★ FEATURED ARTICLE 1. 先搞清楚AX/BY/CZ是哪来的如果你是在无刷直流电机或者永磁同步电机的资料里第一次看到“AX、BY、CZ”多半会下意识地认为这是一组空间坐标轴。我在刚入行做电机测试的那段时间也这么想过结果跑去问老工程师对方把原理图往桌上一摊指着绕组端子的标号说“这不就是A相、B相、C相绕组的两个出线端吗”那一下我才发现同一个写法在不同场合下可以有完全不同意思。要回答“直流无刷电机AX BY CZ怎么划分的是不是按照垂直轴线划分的”不能只看字面。AX、BY、CZ在电机圈里至少有三种常见出处三相绕组端子标号A相绕组两个端子标成A-XB相标成B-YC相标成C-Z。这种标法多出现在出厂图纸、接线端子和维修手册里。它描述的是“线”不是“轴线”。三相绕组轴线代号把每一相绕组的磁动势中心线称为A轴、B轴、C轴有些文献习惯写成a、b、c。这里讨论的“轴”指空间上的一条方向线不是物理上的一根铁心。电磁场有限元后处理结果磁场矢量位或者磁感应强度在X、Y、Z方向上的分量可能显示为AX、AY、AZ或BX、BY、BZ。名字里带“AX”但含义和绕组完全无关。网友问的问题里明确提到“直流无刷电机”所以重点其实是第2种三相绕组的轴线到底怎么划分。把轴线划分方式弄清楚了再回头看垂直轴线这个说法就会发现这里面混进了好几个很容易混淆的坐标系。2. 三相绕组轴线是按什么划分的不是垂直是电角度2.1 三相轴线其实只有一条参考线加上两条等间隔线任取一台正常的三相无刷电机定子上有三套绕组。把电机拆开后从端面看每套绕组在气隙圆周上有自己的分布范围合起来形成一个合成磁动势。理论分析时我们不去管绕组的每一个槽而是用一个方向箭头代表这一相绕组的“轴线”这条轴线的方向就是该相绕组产生磁通的主要方向。A相轴线的位置是人为约定的参考零度。B相轴线的位置相对A相滞后120度电角度。C相轴线相对A相滞后240度电角度换句话说相对B相再滞后120度。所以完整的划分规则是三相互差120度电角度而不是按空间直角坐标轴那样两两垂直90度。这里的关键词是“电角度”。一台2极电机定子一圈机械360度刚好对应360度电角度B相和A相在空间上就真的相差120度机械角度。但如果是一台4极电机一对磁极只占半圈机械角度一整圈机械360度对应的是720度电角度。此时B相和A相的机械夹角就不是120度而是60度。极对数pA/B轴机械夹角说明1120°机械角度与电角度相等最容易误认为是固定值260°4极电机常见很多人直接用120度去对槽位结果对不上340°6极电机按40度机械角布置430°8极电机常见小型盘式电机里经常会算错2.2 为什么偏偏是120度而不是130度或者90度三相对称系统的基本要求是三相电流相位互差120度。定子绕组只有在空间上也按照120度电角度对称布置每一相产生的脉振磁动势才能合成出一个幅值恒定、转速均匀的旋转磁动势。如果三相互差90度三相电流还互差120度合成磁场会变成一个椭圆电机转起来会有明显转矩脉动噪音和振动都会变大。这也解释了为什么我们不说“按垂直轴线划分”。垂直轴线给人的第一反应是X轴、Y轴、Z轴那种两两正交的坐标关系比如直角坐标系或者数控机床的直线轴。无刷电机的三相绕组轴线如果做成两两垂直三相合成磁动势就不满足对称条件根本无法稳定运转。2.3 “垂直轴线”的说法本身也有两个更合理的落脚点把“垂直轴线”放到电机结构里看有两种解释勉强说得通。一种解释是三相绕组轴线都位于同一个与旋转轴垂直的平面内。电机转轴沿水平方向延伸绕组所在的横截面垂直于转轴从磁场角度看A、B、C轴都在这个横截面上。如果问“三相轴是不是都垂直于电机旋转轴”答案是肯定的每一条相轴的方向都落在和转轴垂直的端面内。但这只是描述几何位置关系并不代表划分方式。另一种解释是控制里常说的d轴和q轴也就是直轴和交轴这两个轴在转子同步旋转坐标系里才是真正相差90度电角度的正交轴。有些人把“垂直轴线”理解成d/q轴那确实一个直轴、一个交轴互相垂直。可d/q轴与定子A/B/C轴是完全不同的坐标系不能混为一谈。3. 