CN113093008A - 高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法，属于电机测试技术领域。该方法在电励磁电机空载高速运行时，将电枢绕组断路，电机转速随时间下降，拟合出转速与时间的函数关系，并计算出动能与时间的函数关系，从而可求导得到任意时刻的转子损耗。将励磁电流由0逐步增加，重复上述操作，得到不同励磁电流下的总损耗，剔除励磁电流为0时测得的机械损耗，便可得到相应励磁电流下的铁损值。与有限元仿真数据对比，修正铁损模型参数，从而可以计算出不同工况下的铁损值。本发明避免了需要扭矩传感器测量原动机输入功率，而扭矩传感器的适用转速受限、安装困难以及负载效应带来的检测误差等问题。

Description

高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法
技术领域
本发明涉及一种高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法，属于电机测试技术领域。
背景技术
电机的高速化可减小电机的体积重量，提高其功率密度，具有可与高速负载直接相连、省去传统的机械增速装置、减小***噪音和提高***传动效率等特点，在高速磨床、空气循环制冷***、储能飞轮、燃料电池、天然气输送高速离心压缩机以及作为飞机或舰载供电设备的分布式发电***等领域具有广阔的应用前景，目前已成为国际电机领域的研究热点之一。
但由于电励磁电机在高速运行时，会产生较大的损耗，若损耗过大，会使电机运行效率偏低。同时损耗还将以热能的形式体现出来从而导致温度较高等问题，在某些通风散热条件较差的应用场合，温升过高或局部温度过高，会直接影响到电机***的稳定性、可靠性、安全性和使用寿命。电励磁电机损耗由铁心损耗、绕组铜耗、机械损耗和杂散损耗四部分组成，其中铁损所占据比例不可忽视。因此铁损的准确测量和分析对电机设计及其性能优化具有重要的意义。
目前对于电励磁电机铁损的测量，主要是通过在电机轴上安装扭矩传感器，测量输入功率计算而得。扭矩传感器可适用于连续旋转,但对安装对中要求较高，对一些较小的工件，扭矩传感器的安装会对检测带来较大的误差,增加装夹的难度，传感器自身的负载效应也可能影响检测效果。另外，现阶段缺乏高转速扭矩传感器，无法测量高速电机的轴功率，因而在高速电励磁电机中其推广应用受到一定程度上的制约。
同时铁损理论模型中的相关参数在高速高频的条件下，较难通过理论计算与仿真分析确定，因而真实铁损值与理论计算值仍存在一定的误差，尤其在高速运行条件下尤为突出。因而如何修正铁损模型相关参数，使得铁损理论计算值更贴近实际值，具有重要的现实意义。
基于以上分析，本案旨在提出一种高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法，从而避免扭矩传感器的适用转速受限的问题，并对铁损理论模型参数进行修正，在高速负载运行条件下准确地得到电机铁损。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种有效地避免了缺乏高速扭矩传感器无法测量轴功率而无法计算铁损的问题的高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、计算电机转子的转动惯量J；
步骤二、将电机在空载状态下运行至高速nmax，然后关断功率管使电枢绕组断路，使电机转速随时间t逐步下降；利用旋转变压器检测转子位置信号 ，从而得到转速从nmax下降到0阶段内的n-t函数曲线；
步骤三、根据转子转动惯量J和转速n，求得任意时刻电机转子动能Ek与时间t对应的函数曲线，对Ek-t的函数曲线进行时间t求导，可得任意时刻的转子损耗，记作Pif，结合n-t函数曲线，得到不同转速下的转子损耗；
步骤四、通过励磁调节器调节励磁电流If由0到I，重复步骤二和三，得到任意励磁电流下的转子损耗与转速关系；
步骤五、在励磁电流If＝0时，测试得到的损耗为电励磁电机不同转速下的机械损耗，记作P0，将总的转子损耗减去机械损耗，得到不同励磁电流下的空载铁损。
对上述技术方案的进一步设计为：将步骤五得到的空载铁损计算修正得到相应的铁损理论系数，进而在高速带载的工况下准确地计算得到不同励磁电流不同转速对应的铁损数据。
建立电励磁电机三项式铁损分离理论模型为：
PFe＝Ph+Pc+Pe
＝khfB2+kcf2B2+kef1.5B1.5
通过构建实验测试所用电机的二维有限元仿真模型，分析定转子铁心磁场分布规律，得到电机定转子不同区域的磁密值B以及磁通变化频率f，将步骤五得到的空载铁损代入上述理论模型公式，求得铁损理论模型中的磁滞损耗系数kh、涡流损耗系数kc以及附加损耗系数ke，完善电机的铁损理论模型。
根据电机转子的转动惯量J和转速n，计算转子动能的公式为：
Figure BDA0003053572880000021
所述n-t函数曲线的拟合采取最小二乘法多项式拟合，将采集的转速随时间变化的数据对(ti,ni)(i＝0,1,…,m)求解得拟合多项式
Figure BDA0003053572880000022
使得
Figure BDA0003053572880000023
