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直流無刷電機和無刷直流電機信息智能網(wǎng)

淺談直流電機參數(shù)的測試和估計
2022-06-20

直流電機 直流電機（direct current machine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能（直流電動機）或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機）的旋轉(zhuǎn)電機。它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。 組成結(jié)構(gòu) 直流電機的結(jié)構(gòu)應由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。 定子 （1）主磁極 主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成。 鐵心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以調(diào)整氣隙中磁場的分布，又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個主磁極用螺釘固定在機座上， （2）換向極 換向極的作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。換向極繞組用絕緣導線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數(shù)目與主磁極相等。 （3）機座 電機定子的外殼稱為機座。機座的作用有兩個： 一是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個電機的支撐和固定作用； 二是機座本身也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機座具有足夠的機械強度和良好的導磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。 （4）電刷裝置 電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào)好以后加以固定。 轉(zhuǎn)子 （1）電樞鐵心 電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。 一般電樞鐵心采用由0.5mm厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，以降低電機運行時電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。 （2）電樞繞組 電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢，是直流電機進行能量變換的關(guān)鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈（以下稱元件）按一定規(guī)律連接而成，線圈采用高強度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進行綁扎。 （3）換向器 在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流， 使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應產(chǎn)生的交變電動勢轉(zhuǎn)換為正、負電刷上引出的直流電動勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣。 （4）轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。 工作原理 直流電機里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖?，因此此時轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機能保持一個方向轉(zhuǎn)動。 直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢， 靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑怼? 感應電動勢的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指向?qū)w運動方向，其他四指的指向就是導體中感應電動勢的方向）。 導體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉(zhuǎn)電機里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉(zhuǎn)動。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來。 為了建立以直流電機為執(zhí)行機構(gòu)的控制系統(tǒng)，需要建立電機的數(shù)學模型，建立電機的數(shù)學模型有兩種方法，一是通過牛頓力學定律和克?；舴螂娐范?，和已知的電機參數(shù)建立電機的動態(tài)數(shù)學模型；二是通過系統(tǒng)辯識的辦法識別出電機結(jié)構(gòu)模型的具體參數(shù)。這里先論述一下第一種方法。 直接進行電機的參數(shù)測試，辦法也很多，這里先弄出一份來。 1.永磁電機組成 2. 永磁直流電機等效電路。 3.測量轉(zhuǎn)子電阻 對于那些不是做設(shè)計的測量，那么拿個萬用表直接測量下也無防，但是現(xiàn)在是想建立一個準確的數(shù)學模型，那我們還是認真點，盡量測準確些。當給電機供電后一會，電機將穩(wěn)定的在一個轉(zhuǎn)速上，這時候繞組電感上因電流變化引起的壓降消失了，就說電機的進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。根基克希霍夫電路定律得方程。 如果通電后強制電機軸不動，那么饒組上的反電動勢也為零，因為： （2） 由此，電機電阻的堵轉(zhuǎn)測試方法出來了，如下： 注意，轉(zhuǎn)子電阻對電機溫度，轉(zhuǎn)子在電機內(nèi)的位置是敏感的，在電機參數(shù)的測量中，方程基本上是線性方程，被測量可以表達成線性方程的斜率，可以憑借MATLAB里的曲線擬合工具獲得被測量。 4.測量電勢常數(shù)（速度常數(shù)） 從方程（2）中，第一種想法就是讓電機軸以一已知的速度轉(zhuǎn)起來（不是給電機供電轉(zhuǎn)起來的），測量繞組上的端電壓，由方程（2）計算出電勢常數(shù)。 不過水到渠成的辦法是繼承轉(zhuǎn)子電阻測量過程的成果，給電機供電空轉(zhuǎn)，根據(jù)端電壓、電流的測量值，可以計算出反電動勢，同時測量電機空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，然后再根據(jù)方程（2）計算出電勢常數(shù) 在這兩種方法中，可以比較兩種方案 用SIMULINK協(xié)助選擇測試儀表（原創(chuàng)），哪一種測量方法得到測量結(jié)果更準確點？ 測試方法一，間接測量反電動勢，再計算電勢常數(shù)。 測量數(shù)據(jù)擬合如下： 把方程（3）與方程（2）合并的。 V/I=ke（w/I）+Ra （23） 由公式（23）可知，按照方法一，擬合實驗數(shù)據(jù)一次可得到兩參數(shù)Ke（電勢常數(shù)）和繞組電阻Ra。擬合如下： 5.測量扭矩常數(shù) 有些文章說，在SI單位體制下，扭矩常數(shù)數(shù)值上等于電勢常數(shù)。那就不用測量了，呵，下面的簡單推導將顯示這種相等并不實際，其實也就是說如果考慮精細的建模，非線性的問題就成為重點。 根據(jù)能量守恒原理，如果電能完全轉(zhuǎn)化為機械能，那么： E*I=T*w Ke*w*I=Kt*I*w Ke=Kt 可見，Ke=Kt的條件是完全有效的能量轉(zhuǎn)化，但這是不可能的。 電機軸上的力矩方程是：T=Kt*i （4） Kt取決與磁場強度、磁體的幾何形狀、鐵心、繞組線圈等。 一種用于測試扭矩常數(shù)的方法是用測力計配合普朗尼制動裝置來測的，普郎尼制動裝置的原理示意如下： r是電機軸上套的輪轂半徑，用彈性良好的繩子在輪轂上繞一或兩圈，在測力計一測，繩子繞在一個環(huán)圈上，環(huán)圈鉤在測力計上，給電機供電壓，電機轉(zhuǎn)動，最終電機堵轉(zhuǎn)，用測力計測出f1和f2，則T=（f1-f2）*r.另外用電流表測出電機電流。擬合力矩電流數(shù)據(jù)集，得扭矩常數(shù)，如下擬合圖： 6.測量粘滯摩擦系數(shù) 電機軸空載加速轉(zhuǎn)動動力方程（6-1） 電機軸空載勻速轉(zhuǎn)動方程（6-2） 電機軸摩粘滯摩擦系數(shù)（6-3） 當電機空轉(zhuǎn)時 ，軸上外力矩為零，理想情況下電流應該為零，其實不然，電機軸上存在軸承摩擦，轉(zhuǎn)子與定子間的空氣擾動，繞組的鐵損耗等。這些因素導致空載損失，把它建模成機械損失力矩，這個損失力矩是軸速度的函數(shù)。根據(jù)6-3，可以實驗求取粘滯摩擦系數(shù)。擬合曲線如下圖，可見粘滯摩擦系數(shù)并不是個常數(shù)，所以對電機準確建模并不那么簡單，這條曲線在某一點的導數(shù)就是粘滯摩擦系數(shù)，你該怎么用它來建電機的模型呢？ 7.測量電感 用方程6，又進行電機堵轉(zhuǎn)測試， 因為Ra*i項值很小，La就近似等于，你不近似也可以，自己把Ra*i算進去。 注意了，這個測試要求萬用表能捕捉電流的變化率，也就是說這是個暫態(tài)響應的測試，要求萬用表有足夠的動態(tài)性能。

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