从定子三相轴到转子d/q轴划分结果为什么重要3.1 绕组轴线是静止的转子轴是旋转的定子三相绕组轴线固定在电机端面上不管你什么时候去看A、B、C三条方向线之间保持120度电角度不变。转子上的d轴和q轴却不一样它们跟着转子一起转d轴指向转子永磁体磁极中心q轴位于两个磁极中心之间也叫交轴。要让无刷电机转起来控制板必须知道转子d轴当前处于什么位置。控制软件得到转子位置后再通过三相逆变器决定什么时候给A相绕组通电、什么时候给B相绕组通电。如果定子A/B/C轴线的划分不清楚转子初始位置角就没办法准确标定六步换相或者矢量控制的输出自然也会乱套。3.2 从三相坐标变换到d/q坐标角度关系一目了然做矢量控制的工程师都熟悉Clark变换和Park变换。Clark变换把三相静止坐标变换成两相静止坐标也就是把A轴定为α轴把滞后A轴90度电角度的方向定为β轴。Park变换再把α/β坐标变换成跟着转子旋转的d/q坐标变换角度就是转子d轴相对A轴的电角度。整个过程最容易出错的地方就是角度符号的约定。不同控制器用的约定不一样有的把A相超前方向定为正角度。有的把A相滞后方向定为正角度。有的把电机按顺时针定义为正转有的按逆时针定义为正转。我曾经调过一台带霍尔传感器的无刷电机霍尔安装位置偏差了5度软件里又没有补偿结果电机低速还能转一到高速电流就开始发散最后查出来是初始角标定错了。这个角度本质上和绕组轴线划分高度相关轴线参考没定准后面所有变换全跟着错。3.3 霍尔信号与三相轴线对应的判断技巧带霍尔传感器的无刷直流电机三个霍尔元件通常按120度电角度间隔安装。霍尔信号组合和换相表存在严格的对应关系每60度电角度切换一次。我实测时习惯先把电机转子用手拨到几个固定位置用万用表量出霍尔信号再把换相表和示波器的反电动势波形做对比。最常见的规律是转子位置接近A相反电动势峰值时霍尔信号正好切换到某个组合。把A相轴线作为0度参考霍尔信号切换点大多落在30度、90度、150度这些位置。不同设计会有细微差异但整体规律不变。4. 实操自己动手确认一台无刷电机的A/B/C轴4.1 先看定子绕组槽分布机械角按极对数换算拿到一台没有任何铭牌资料的直流无刷电机想确认它的A/B/C轴最直接的办法是看定子槽数和绕线方式。先数出定子槽数Z再看磁钢极对数p计算每极每相槽数q。如果q等于整数绕组分布比较规整三相轴线位置容易判断。q等于分数也没关系关键是找出一相绕组所占据的槽号计算这些槽的中心位置这个中心方向就是该相绕组的轴线。举个例子一台24槽4极的三相无刷电机极对数p2每极每相槽数q24/(2×3×2)2。如果A相线圈集中在第1、第2槽以及第13、第14槽那么A相合成磁动势的中心大致在第1槽方向和第13槽方向上。4极电机的A相轴线只取其中一条作为参考B相轴线与它相差60度机械角。这里经常有人算错4极电机并不妨碍三相轴线互差120度电角度因为机械夹角是120度除以极对数2得60度。如果直接用120度去找槽位就会找到另一相或者空槽。4.2 用测反电动势的办法确定相位关系绕组内部结构看不清或者没有图纸时我更喜欢用示波器直接测反电动势。方法很简单把电机四根线里的三相线分别接示波器三个通道剩下的中性线接地用手快速匀速转动转子。正常情况下三个通道应该看到三组正弦波波形相位差正好是120度电角度。如果接的是线电压而不是相电压波形本身仍然是正弦但相位关系要再换算一次。很多人在这里踩坑测出来波形是对的认为绕组轴线没问题实际是把相电压和线电压搞混了。测量时还应该记录电机转动方向。反转时波形超前滞后的顺序会交换这跟控制器的相序设定直接相关。同一个波形正转和反转看到的A/B/C顺序完全反过来不是电机本身出问题只是相对关系变了。4.3 对比霍尔信号来验证初始零位没有示波器或者现场只有万用表也可以用直流电源加阻值测量确定轴线。先找到三相绕组中电阻最小的一对端子这就是某一相绕组的两个端。给这一相通入很小的直流电流转子会被拉到与这一相轴线对齐的位置。此时转子会呈现明显的定位转矩用手转一圈能感觉到几个“卡位”。利用这个卡位特性可以粗略确定A相轴的位置。给A相通正向直流电转子N极会被吸到A相轴线方向附近断电后转子停在的位置就能作为角度参考点。