所得拟合多项式即为n-t函数曲线。
本发明的技术方案与现有技术相比具有的有益效果是：
本发明由于对高速电励磁电机采用无扭矩传感器铁损测量方法，可由微处理器对转速与动能的变化函数进行处理，得到电励磁电机任意励磁电流下的空载铁损值，从而修正铁损模型参数，完善负载条件下电机铁损的计算方法。该方法有效地避免了缺乏高速扭矩传感器无法测量轴功率而无法计算铁损的问题，在高速条件下准确地测得电机不同工况下的铁损，为高速电励磁电机的设计分析、推广应用奠定了一定的基础。
附图说明
图1为采用无扭矩传感器铁损实验测量方法的高速电励磁电机的***框图；
图2为高速电励磁电机的实验结果拟合得到的n-t函数曲线；
图3为高速电励磁电机的实验结果计算拟合得到的转子损耗与转速的函数曲线Pif-n；
图4为励磁电流为21A时，高速电励磁电机的实验结果拟合得到的转速与时间的函数曲线n-t；
图5为励磁电流为21A时，由高速电励磁电机转速与时间的函数曲线n-t计算拟合得到的转子动能与时间的函数曲线Ek-t。
图6为励磁电流为21A时，由高速电励磁电机的转子动能与时间的函数曲线Ek-t计算拟合得到的转子损耗与时间的函数曲线Pif-t。
图7为励磁电流为21A时，结合n-t曲线和Pif-t曲线作出的转子损耗与转速的关系曲线Pif-n。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
图1为本实施例采用无扭矩传感器铁损实验测量方法的高速电励磁电机的***框图，具体实施步骤如下：
(1)采集位置和转速信号：采用旋转变压器采集转子位置信号θ，将转子位置角信号送入电机控制器，通过预编写的控制器程序计算电机转速n；
(2)功率变换器：功率变换器采用三相全桥逆变电路，为电机提供驱动。电机在空载运行时，检测转速n与电枢电流IA，IB，IC信号送入电机控制器，由数字信号处理器根据当前运行状况，经过放大隔离电路为功率变换器提供PWM波信号，控制开关管的开通与关断；
(3)励磁电流控制：电机控制器中通过数字信号处理器向励磁调节器发送指令，控制励磁电流大小，调节励磁电流If由0到I。励磁电流为0时，得到机械损耗P0，通过不同励磁电流下的总损耗减去机械损耗，得到不同励磁电流下不同转速的空载铁损；
(4)拟合函数曲线：电机转速数据由电机控制器传输至微处理器，微处理器将功率管全部关断后各个时刻到的转速随时间变化的数据对(ti，ni)(i＝0，1，…，m)根据最小二乘法求解得拟合多项式
Figure BDA0003053572880000031
使得
Figure BDA0003053572880000032
所得拟合多项式即为转速为nmax下降到0r/min阶段内的n-t函数曲线；
记转子转动惯量为J，根据动能与转速的关系公式：
Figure BDA0003053572880000033
计算得到转子动能随时间的变化函数，作出Ek-t曲线；
(5)计算损耗：对Ek-t函数求导，即可得到转子损耗Pif。励磁电流为0时，测试得到的损耗全部为风摩损耗、轴承摩擦损耗等机械损耗，记为P0；励磁电流If由0增加至I的过程中，由于励磁功率由外部电源提供，因而测试所得的损耗是机械损耗与铁损之和。电机运行过程中机械损耗在一定的转速下可视为不变损耗，因此由总损耗减去机械损耗即为当前励磁电流下的铁损值：
PFe＝Pif-P0
为了验证本案所述高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法的有效性，对一台电励磁电机进行实验。图2，图3为采用本发明提出的无扭矩传感器铁损实验测量方法的高速电励磁电机的实验结果。实验将电机空载运行至约30000r/min后，关断功率管使电枢绕组断路。调节励磁电流，选取了0A，3A，6A，9A，12A，15A，18A，21A共8组励磁电流值，记录功率管全部关断后各个时刻的电机转速。
图2为拟合得到转速由30000r/min下降到0r/min阶段内的n-t函数曲线。由图可以看出，随着励磁电流的增加，由于铁损增大，更快地消耗了转子动能，转速随时间下降的速度逐渐加快。图3为不同励磁电流下对应的转子损耗与转速的曲线。在励磁电流为0A时，所得损耗全部为机械损耗P0，可以看出，随着转速的增加，机械损耗也在不断增加。增加励磁电流后，所得转子损耗为机械损耗与铁损之和Pif，可以看出，一定转速下，随着励磁电流增加，总损耗也在不断增加。在一定的转速下，总损耗Pif减去机械损耗P0即为与当前励磁电流下的铁损值。
(6)建立电励磁电机三项式铁损分离理论模型为：
PFe＝Ph+Pc+Pe
＝khfB2+kcf2B2+kef1.5B1.5
其中，Ph、Pc、Pe分别磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗；
通过构建实验测试所用电机的二维有限元仿真模型，分析定转子铁心磁场分布规律，得到电机定转子不同区域的磁密值B以及磁通变化频率f，将步骤五得到的空载铁损代入上述理论模型公式，求得铁损理论模型中的磁滞损耗系数kh、涡流损耗系数kc以及附加损耗系数ke，完善电机的铁损理论模型。
