两相电机。三相系统为了产生旋转磁场并减少谐波定子绕组在电气上必须互差120°这是由对称三相系统的数学条件决定的。用两相正交的思路去套三相无刷电机从根上就错了。3.3 驱动板电路图里桥臂画法强化了错觉还有一个非常现实的原因无刷电机驱动板的原理图里三相全桥逆变器通常画成三个桥臂并排六个开关管上下排列看起来像三个垂直的结构。还有人把电机端子A、B、C画在右侧看上去也像互相垂直的三条线。看惯了这些电路图再去看电机内部绕组脑子里自然会浮现“垂直”两个字。我整理了一张对照表把这几个容易混淆的概念全部拆开概念属于什么系统相位/空间关系是否是实体绕组A/B/C三相绕组轴线物理定子绕组电角度互差120°是αβ静止坐标轴控制数学变换垂直90°否dq旋转坐标轴转子磁场定向垂直90°否两相伺服电机绕组历史设备电角度互差90°是但不是三相BLDC驱动板三相桥臂电子线路布局图画成并列垂直否看完这张表就知道“AX/BY/CZ按垂直轴线划分”是把坐标变换、老式两相电机、电路图画法三样东西的错误认知全部叠到了一块儿。4. 实测确认AX/BY/CZ和相序从万用表到示波器4.1 先测直流电阻判断接线方式是星形还是三角形理论讲完落到实际。拿到一台不明参数的直流无刷电机第一步是判断内部接法。用万用表电阻挡或者毫欧表测任意两根引出线之间的电阻。星形接法下任意两根线之间都是两相绕组串联线电阻基本等于两倍单相绕组电阻三角形接法下两根线之间是一相绕组直接并联另外两相串联等效电阻大约是单相电阻的三分之二。如果三组测量值基本相等说明三相绕组对称状态基本正常。这里有个实操提醒BLDC绕组电阻非常小大功率电机可能只有几十到几百毫欧普通万用表误差很大。最好用四线制毫欧表或者给绕组通一个稳定的直流电流测压降除电流来算电阻。我调试时遇到过一个人拿普通万用表量出三相电阻差20%吓得差点把电机拆了换毫欧表一量其实三相对称得很。4.2 六根引线情况下的同名端判别电池法仍然是土办法里的最优解有些电机把A、X、B、Y、C、Z六个端子都引出来了比如需要外部改接或者双绕组切换的情况。这时要先分清楚哪两个端子属于同一相用万用表通断挡就能测出来。三对绕组分清楚后还要确认每一对的首末端极性关系也就是找同名端。最实用的办法是电池感应法任选一个绕组接一节干电池串联一个限流电阻再任选另一个绕组接直流毫伏表或微安表。在电池接通瞬间观察表针摆动方向。如果表针正向偏转说明电池正极所接端与电表正极所接端是同名端如果反向偏转则异名端。这个方法我在老式异步电机维修时用过很多次换成无刷电机同样适用只是要注意限流电阻和短时间操作别让绕组长时间通直流电发热。4.3 只有三根引线时用反电动势波形定相序如果电机内部已经接成星形X/Y/Z缩在肚子里那外部没法直接用通断法找首尾端。这时最可靠的手段是让电机转起来看反电动势波形。把三根线分别接示波器用手快速拧转子或用另一台电机带转正常情况下三个通道会看到互为120°的正弦或梯形波。三个波形在时间轴上谁先到零点、谁是延迟120°还是240°转动方向固定的话就能确定A、B、C的相序。我在驱动器调试时常用这个办法判断电机和驱动器的相序是不是匹配比盲目交换线头然后给电试转安全得多至少不会因为相序错而烧驱动。4.4 霍尔传感器怎么对位三分靠看波形七分靠换相表有感无刷电机除了三根相线还有霍尔线。霍尔信号也是三路互差120°电角度但它们在圆周上的安装位置不一定跟绕组轴线完全重合。不同厂家的霍尔零点定义差别很大有的霍升降沿对应反电动势过零点有的对应换相点。只看霍尔波形没法直接得出“AX在哪个位置”必须结合实际转子位置和驱动器换相表来对。这里有一个我踩过很多次的坑盲目交换两根相线让电机反转但霍尔线没动结果电机虽然反转了换相表全错电流暴涨、噪声巨大、转起来像一个破风扇。解决方法是把霍尔信号中的两路也对调同时更新换相导通表或者干脆查厂家资料里的霍尔序列表再改代码。只动相线不动霍尔基本都会出事。5. 拆机重绕时槽号归属判定纸上算清楚手上才能嵌对5.1 每极每相槽数和跨距必须一起算真正拆过电机的人知道AX/BY/CZ的划分在嵌线图里最直观但也最容易看错。定子上均匀开槽要确定A相绕组占哪些槽需要先确认三个参数极数、槽数、跨距。极距τ表示一个磁极占多少槽公式是τ Z / 极数。跨距是线圈两个有效边的槽距整距绕组跨距等于极距短距绕组跨距小于极距。每极每相槽数q在前面算过qZ/(3×极数)。这三个数定了整个绕组的展开图就能画出来。很多维修工嵌线时只记“这个电动机是跨1到7”或者“跨1到6”但没算过为什么。其实跨距不是随便取的它与极距和短距系数直接相关短距绕组能削弱高次谐波改善反电动势波形。