再给B相通电转子会再被拉到B相轴方向两个停靠位置之间的机械夹角如果等于120度除以极对数说明电机正常也说明你找到的两相轴线没有找错。这个方法虽然简单粗糙却是老维修师傅最常用的做法零基础也能操作。唯一的注意点是通入电流不要过大时间不宜太长避免绕组发热烧毁。5. 仿真软件里的AX、BY、CZ是同一个意思吗5.1 有限元结果里的AX更多是磁位分量如果你是在Maxwell、ANSYS或JMAG这类电磁仿真软件里看到AX、BY、CZ这三个名的意思又变了。磁场计算里常用矢量磁位A来描述磁场分布。矢量磁位有三个分量Ax、Ay、Az也就是矢量磁位在X、Y、Z三个方向上的投影。很多后处理表格里的列名直接写成AX、AY、AZ如果几何模型的坐标轴命名恰好是X、Y、Z这里出现的“AX”和绕组的“A相轴”完全不是一回事。有些软件里还会看到BX、BY、BZ这是磁感应强度B的三个分量。把BX看成B相X方向就会闹笑话。这些字母只是物理量名字加坐标分量后缀和电机相序没有直接关系。Ax/Ay/Az | 矢量磁位A在X/Y/Z方向的分量 Bx/By/Bz | 磁感应强度B在X/Y/Z方向的分量 AX/BY/CZ | 绕组端子或绕组相别的代号作用在产品端 abc轴 | 每相绕组磁动势中心线的空间方向5.2 在仿真里查看轴线划分要用磁力线而不是分量名真正想从仿真结果里看三相绕组的轴线划分不应该去找AX、BY这些字段而要看磁力线分布或者气隙磁密波形。以一台永磁无刷电机为例给A相单独通入直流电流其他两相开路后处理里画出磁力线分布。磁力线最密集、且方向沿着径向穿透气隙的位置就是A相轴线所在位置。再把A相电流改为零给B相通电B相轴线也能找出来。这种“单相通电看磁力线”的方法和数据表里的分量名完全不同它描述的是实际空间位置也是我在做电机设计时用来确认绕组对称性的常用手段。如果你所在的仿真软件里没有专门显示轴线的功能用这个方法做验证最可靠。6. 现场排查与最终结论垂直轴线的误会从哪来6.1 常见故障相序错、初始角偏、极数误判实际调试无刷电机时如果电机堵转、抖动或者转速不稳定我一般先按下面顺序排查第一确认电机相序与控制器相序对应。把A、B、C三相同的任意两根对调电机可能反转也可能出现缺相抖动。判断相序的方法是用示波器看反电动势让正转方向与控制器设定的方向一致。第二确认霍尔信号与三相轴线的初始零位。霍尔传感器安装位置不是随便定的它要与A相轴线的位置精确对应。换过霍尔或拆装过端盖初始角一般都要重新标定。第三确认铭牌极对数与软件设定一致。我说过4极电机B相和A相在机械空间上相隔60度如果软件里按2极或4极写错电角度直接差一倍电机能转但极速和力矩完全不对。排查顺序整理成表方便现场对照故障现象优先怀疑对象最可能的根因电机完全不动相序、驱动使能A/B/C三线接错启动抖动霍尔信号、初始角传感器安装偏或初始角度补偿不对高速失步、电流发散极对数、速度环相位极对数设置错电角度差倍数关系反转相序或方向字两根相线对调或者控制方向字反了6.2 给“垂直轴线”一个容易记住的结论现在可以把最开始的问题完整回答一遍了。直流无刷电机的AX/BY/CZ按严格的说法是按“三相绕组磁动势轴线”划分的空间上互差120度电角度。极对数为1时机械上也是120度极对数为p时机械夹角为120/p度。它不按垂直轴线划分原因很简单三相轴线之间的夹角是120度不是90度。如果你看到的资料里说A/B/C轴互相垂直那大概率写的是d/q轴而不是三相绕组轴。6.3 一条来自实操的经验我自己的体会是轴线划分这件事不要只看平面图最好结合实物来对。图纸上的A、B、C轴线画得再清楚到了现场还要面对旋变零位、霍尔位置、电机转向这些变量。最省事的做法是建立一套固定流程先定相序再定机械角度最后标定电角度零位。每台电机拿到手里都把这三步走一遍记录下霍尔信号的各切换点与三相反电动势的对应关系之后无论做测试还是做控制都会顺很多。把原始数据保存下来哪怕过了几个月再碰这台电机也能直接查表而不是重新猜一遍。
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