CN104950257A - 开放式绕组永磁同步电机测试***及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开放式绕组永磁同步电机测试***及测试方法，该***包括通过扭矩传感器同轴连接的永磁同步负载电机和被测开放式绕组驱动电机的常规测试***，在被测开放式绕组驱动电机壳体上增设的压电式加速度传感器、温度传感器、驱动电机逆变器壳体上的驱动电机逆变器温度传感器、并联在驱动电机逆变器上的手动控制板，所述的扭矩传感器、旋转变压器、驱动电机温度传感器和驱动电机逆变器温度传感器、压电式加速度传感器、驱动电机电流传感器和驱动电机逆变器电流传感器、电源电压传感器分别与数据采集卡通讯连接。可对开放式绕组电机的绕组状态进行实时、动态切换，可实现切换过程中电机的振动及扭矩波动、电机和逆变器***的温升进行测量。

Description

开放式绕组永磁同步电机测试***及测试方法

技术领域

本发明涉及一种开放式绕组永磁同步电机的测试台架装置及基于该测试装置测试开放式绕组永磁同步电机工作性能的方法。

背景技术

近年来，混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车等新能源车辆正在蓬勃发展。在新能源车辆中，以电动机为动力源的电驱动技术得到了广泛的应用，也对车用动力电机提出了更为严格的要求，这就促使了各种新型电机和电驱动技术的诞生。由永磁同步电机发展而来的一种新型电机——开放式绕组永磁同步电机就是其中之一。该电机具有永磁同步电机的全部优点，而且比永磁同步电机控制灵活、调速范围大，更适合驱动车辆的要求。

然而，目前国内外对开放式绕组电机的测试台架***和测试方法还很不成熟。除了对电机测试台架可以实时调节并测量电机的扭矩、转速的基本功能要求之外，开放式绕组电机涉及到运行模式的切换。如最简单的三相开放式绕组电机，其运行模式就可以在Y形及Δ形之间切换。在切换过程中，将产生电机本体的振动及转矩波动；而传统的电机测试台架***无法对该振动及转矩波动进行有效的测试。此外，开放式绕组电机运行模式切换的重要条件之一就是电机及逆变器的运行效率，所以针对开放式绕组电机的测试台架***应能实时地对当前电机及逆变器效率进行准确测量。而且，开放式绕组电机采用的是双逆变器***，其功率元器件数量是普通永磁同步电机的2倍，其发热情况也需要进行针对而细致的测试；电机不同运行模式之间电机本体和逆变器***的发热情况也需要进行对比；这就要求该测试台架***可以对电机本体和逆变器***的温升进行测试和记录。另外，由于目前量产的开放式绕组电机较少，测试台架***应对各种外形、功率、绕组数不同的开放式绕组电机具有一定的通用性；测试台架应可使用普通电机控制器对开放式绕组电机进行控制。

综上所述，现有的电机测试台架***无法满足对开放式绕组永磁同步电机进行有效而全面的测试，需要针对此类电机重新开发一种测试台架***及测试方法。

发明内容

本发明的目的在于为克服目前对开放式绕组电机的测试台架***和测试方法存在的技术缺陷，提出一种对各种外形、功率、绕组数不同的开放式绕组电机具有一定的通用性的开放式绕组永磁同步电机测试***及测试方法。

本发明开放式绕组永磁同步电机测试***，包括分别通过负载电机支架、驱动电机支架设置在一台架两端的永磁同步负载电机和被测开放式绕组驱动电机、通过扭矩传感器支承设置在永磁同步负载电机和被测开放式绕组驱动电机之间的扭矩传感器，扭矩传感器的轴两端分别通过双膜片弹性联轴器与被测开放式绕组驱动电机的输出轴和永磁同步负载电机的输出轴相连，套置在永磁同步负载电机输出轴上的旋转变压器，永磁同步负载电机和被测开放式绕组驱动电机分别通过负载电机逆变器和驱动电机逆变器并联在直流母线上，连接在负载电机逆变器上的负载电机控制器、连接在驱动电机逆变器上的驱动电机控制器、设置在连接被测开放式绕组驱动电机和驱动电机逆变器电路间的驱动电机电流传感器、设置在连接驱动电机逆变器和直流母线电路间的驱动电机逆变器电流传感器、设置在直流母线上的电源电压传感器、计算机和与其通过串行总线相连的数据采集卡；

还包括设置在所述的被测开放式绕组驱动电机壳体上的压电式加速度传感器、驱动电机温度传感器、设置在驱动电机逆变器壳体上的驱动电机逆变器温度传感器、并联在驱动电机逆变器上的手动控制板，所述的扭矩传感器、旋转变压器、驱动电机温度传感器和驱动电机逆变器温度传感器、压电式加速度传感器、驱动电机电流传感器和驱动电机逆变器电流传感器、电源电压传感器分别与数据采集卡通讯连接；