对无刷电机来说反电动势波形影响的是驱动器换相和转矩脉动所以重绕时跨距一旦改错修出来的电机噪声明细变大转矩还发闷。5.2 24槽4极实例A相绕组到底占了哪些槽拿24槽4极电机做例子前面已经算出极距τ6槽q2槽。按60°相带排列以每极面为单位槽1到槽6是N极下三相轮流占位例如槽1、2为A相有效边槽3、4为C相有效边槽5、6为B相有效边。下一个极面槽7到槽12重复同顺序于是A相的有效边落在槽1、2、7、8、13、14、19、20也就是说A相绕组由4个极相组组成每个极相组含2个槽的线圈4组再按首尾规律串联或并联引出A和X两个端子。B相和C相的有效边则分别落在与A相隔120°电角度对应的槽号上。这里必须提醒我说的“A相有效边”是一个线圈边所在槽不等于这个槽完全属于A相。实际嵌线往往是双层绕组同一槽里上层边和下层边可能分属不同相所以槽6的下层也许属于A相某线圈的另一边但槽6的上层属于B相。只数槽号而不看槽内上下层关系拆机时很容易把线圈组数错。5.3 线圈绕向和极性接反反电动势会互相抵消绕组划分正确还不够每个极相组的绕向和接线顺序也必须正确。同一相绕组的不同极相组在磁极极性反过来的位置绕向也要跟着反或者接线时首尾对调才能保证各线圈感应电动势方向一致。如果某个极相组绕反了或者连接极性接反该组反电动势会和其他组抵消一部分。从端子上看直流电阻依然对称正常得很但只要一转起来反电动势严重畸形空载电流偏大转速拉不上去驱动器还会频繁报过流。这种故障用万用表测不出来必须用示波器测三相反电动势对比波形或者拆开核对每组的绕向。5.4 现场快速判断三层检查顺序别乱结合我自己的经验拆一台出问题的无刷电机判断是否涉及绕组划分错误检查顺序应该是先量直流电阻排除断路、短路和三相不平衡。手转电机测反电动势波形观察三相是否对称、相位是否互差120°。如果反电动势不对称再拆机查线圈跨距、每极每相槽数和极相组连接方向。这个顺序能在不拆机的情况下筛掉大部分问题。我见过不少人一上来就拆定子结果发现是驱动器的问题白白浪费半天。先电气后机械先外部后内部这是维修电机的基本原则。6. 驱动与控制角度看绕组划分这对实际调试非常重要6.1 相序接反的典型表现和判断方法绕组划分最终要体现在驱动器上。如果AX/BY/CZ相序和驱动器三相输出对不上比如A相接到了驱动器B相、B相接到了C相电机通电后的表现通常是三种通电抖动一下不转低速时电流特别大或者反转但力矩明显不足。如果没有任何负载有时也能转起来转速却和设定对不上还会伴随高频啸叫。判断是不是相序问题最简单的办法是交换任意两相引线再试。如果原来抖动的电机突然能转或者反转的电机变成正转基本可以确定就是相序错位。注意实验时电流要限制在额定范围内否则相序错误状态下反复尝试很容易把MOS管烧掉。6.2 方波驱动下霍尔换相表必须和绕组相序一起改有感方波控制比无感控制更依赖绕组划分和霍尔位置的精确匹配。60°换相的逻辑里六步换相表的每一行都对应一组霍尔状态和一组功率管导通组合。A/B/C三相空间分布一旦不同霍尔状态和相线导通的关系就要重新排。我在调试无刷水泵时遇到过编码写得很合理的换相表但电机就是转不顺最后发现是电机厂把B相和C相在接线端子上的定义和常规相反。解决办法不是改电机而是把换相表里B/C相关的导通组合整体对调。这个经验提醒我换相表永远要基于实际接线的相序而不是默认假设A黄B绿C红。6.3 无感FOC重绕后要重新对零位无感FOC通过反电动势观测器估算转子位置对绕组参数和反电动势波形非常敏感。如果电机因为重绕改变了跨距或极相组连接反电动势过零点相对转子的位置可能变化好几个电角度原来标定好的电角度零点就不准了。实际项目里换过定子或者重绕过绕组的电机再上无感FOC调试我一般不沿用旧参数而是重新做一遍参数辨识和反电动势相位锁定。有初始定位能力的系统还要重新测试强制定位脉冲方向免得转子的实际N极方向和软件判断的0°方向对不上。这个对位工作省不掉省了后面就是电流环振荡。6.4 一点个人经验把AX/BY/CZ当成“完整一相”来思考最后分享一个我自己的习惯不要老想着AX是两根线、BY是两根线然后尝试在圆周上找六条线之间的几何关系。把AX、BY、CZ当成三套完整绕组三套绕组在电气上互差120°电角度在机械上由极对数换算成对应的角度这才是正解。控制算法里那些垂直坐标系只是分析工具不是定子上的实体结构。想通这一点以后再遇到“无刷电机绕组怎么划分”的问题就不会把数学坐标、老式电机和电路图画法三种概念混在一起了。
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