为了验证本案所述高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法的有效性，对一台电励磁电机进行实验。图4，图5为采用本发明提出的无扭矩传感器铁损实验测量方法的高速电励磁电机，在励磁电流为21A下的实验结果。
图4是由励磁电流为21A时，转速由30000r/min下降到0r/min阶段内的n-t函数拟合曲线，根据微处理器采集到的转速随时间变化的数据对(ti，ni)(i＝0，1，…，m)根据最小二乘法求解得拟合多项式：
n(t)＝-0.0251t6+0.8030t5-9.5092t4+47.2057t3+61.1160t2-4502.8t+30355
上述拟合多项式最高次数取为6，此时拟合效果较好。
图5为通过
Figure BDA0003053572880000051
计算拟合得到的Ek-t函数曲线，拟合多项式为：
Ek(t)＝1.6581×10-8t12-1.0609×10-6t11+2.9534×10-5t10-4.6431×10-4t9+0.0043t8
-0.0151t7-0.2024t6+3.6888t5-26.2844t4+60.9409t3+631.2760t2-7194.7t+24251
图6是由Ek-t函数曲线根据
Figure BDA0003053572880000052
求导得到的转子损耗Pif与时间的函数曲线，拟合多项式为：
Figure BDA0003053572880000053
图7是励磁电流为21A时，结合n-t曲线和Pif-t曲线作出的转子损耗与转速的关系曲线Pif-n。从图中可以清楚地得到励磁电流为21A时不同转速下的转子损耗数据，结合励磁电流为0A时的机械损耗数据，即可计算得到励磁电流为21A时不同转速下的空载铁损数据。
求电机空载铁损步骤如下：
例如，在电机空载转速达到约24000rpm时，观察图3或通过函数计算可得，励磁电流为0A时，电机机械损耗P0约为680W；励磁电流增加至21A时，观察图7可得，电机转子总损耗Pif约为5200W。由
PFe＝Pif-P0
可得，在n＝24000rpm，If＝21A时，电机空载铁损PFe约为4520W。
以上实例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、计算电机转子的转动惯量J；
步骤二、将电机在空载状态下运行至高速nmax，然后关断功率管使电枢绕组断路，使电机转速随时间t逐步下降；利用旋转变压器检测转子位置信号θ，从而得到转速从nmax下降到0阶段内的n-t函数曲线；
步骤三、根据转子转动惯量J和转速n，求得任意时刻电机转子动能Ek与时间t对应的函数曲线，对Ek-t的函数曲线进行时间t求导，可得任意时刻的转子损耗，记作Pif，结合n-t函数曲线，得到不同转速下的转子损耗；
步骤四、通过励磁调节器调节励磁电流If由0到I，重复步骤二和三，得到任意励磁电流下的转子损耗与转速关系；
步骤五、在励磁电流If＝0时，测试得到的损耗为电励磁电机不同转速下的机械损耗，记作P0，将总的转子损耗减去机械损耗，得到不同励磁电流下的空载铁损。
2.根据权利要求1所述高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法，其特征在于：将步骤五得到的空载铁损计算修正得到相应的铁损理论系数，进而在高速带载的工况下准确地计算得到不同励磁电流不同转速对应的铁损数据。
3.根据权利要求2所述高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法，其特征在于：
建立电励磁电机三项式铁损分离理论模型为：
PFe＝Ph+Pc+Pe
＝khfB2+kcf2B2+kef1.5B1.5
通过构建实验测试所用电机的二维有限元仿真模型，分析定转子铁心磁场分布规律，得到电机定转子不同区域的磁密值B以及磁通变化频率f，将步骤五得到的空载铁损代入上述理论模型公式，求得铁损理论模型中的磁滞损耗系数kh、涡流损耗系数kc以及附加损耗系数ke，完善电机的铁损理论模型。
4.根据权利要求1所述高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法，其特征在于，根据电机转子的转动惯量J和转速n，计算转子动能的公式为：
Figure FDA0003053572870000021
5.根据权利要求1所述的高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法，其特征在于，所述n-t函数曲线的拟合采取最小二乘法多项式拟合，将采集的转速随时间变化的数据对(ti,ni)(i＝0,1,…,m)求解得拟合多项式
Figure FDA0003053572870000022
使得
Figure FDA0003053572870000023
所得拟合多项式即为n-t函数曲线。
6.根据权利要求1所述的高速电励磁电机无扭矩传感器铁损实验测量方法，其特征在于，在电机工作时实时采集转速数据，送入微处理器中，计算得到一定励磁电流和转速工况下对应的铁损数据。
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