所述的手动控制板由控制电路和工作电路两部分组成：

控制电路包括低压直流电源DY、触发传感器CG1、总开关K1、选择器开关S1、S2、S3、接触器线圈KD1、KD2、KD3、KD4、KD5、KD6、KD7、KD8、KD9，选择器开关S1的2个分路分别与接触器线圈KD1、KD2串联组成选择电路Ⅰ，选择器开关S2的3个分路分别与接触器线圈KD3、KD4、KD5串联组成选择电路Ⅱ，选择器开关S3的4个分路分别与接触器线圈KD6、KD7、KD8、KD9串联组成选择电路Ⅲ；这3个选择电路并联后与低压直流电源DY、总开关K1、触发传感器CG1串联；触发传感器CG1的接口h与所述的数据采集卡通讯连接，以传递绕组切换的触发时间信号；

工作电路由9个回路组成，回路1中串联有接触器动合触点KM1，用于将三相开放式绕组电机切换为最大转矩绕组状态；回路2中串联有接触器动合触点KM2，用于将三相开放式绕组电机切换为最高转速绕组状态；回路3中串联有接触器动合触点KM3，用于将五相开放式绕组电机切换为最大转矩绕组状态；回路4中串联有接触器动合触点KM4，用于将五相开放式绕组电机切换为过渡绕组状态；回路5中串联有接触器动合触点KM5，用于将五相开放式绕组电机切换为最高转速绕组状态；回路6中串联有接触器动合触点KM6，用于将七相开放式绕组电机切换为最大转矩绕组状态；回路7中串联有接触器动合触点KM7，用于将七相开放式绕组电机切换为第一过渡绕组状态；回路8中串联有接触器动合触点KM8，用于将七相开放式绕组电机切换为第二过渡绕组状态；回路9中串联有接触器动合触点KM9，用于将七相开放式绕组电机切换为最高转速绕组状态；各回路的端口分别与驱动电机逆变器相对应的相桥臂中点相连接；工作电路中的接触器动合触点KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、KM9分别由控制电路中的接触器线圈KD1、KD2、KD3、KD4、KD5、KD6、KD7、KD8、KD9控制。

基于本发明测试***的开放式绕组永磁同步电机的测试方法，包括工作区域计算、定绕组试验和变绕组试验，具体作法如下：

通过工作区域计算获得电机在各绕组状态下的工作区域：

1)读取电机相数m、最大功率P、电机在星形绕组状态下的最大转矩Tmax0、恒功率区起始转速n0和最高转速nmax0；

2)计算电机具有的绕组状态数

3)令当前电机绕组状态编号i分别取1～(k-1)，则第i绕组状态下的电机最大扭矩为电机恒功率区起始转速为电机最高转速为 $n\max i=nmax0\×2sin\left(\frac{i\mathrm{\π}}{m}\right);$

4)在第i(i＝0,1,…,k-1)绕组状态下，电机的工作区域如下：

当0≤n<ni时，0≤T≤Tmaxi；式中n为电机转速，T为电机扭矩；

当ni≤n<nmaxi时，0≤T≤9550P/n；

当n≥nmaxi时，T＝0。

定绕组试验：

通过定绕组试验获得在电机工作区域内每个测试点被测驱动电机的效率、驱动电机逆变器***的效率、被测驱动电机的工作温度和驱动电机逆变器***的工作温度指标；在每个绕组状态下的定绕组试验完成后，就会得到该绕组状态下的以驱动电机转速n、驱动电机扭矩T为自变量，驱动电机效率η_m、驱动电机逆变器效率η_i、驱动电机温度T_m、驱动电机逆变器温度T_i为因变量的图谱；

具体步骤如下：

1)根据测试要达到的精度，由试验者设定测试转速间隔Δn和转矩间隔ΔT，以确定各个测试工作点的转矩、转速；将程序烧入驱动电机和负载电机控制器；

通过手动控制板将电机置于需要测试的绕组状态，接通直流母线电源，打开数据采集终端机，打开数据采集开关；

2)按顺序加载驱动电机的工作点；每一个工作点加载完毕后都执行步骤3)；

3)每一个工作点加载完毕后，试验者判断驱动电机扭矩T、驱动电机转速n，以及驱动电机效率η_m及温度T_m、驱动电机逆变器效率η_i与温度T_i读数是否稳定？若读数稳定，试验者记录下驱动电机在当前扭矩T、转速n下的驱动电机效率η_m、逆变器效率η_i、驱动电机温度T_m、驱动电机逆变器***温度T_i；否则等待上述各项读数稳定后重新执行此步骤；

4驱动电机卸载，负载电机转速逐渐降至0；试验者关闭数据采集开关，直流母线断电；计算机输出以驱动电机转速n、扭矩T为自变量，以当前绕组状态工作区域为自变量取值范围，以驱动电机效率η_m、逆变器效率η_i、驱动电机温度T_m、驱动电机逆变器***温度T_i为因变量的图谱；

上述定绕组试验步骤2)中所述的驱动电机工作点的加载顺序为：转速n从Δn开始，每挡增加Δn，直至当前绕组状态下的最高转速nmaxi为止；在每挡转速n下，扭矩T从ΔT开始，每个测试点增加ΔT，直至由当前绕组状态工作区域决定的该挡转速下最大扭矩为止。

上述定绕组试验步骤3)中所述的驱动电机效率ηm由公式计算获得，驱动电机逆变器效率η_i由公式是计算获得，其中：T是由扭矩传感器测得的驱动电机扭矩，n是由旋转变压器测得的驱动电机转速，U是由电源电压传感器测得的母线电压，I₁是由电流传感器测得的单相驱动电机电流，I₂是由驱动电机逆变器电流传感器测得的单相逆变器电流，T_m是由驱动电机温度传感器测得的驱动电机温度，T_i是由驱动电机逆变器***温度传感器测得的驱动电机逆变器***温度；扭矩、转速、效率读数稳定的标准是与稳态值相差2％以内，温度读数稳定的标准是60秒内变化0.5℃以内。

变绕组试验：

通过变绕组试验获得被测驱动电机在每个测试点进行绕组切换时的瞬时最大振动加速度、瞬时最大扭矩波动、扭矩稳定时间指标。变绕组试验完成后，就会得到关于任意两个相邻绕组切换的，以驱动电机转速n、驱动电机转矩T为自变量，绕组切换时的最大瞬时振动加速度a_max、瞬时最大扭矩波动ΔT_max以及绕组切换后的扭矩稳定时间t为因变量的图谱。

具体步骤如下：

1)根据变绕组试验要达到的精度，设定测试转速间隔Δn和转矩间隔ΔT，以确定各个测试工作点的转矩、转速；将程序烧入驱动电机和负载电机控制器；接通直流母线电源，打开数据采集终端机，设置电机绕组相数；打开数据采集开关；

2)按顺序加载驱动电机的工作点；并在每个工作点通过手动控制板按顺序切换驱动电机的绕组状态；在每次切换驱动电机的绕组状态后都执行步骤3)、4)；

3)判断驱动电机扭矩T是否稳定在稳态值的2％以内？如果是，在数据采集面板上截取从绕组切换的触发时刻开始至此时的驱动电机表面的振动加速度a与电机扭矩T的时域曲线；否则等待电机扭矩T稳定后重新执行此步骤；

4)在截取的曲线中提取驱动电机在当前扭矩T、转速n下的最大瞬时振动加速度a_max、瞬时最大扭矩波动ΔT_max以及绕组切换后的扭矩稳定时间t；

5)驱动电机卸载，负载电机转速逐渐降至0；关闭数据采集开关，直流母线断电；计算机输出以驱动电机转速n、驱动电机转矩T为自变量，绕组切换时的最大瞬时振动加速度a_max、瞬时最大扭矩波动ΔT_max以及绕组切换后的扭矩稳定时间t为因变量的图谱。

上述变绕组试验步骤2)中所述的驱动电机工作点的加载顺序为：转速n从Δn开始，每挡增加Δn，直至所有绕组状态中的最高转速nmax为止；在每挡转速n下，扭矩T从ΔT开始，每个测试点增加ΔT，直至由所有绕组状态工作区域之并集决定的该挡转速下最大扭矩为止。步骤2中每个工作点驱动电机绕组状态的切换顺序为，从当前工作点所处工作区域中包含的最大转矩绕组状态开始，按绕组状态工作区域的最大转矩逐次下降为原则，逐次切换为当前工作点所处工作区域中包含的最高转速绕组状态。

上述变绕组试验步骤3)中所述的T是由扭矩传感器测得的驱动电机扭矩，a是由压电式加速度传感器测得的驱动电机表面的振动加速度；变绕组试验步骤4)中所述的扭矩稳定时间t从绕组状态切换时开始计时，到扭矩波动的一个周期内波动幅度不超过稳态扭矩的2％结束。

本发明开放式绕组永磁同步电机测试***具有以下优异技术效果：

目前国内外对开放式绕组电机的测试台架***和测试方法还很不成熟。普通电机测试台架可以实时调节并测量电机的扭矩、转速，但不能对开放式绕组电机进行绕组状态切换。本测试***可以在测试过程中对开放式绕组电机的绕组状态进行实时、动态切换。在绕组切换过程中，将产生电机本体的振动及扭矩波动，原有测试***无法对该振动、扭矩波动及扭矩稳定时间进行测量，而本测试***可以对该振动及扭矩波动、扭矩稳定时间进行测量和记录。而且，开放式绕组电机采用的是双逆变器***，其功率元器件数量是普通永磁同步电机的2倍，其发热情况也需要进行针对而细致的测试；电机不同运行模式之间电机本体和逆变器***的发热情况也需要进行对比；本测试***可以对电机本体和逆变器***的温升进行测试和记录。另外，由于目前量产的开放式绕组电机较少，本测试***对各种外形、功率、绕组数不同的开放式绕组电机具有一定的通用性；测试台架通过手动控制板可使用普通电机控制器对开放式绕组电机进行控制，而无需开发专门的开放式绕组电机控制器。

附图说明

图1是本发明开放式绕组永磁同步电机测试***组成结构示意图；

图2是本发明开放式绕组永磁同步电机测试***电路连接示意图；

图3是图1中所示手动控制板19的电路原理图；

图4是三相开放式绕组永磁同步电机与逆变器***、手动控制板连接电路图；

图5是五相开放式绕组永磁同步电机与逆变器***、手动控制板连接电路图；

图6是七相开放式绕组永磁同步电机与逆变器***、手动控制板连接电路图；

图7是电机工作区域示意图；

图8是工作区域计算流程图；

图9是定绕组试验流程图；

图10是变绕组试验流程图。

具体实施方式

通过以下实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

参照图1、2，一种开放式绕组永磁同步电机测试***，包括分别通过负载电机支架2、驱动电机支架7设置在一台架23两端的永磁同步负载电机1和被测开放式绕组驱动电机8、通过扭矩传感器支承6设置在永磁同步负载电机1和被测开放式绕组驱动电机8之间的扭矩传感器5，扭矩传感器5的轴两端分别通过双膜片弹性联轴器4与被测开放式绕组驱动电机8的输出轴和永磁同步负载电机1的输出轴相连，套置在永磁同步负载电机1输出轴上的旋转变压器3，永磁同步负载电机1和被测开放式绕组驱动电机8分别通过负载电机逆变器21和驱动电机逆变器15并联在直流母线22上，连接在负载电机逆变器21上的负载电机控制器20、连接在驱动电机逆变器15上的驱动电机控制器14、设置在连接被测开放式绕组驱动电机8和驱动电机逆变器15电路间的驱动电机电流传感器13、设置在连接驱动电机逆变器15和直流母线22电路间的驱动电机逆变器电流传感器18、设置在直流母线22上的电源电压传感器17、计算机11和与其通过通用串行总线相连的数据采集卡12；

还包括设置在所述的被测开放式绕组驱动电机8壳体上的压电式加速度传感器9、驱动电机温度传感器10、设置在驱动电机逆变器15壳体上的驱动电机逆变器温度传感器16、并联在驱动电机逆变器15上的手动控制板19，所述的扭矩传感器5、旋转变压器3、驱动电机温度传感器10和驱动电机逆变器温度传感器16、压电式加速度传感器9、驱动电机电流传感器13和驱动电机逆变器电流传感器18、电源电压传感器17分别与数据采集卡12通讯连接；

参照图3，所述的手动控制板19由控制电路和工作电路两部分组成：

控制电路包括低压直流电源DY、触发传感器CG1、总开关K1、选择器开关S1、S2、S3、接触器线圈KD1、KD2、KD3、KD4、KD5、KD6、KD7、KD8、KD9，选择器开关S1的2个分路分别与接触器线圈KD1、KD2串联组成选择电路Ⅰ，选择器开关S2的3个分路分别与接触器线圈KD3、KD4、KD5串联组成选择电路Ⅱ，选择器开关S3的4个分路分别与接触器线圈KD6、KD7、KD8、KD9串联组成选择电路Ⅲ；这3个选择电路并联后与低压直流电源DY、总开关K1、触发传感器CG1串联；触发传感器CG1的接口h与所述的数据采集卡12通讯连接，以传递绕组切换的触发时间信号；

工作电路由9个回路组成，回路1中串联有接触器动合触点KM1，用于将三相开放式绕组电机切换为最大转矩绕组状态；回路2中串联有接触器动合触点KM2，用于将三相开放式绕组电机切换为最高转速绕组状态；回路3中串联有接触器动合触点KM3，用于将五相开放式绕组电机切换为最大转矩绕组状态；回路4中串联有接触器动合触点KM4，用于将五相开放式绕组电机切换为过渡绕组状态；回路5中串联有接触器动合触点KM5，用于将五相开放式绕组电机切换为最高转速绕组状态；回路6中串联有接触器动合触点KM6，用于将七相开放式绕组电机切换为最大转矩绕组状态；回路7中串联有接触器动合触点KM7，用于将七相开放式绕组电机切换为第一过渡绕组状态；回路8中串联有接触器动合触点KM8，用于将七相开放式绕组电机切换为第二过渡绕组状态；回路9中串联有接触器动合触点KM9，用于将七相开放式绕组电机切换为最高转速绕组状态；各回路的端口分别与驱动电机逆变器15相对应的相桥臂中点相连接；工作电路中的接触器动合触点KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、KM9分别由控制电路中的接触器线圈KD1、KD2、KD3、KD4、KD5、KD6、KD7、KD8、KD9控制。

如图4至6所示，工作电路中的14个端口按如下方式与驱动电机的逆变器***相连接：测试七相开放式绕组电机时，手动控制板端口的a～g分别连接驱动电机逆变器***a～g相桥臂中点，手动控制板端口a’～g’线分别连接驱动电机逆变器***a’～g’相桥臂中点。测试五相开放式绕组电机时，只需连接手动控制板端口a～e与a’～e’，其连接关系不变；同理测试三相开放式绕组电机时，只需连接手动控制板端口a～c线与a’～c’，其连接关系不变。

手动控制板19的控制机理是：

当开关K1闭合时，手动控制板工作，此时可以通过选择器开关S1、S2、S3实时切换开放式绕组电机的绕组状态；当开关K1断开时，手动控制板不起作用，此时需要使用专用的开放式绕组电机控制器对电机进行控制。当使用三相开放式绕组电机时，通过选择器开关S1对电机进行绕组切换控制；当使用五相开放式绕组电机时，通过选择器开关S2对电机进行绕组切换控制；当使用七相开放式绕组电机时，通过选择器开关S3对电机进行绕组切换控制。

具有n相绕组的电机，其具有的绕组状态数是(n+1)/2。所以，三相绕组电机具有2种绕组状态，五相绕组电机具有3种绕组状态，七相绕组电机具有4种绕组状态。各绕组状态对应的电机最大扭矩与最高转速不同。当从某一绕组状态切换到另一绕组状态时，如果最大扭矩下降，最高转速就会上升，反之亦然。于是，电机具有一个最大扭矩绕组状态，一个最高转速绕组状态。如果电机具有大于2种绕组状态，那么在最大扭矩绕组状态和最高转速绕组状态之间还有若干过渡绕组状态。选择器开关S1控制三相绕组电机，其中接触器KM1触点闭合时，三相绕组电机处于最大扭矩绕组状态；接触器KM2触点闭合时，三相绕组电机处于最高转速绕组状态。选择器开关S2控制五相绕组电机，其中接触器KM3触点闭合时，五相绕组电机处于最大扭矩绕组状态；接触器KM4触点闭合时，五相绕组电机处于过渡绕组状态；接触器KM5触点闭合时，五相绕组电机处于最高转速绕组状态。选择器开关S3控制七相绕组电机，其中接触器KM6触点闭合时，七相绕组电机处于最大扭矩绕组状态；接触器KM7触点闭合时，七相绕组电机处于第一过渡绕组状态；接触器KM8触点闭合时，七相绕组电机处于第二过渡绕组状态；接触器KM9触点闭合时，七相绕组电机处于最高转速绕组状态。

实施例2

基于实施例1所述的开放式绕组永磁同步电机测试***，对开放式绕组永磁同步电机的测试方法，包括工作区域计算、定绕组试验和变绕组试验，具体作法如下：

通过工作区域计算获得电机在各绕组状态下的工作区域(参照图8)：

1)读取电机相数m、最大功率P、电机在星形绕组状态下的最大转矩Tmax0、恒功率区起始转速n0和最高转速nmax0；

2)计算电机具有的绕组状态数

3)令当前电机绕组状态编号i分别取1～(k-1)，则第i绕组状态下的电机最大扭矩为电机恒功率区起始转速为电机最高转速为 $n\max i=nmax0\&times;2sin\left(\frac{i\mathrm{\&pi;}}{m}\right);$

4)在第i(i＝0,1,…,k-1)绕组状态下，电机的工作区域如下：

当0≤n<ni时，0≤T≤Tmaxi；式中n为电机转速，T为电机扭矩；

当ni≤n<nmaxi时，0≤T≤9550P/n；

当n≥nmaxi时，T＝0。

在工作区域内，电机才能正常安全运行。每一绕组状态下的工作区域是以电机转速作为横坐标，电机输出扭矩作为纵坐标的坐标系中曲线围成的一块面积。如图7所示，该图给出的是五相开放式绕组电机各绕组状态下的工作区域：横坐标是电机转速n，纵坐标是电机输出扭矩T。曲线O—a1—a2—a3—a4围成的面积是最大扭矩绕组状态对应的工作区域，曲线O—b1—b2—b3—b4围成的面积是过渡绕组状态对应的工作区域，曲线O—c1—c2—c3—c4围成的面积是最高转速绕组状态对应的工作区域。工作区域的计算是由计算机程序完成的，输入电机相数n、最大功率P、电机在星形绕组状态下的最大转矩Tmax0、恒功率区起始转速n0，与最高转速nmax0，输出的就是电机在各绕组状态下工作区域在n-T坐标系下的表达式。星形绕组状态是指电机各相绕组始端作为接线端，各相绕组末端连接到一起的绕组状态。各绕组状态工作区域的计算依据的理论是电机输出的电磁转矩与电机相电流成正比关系，以及电机定子的感应电动势与电机转速和电机共磁链的乘机成正比关系。利用线电压相同的各绕组状态下相电压的比例关系，就可以计算出各绕组状态下电机最大转矩与最高转速之间的比例关系，从而得到电机在各绕组状态下的工作区域。

定绕组试验：

通过定绕组试验获得在电机工作区域内每个测试点被测驱动电机的效率、驱动电机逆变器***的效率、被测驱动电机的工作温度和驱动电机逆变器***的工作温度指标；在每个绕组状态下的定绕组试验完成后，就会得到该绕组状态下的以驱动电机转速n、驱动电机扭矩T为自变量，驱动电机效率η_m、驱动电机逆变器效率η_i、驱动电机温度T_m、驱动电机逆变器温度T_i为因变量的图谱；

具体步骤如下(参照图9)：

1)根据测试要达到的精度，由试验者设定测试转速间隔Δn和转矩间隔ΔT，以确定各个测试工作点的转矩、转速；将程序烧入驱动电机和负载电机控制器；

通过手动控制板将电机置于需要测试的绕组状态，接通直流母线电源，打开数据采集终端机，打开数据采集开关；

2)按顺序加载驱动电机的工作点；每一个工作点加载完毕后都执行步骤3)；

3)每一个工作点加载完毕后，试验者判断驱动电机扭矩T、驱动电机转速n，以及驱动电机效率η_m及温度T_m、驱动电机逆变器效率η_i与温度T_i读数是否稳定？若读数稳定，试验者记录下驱动电机在当前扭矩T、转速n下的驱动电机效率η_m、逆变器效率η_i、驱动电机温度T_m、驱动电机逆变器***温度T_i；否则等待上述各项读数稳定后重新执行此步骤；

4)驱动电机卸载，负载电机转速逐渐降至0；试验者关闭数据采集开关，直流母线断电；计算机输出以驱动电机转速n、扭矩T为自变量，以当前绕组状态工作区域为自变量取值范围，以驱动电机效率η_m、逆变器效率η_i、驱动电机温度T_m、驱动电机逆变器***温度T_i为因变量的图谱；

上述定绕组试验步骤2)中所述的驱动电机工作点的加载顺序为：转速n从Δn开始，每挡增加Δn，直至当前绕组状态下的最高转速nmaxi为止；在每挡转速n下，扭矩T从ΔT开始，每个测试点增加ΔT，直至由当前绕组状态工作区域决定的该挡转速下最大扭矩为止。

上述定绕组试验步骤3)中所述的驱动电机效率ηm由公式计算获得，驱动电机逆变器效率η_i由公式是计算获得，其中：T是由扭矩传感器5测得的驱动电机扭矩，n是由旋转变压器3测得的驱动电机转速，U是由电源电压传感器17测得的母线电压，I₁是由电流传感器13测得的单相驱动电机电流，I₂是由驱动电机逆变器电流传感器18测得的单相逆变器电流，T_m是由驱动电机温度传感器10测得的驱动电机温度，T_i是由驱动电机逆变器***温度传感器16测得的驱动电机逆变器***温度；扭矩、转速、效率读数稳定的标准是与稳态值相差2％以内，温度读数稳定的标准是60秒内变化0.5℃以内。

变绕组试验：

通过变绕组试验获得被测驱动电机在每个测试点进行绕组切换时的瞬时最大振动加速度、瞬时最大扭矩波动、扭矩稳定时间指标。变绕组试验完成后，就会得到关于任意两个相邻绕组切换的，以驱动电机转速n、驱动电机转矩T为自变量，绕组切换时的最大瞬时振动加速度a_max、瞬时最大扭矩波动ΔT_max以及绕组切换后的扭矩稳定时间t为因变量的图谱。

具体步骤如下(参照图10)：

1)根据变绕组试验要达到的精度，设定测试转速间隔Δn和转矩间隔ΔT，以确定各个测试工作点的转矩、转速；将程序烧入驱动电机和负载电机控制器；接通直流母线电源，打开数据采集终端机，设置电机绕组相数；打开数据采集开关；

2)按顺序加载驱动电机的工作点；并在每个工作点通过手动控制板按顺序切换驱动电机的绕组状态；在每次切换驱动电机的绕组状态后都执行步骤3)、4)；

3)判断驱动电机扭矩T是否稳定在稳态值的2％以内？如果是，在数据采集面板上截取从绕组切换的触发时刻开始至此时的驱动电机表面的振动加速度a与电机扭矩T的时域曲线；否则等待电机扭矩T稳定后重新执行此步骤；

4)在截取的曲线中提取驱动电机在当前扭矩T、转速n下的最大瞬时振动加速度a_max、瞬时最大扭矩波动ΔT_max以及绕组切换后的扭矩稳定时间t；

5)驱动电机卸载，负载电机转速逐渐降至0；关闭数据采集开关，直流母线断电；计算机输出以驱动电机转速n、驱动电机转矩T为自变量，绕组切换时的最大瞬时振动加速度a_max、瞬时最大扭矩波动ΔT_max以及绕组切换后的扭矩稳定时间t为因变量的图谱。

上述变绕组试验步骤2)中所述的驱动电机工作点的加载顺序为：转速n从Δn开始，每挡增加Δn，直至所有绕组状态中的最高转速nmax为止；在每挡转速n下，扭矩T从ΔT开始，每个测试点增加ΔT，直至由所有绕组状态工作区域之并集决定的该挡转速下最大扭矩为止。步骤2中每个工作点驱动电机绕组状态的切换顺序为，从当前工作点所处工作区域中包含的最大转矩绕组状态开始，按绕组状态工作区域的最大转矩逐次下降为原则，逐次切换为当前工作点所处工作区域中包含的最高转速绕组状态。

上述变绕组试验步骤3)中所述的T是由扭矩传感器5测得的驱动电机扭矩，a是由压电式加速度传感器9测得的驱动电机表面的振动加速度；变绕组试验步骤4)中所述的扭矩稳定时间t从绕组状态切换时开始计时，到扭矩波动的一个周期内波动幅度不超过稳态扭矩的2％结束。

Claims (6)

1.一种开放式绕组永磁同步电机测试***，包括分别通过负载电机支架(2)、驱动电机支架(7)设置在一台架(23)两端的永磁同步负载电机(1)和被测开放式绕组驱动电机(8)、通过扭矩传感器支承(6)设置在永磁同步负载电机(1)和被测开放式绕组驱动电机(8)之间的扭矩传感器(5)，扭矩传感器(5)的轴两端分别通过双膜片弹性联轴器(4)与被测开放式绕组驱动电机(8)的输出轴和永磁同步负载电机(1)的输出轴相连，套置在永磁同步负载电机(1)输出轴上的旋转变压器(3)，永磁同步负载电机(1)和被测开放式绕组驱动电机(8)分别通过负载电机逆变器(21)和驱动电机逆变器(15)并联在直流母线(22)上，连接在负载电机逆变器(21)上的负载电机控制器(20)、连接在驱动电机逆变器(15)上的驱动电机控制器(14)、设置在连接被测开放式绕组驱动电机(8)和驱动电机逆变器(15)电路间的驱动电机电流传感器(13)、设置在连接驱动电机逆变器(15)和直流母线(22)电路间的驱动电机逆变器电流传感器(18)、设置在直流母线(22)上的电源电压传感器(17)、计算机(11)和与其通过通用串行总线相连的数据采集卡(12)；其特征在于：

还包括设置在所述的被测开放式绕组驱动电机(8)壳体上的压电式加速度传感器(9)、驱动电机温度传感器(10)、设置在驱动电机逆变器(15)壳体上的驱动电机逆变器温度传感器(16)、并联在驱动电机逆变器(15)上的手动控制板(19)，所述的扭矩传感器(5)、旋转变压器(3)、驱动电机温度传感器(10)和驱动电机逆变器温度传感器(16)、压电式加速度传感器(9)、驱动电机电流传感器(13)和驱动电机逆变器电流传感器(18)、电源电压传感器(17)分别与数据采集卡(12)通讯连接；

所述的手动控制板(19)由控制电路和工作电路两部分组成：

控制电路包括低压直流电源DY、触发传感器CG1、总开关K1、选择器开关S1、S2、S3、接触器线圈KD1、KD2、KD3、KD4、KD5、KD6、KD7、KD8、KD9，选择器开关S1的2个分路分别与接触器线圈KD1、KD2串联组成选择电路Ⅰ，选择器开关S2的3个分路分别与接触器线圈KD3、KD4、KD5串联组成选择电路Ⅱ，选择器开关S3的4个分路分别与接触器线圈KD6、KD7、KD8、KD9串联组成选择电路Ⅲ；这3个选择电路并联后与低压直流电源DY、总开关K1、触发传感器CG1串联；触发传感器CG1的接口h与所述的数据采集卡(12)通讯连接，以传递绕组切换的触发时间信号；

工作电路由9个回路组成，回路1中串联有接触器动合触点KM1，用于将三相开放式绕组电机切换为最大转矩绕组状态；回路2中串联有接触器动合触点KM2，用于将三相开放式绕组电机切换为最高转速绕组状态；回路3中串联有接触器动合触点KM3，用于将五相开放式绕组电机切换为最大转矩绕组状态；回路4中串联有接触器动合触点KM4，用于将五相开放式绕组电机切换为过渡绕组状态；回路5中串联有接触器动合触点KM5，用于将五相开放式绕组电机切换为最高转速绕组状态；回路6中串联有接触器动合触点KM6，用于将七相开放式绕组电机切换为最大转矩绕组状态；回路7中串联有接触器动合触点KM7，用于将七相开放式绕组电机切换为第一过渡绕组状态；回路8中串联有接触器动合触点KM8，用于将七相开放式绕组电机切换为第二过渡绕组状态；回路9中串联有接触器动合触点KM9，用于将七相开放式绕组电机切换为最高转速绕组状态；各回路的端口分别与驱动电机逆变器(15)相对应的相桥臂中点相连接；工作电路中的接触器动合触点KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、KM9分别由控制电路中的接触器线圈KD1、KD2、KD3、KD4、KD5、KD6、KD7、KD8、KD9控制。

2.一种基于权利要求1所述测试***的开放式绕组永磁同步电机的测试方法，包括工作区域计算、定绕组试验和变绕组试验，具体作法如下：

通过工作区域计算获得电机在各绕组状态下的工作区域：

1)读取电机相数m、最大功率P、电机在星形绕组状态下的最大转矩Tmax0、恒功率区起始转速n0和最高转速nmax0；

2)计算电机具有的绕组状态数

3)令当前电机绕组状态编号i分别取1～(k-1)，则第i绕组状态下的电机最大扭矩为电机恒功率区起始转速为电机最高转速为 $n\max i=nmax0\&times;2sin\left(\frac{i\mathrm{\&pi;}}{m}\right);$

4)在第i(i＝0,1,…,k-1)绕组状态下，电机的工作区域如下：

当0≤n<ni时，0≤T≤Tmaxi；式中n为电机转速，T为电机扭矩；

当ni≤n<nmaxi时， $0\&le;T\&le;\frac{9550P}{n};$

当n≥nmaxi时，T＝0；

定绕组试验：

通过定绕组试验获得在电机工作区域内每个测试点被测驱动电机的效率、驱动电机逆变器***的效率、被测驱动电机的工作温度和驱动电机逆变器***的工作温度指标；在每个绕组状态下的定绕组试验完成后，就会得到该绕组状态下的以驱动电机转速n、驱动电机扭矩T为自变量，驱动电机效率η_m、驱动电机逆变器效率η_i、驱动电机温度T_m、驱动电机逆变器温度T_i为因变量的图谱；

具体步骤如下：

1)根据测试要达到的精度，由试验者设定测试转速间隔Δn和转矩间隔ΔT，以确定各个测试工作点的转矩、转速；将程序烧入驱动电机和负载电机控制器；

通过手动控制板将电机置于需要测试的绕组状态，接通直流母线电源，打开数据采集终端机，打开数据采集开关；

2)按顺序加载驱动电机的工作点；每一个工作点加载完毕后都执行步骤3)；

3)每一个工作点加载完毕后，试验者判断驱动电机扭矩T、驱动电机转速n，以及驱动电机效率η_m及温度T_m、驱动电机逆变器效率η_i与温度T_i读数是否稳定？若读数稳定，试验者记录下驱动电机在当前扭矩T、转速n下的驱动电机效率η_m、逆变器效率η_i、驱动电机温度T_m、驱动电机逆变器***温度T_i；否则等待上述各项读数稳定后重新执行此步骤；

4)驱动电机卸载，负载电机转速逐渐降至0；试验者关闭数据采集开关，直流母线断电；计算机输出以驱动电机转速n、扭矩T为自变量，以当前绕组状态工作区域为自变量取值范围，以驱动电机效率η_m、逆变器效率η_i、驱动电机温度T_m、驱动电机逆变器***温度T_i为因变量的图谱；

变绕组试验：

通过变绕组试验获得被测驱动电机在每个测试点进行绕组切换时的瞬时最大振动加速度、瞬时最大扭矩波动、扭矩稳定时间指标。变绕组试验完成后，就会得到关于任意两个相邻绕组切换的，以驱动电机转速n、驱动电机转矩T为自变量，绕组切换时的最大瞬时振动加速度a_max、瞬时最大扭矩波动ΔT_max以及绕组切换后的扭矩稳定时间t为因变量的图谱；

具体步骤如下：

1)根据变绕组试验要达到的精度，设定测试转速间隔Δn和转矩间隔ΔT，以确定各个测试工作点的转矩、转速；将程序烧入驱动电机和负载电机控制器；接通直流母线电源，打开数据采集终端机，设置电机绕组相数；打开数据采集开关；

2)按顺序加载驱动电机的工作点；并在每个工作点通过手动控制板按顺序切换驱动电机的绕组状态；在每次切换驱动电机的绕组状态后都执行步骤3)、4)；

3)判断驱动电机扭矩T是否稳定在稳态值的2％以内？如果是，在数据采集面板上截取从绕组切换的触发时刻开始至此时的驱动电机表面的振动加速度a与电机扭矩T的时域曲线；否则等待电机扭矩T稳定后重新执行此步骤；

4)在截取的曲线中提取驱动电机在当前扭矩T、转速n下的最大瞬时振动加速度a_max、瞬时最大扭矩波动ΔT_max以及绕组切换后的扭矩稳定时间t；

5)驱动电机卸载，负载电机转速逐渐降至0；关闭数据采集开关，直流母线断电；计算机输出以驱动电机转速n、驱动电机转矩T为自变量，绕组切换时的最大瞬时振动加速度a_max、瞬时最大扭矩波动ΔT_max以及绕组切换后的扭矩稳定时间t为因变量的图谱。

3.根据权利要求2所述的开放式绕组永磁同步电机的测试方法，其特征在于：定绕组试验步骤2)中所述的驱动电机工作点的加载顺序为：转速n从Δn开始，每挡增加Δn，直至当前绕组状态下的最高转速nmaxi为止；在每挡转速n下，扭矩T从ΔT开始，每个测试点增加ΔT，直至由当前绕组状态工作区域决定的该挡转速下最大扭矩为止。

4.根据权利要求2所述的开放式绕组永磁同步电机的测试方法，其特征在于：定绕组试验步骤3)中所述的驱动电机效率η_m由公式计算获得，驱动电机逆变器效率η_i由公式是计算获得，其中：T是由扭矩传感器(5)测得的驱动电机扭矩，n是由旋转变压器(3)测得的驱动电机转速，U是由电源电压传感器(17)测得的母线电压，I₁是由电流传感器(13)测得的单相驱动电机电流，I₂是由驱动电机逆变器电流传感器(18)测得的单相逆变器电流，T_m是由驱动电机温度传感器(10)测得的驱动电机温度，T_i是由驱动电机逆变器***温度传感器(16)测得的驱动电机逆变器***温度；扭矩、转速、效率读数稳定的标准是与稳态值相差2％以内，温度读数稳定的标准是60秒内变化0.5℃以内。

5.根据权利要求2所述的开放式绕组永磁同步电机的测试方法，其特征在于：变绕组试验步骤2)中所述的驱动电机工作点的加载顺序为：转速n从Δn开始，每挡增加Δn，直至所有绕组状态中的最高转速nmax为止；在每挡转速n下，扭矩T从ΔT开始，每个测试点增加ΔT，直至由所有绕组状态工作区域之并集决定的该挡转速下最大扭矩为止。步骤2中每个工作点驱动电机绕组状态的切换顺序为，从当前工作点所处工作区域中包含的最大转矩绕组状态开始，按绕组状态工作区域的最大转矩逐次下降为原则，逐次切换为当前工作点所处工作区域中包含的最高转速绕组状态。

6.根据权利要求2所述的开放式绕组永磁同步电机的测试方法，其特征在于：变绕组试验步骤3)中所述的T是由扭矩传感器(5)测得的驱动电机扭矩，a是由压电式加速度传感器(9)测得的驱动电机表面的振动加速度；变绕组试验步骤4)中所述的扭矩稳定时间t从绕组状态切换时开始计时，到扭矩波动的一个周期内波动幅度不超过稳态扭矩的2％结束。