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淺談直流電機(jī)參數(shù)的測(cè)試和估計(jì)

ss ? 作者:工程師譚軍 ? 2018-10-07 11:38 ? 次閱讀
直流電機(jī)(direct current machine)是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能(直流電動(dòng)機(jī))或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能(直流發(fā)電機(jī))的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī),將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能;作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī),將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
組成結(jié)構(gòu)
直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子,定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng),由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)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(yīng)電動(dòng)勢(shì),是直流電機(jī)進(jìn)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(fēng)扇等組成。
定子
(1)主磁極
主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。主磁極由主磁極鐵心和勵(lì)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(lì)磁繞組的部分稱為極身,下面擴(kuò)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(chǎng)的分布,又便于固定勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組用絕緣銅線繞制而成,套在主磁極鐵心上。整個(gè)主磁極用螺釘固定在機(jī)座上,
(2)換向極
換向極的作用是改善換向,減小電機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花,一般裝在兩個(gè)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(dǎo)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(jī)座
電機(jī)定子的外殼稱為機(jī)座。機(jī)座的作用有兩個(gè):
一是用來固定主磁極、換向極和端蓋,并起整個(gè)電機(jī)的支撐和固定作用;
二是機(jī)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(jī)座具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)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(dòng)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(shí)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(jī)運(yùn)行時(shí)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(yīng)電動(dòng)勢(shì),是直流電機(jī)進(jìn)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(qiáng)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(jìn)行綁扎。
(3)換向器
在直流電動(dòng)機(jī)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(jī)中,換向器配以電刷,能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為正、負(fù)電刷上引出的直流電動(dòng)勢(shì)。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(jī)械強(qiáng)度和剛度,一般用圓鋼加工而成。
直流電機(jī)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(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場(chǎng)平行時(shí),再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場(chǎng)方向?qū)⒏淖?,因此此時(shí)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(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì),
靠換向器配合電刷的換向作用,使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。
感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(yùn)動(dòng)方向,其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向)。
導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩,這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針方向,企圖使電樞逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。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(fù)載轉(zhuǎn)矩),電樞就能按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來。

為了建立以直流電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng),需要建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型有兩種方法,一是通過牛頓力學(xué)定律和克?;舴螂娐范?,和已知的電機(jī)參數(shù)建立電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型;二是通過系統(tǒng)辯識(shí)的辦法識(shí)別出電機(jī)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(jìn)行電機(jī)的參數(shù)測(cè)試,辦法也很多,這里先弄出一份來。

1.永磁電機(jī)組成

2. 永磁直流電機(jī)等效電路。

3.測(cè)量轉(zhuǎn)子電阻

對(duì)于那些不是做設(shè)計(jì)的測(cè)量,那么拿個(gè)萬用表直接測(cè)量下也無防,但是現(xiàn)在是想建立一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,那我們還是認(rèn)真點(diǎn),盡量測(cè)準(zhǔn)確些。當(dāng)給電機(jī)供電后一會(huì),電機(jī)將穩(wěn)定的在一個(gè)轉(zhuǎn)速上,這時(shí)候繞組電感上因電流變化引起的壓降消失了,就說電機(jī)的進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。根基克?;舴螂娐范傻梅匠?。

如果通電后強(qiáng)制電機(jī)軸不動(dòng),那么饒組上的反電動(dòng)勢(shì)也為零,因?yàn)椋?/p>

(2)

由此,電機(jī)電阻的堵轉(zhuǎn)測(cè)試方法出來了,如下:

注意,轉(zhuǎn)子電阻對(duì)電機(jī)溫度,轉(zhuǎn)子在電機(jī)內(nèi)的位置是敏感的,在電機(jī)參數(shù)的測(cè)量中,方程基本上是線性方程,被測(cè)量可以表達(dá)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(cè)量。

4.測(cè)量電勢(shì)常數(shù)(速度常數(shù))

從方程(2)中,第一種想法就是讓電機(jī)軸以一已知的速度轉(zhuǎn)起來(不是給電機(jī)供電轉(zhuǎn)起來的),測(cè)量繞組上的端電壓,由方程(2)計(jì)算出電勢(shì)常數(shù)。

不過水到渠成的辦法是繼承轉(zhuǎn)子電阻測(cè)量過程的成果,給電機(jī)供電空轉(zhuǎn),根據(jù)端電壓、電流的測(cè)量值,可以計(jì)算出反電動(dòng)勢(shì),同時(shí)測(cè)量電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速,然后再根據(jù)方程(2)計(jì)算出電勢(shì)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(cè)試儀表(原創(chuàng)),哪一種測(cè)量方法得到測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確點(diǎn)?

測(cè)試方法一,間接測(cè)量反電動(dòng)勢(shì),再計(jì)算電勢(shì)常數(shù)。

測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一次可得到兩參數(shù)Ke(電勢(shì)常數(shù))和繞組電阻Ra。擬合如下:

5.測(cè)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(shì)常數(shù)。那就不用測(cè)量了,呵,下面的簡單推導(dǎo)將顯示這種相等并不實(shí)際,其實(shí)也就是說如果考慮精細(xì)的建模,非線性的問題就成為重點(diǎn)。

根據(jù)能量守恒原理,如果電能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)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(jī)軸上的力矩方程是:T=Kt*i (4)

Kt取決與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁體的幾何形狀、鐵心、繞組線圈等。

一種用于測(cè)試扭矩常數(shù)的方法是用測(cè)力計(jì)配合普朗尼制動(dòng)裝置來測(cè)的,普郎尼制動(dòng)裝置的原理示意如下:

r是電機(jī)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(cè)力計(jì)一測(cè),繩子繞在一個(gè)環(huán)圈上,環(huán)圈鉤在測(cè)力計(jì)上,給電機(jī)供電壓,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),最終電機(jī)堵轉(zhuǎn),用測(cè)力計(jì)測(cè)出f1和f2,則T=(f1-f2)*r.另外用電流表測(cè)出電機(jī)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(cè)量粘滯摩擦系數(shù)

電機(jī)軸空載加速轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力方程(6-1)

電機(jī)軸空載勻速轉(zhuǎn)動(dòng)方程(6-2)

電機(jī)軸摩粘滯摩擦系數(shù)(6-3)

當(dāng)電機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí) ,軸上外力矩為零,理想情況下電流應(yīng)該為零,其實(shí)不然,電機(jī)軸上存在軸承摩擦,轉(zhuǎn)子與定子間的空氣擾動(dòng),繞組的鐵損耗等。這些因素導(dǎo)致空載損失,把它建模成機(jī)械損失力矩,這個(gè)損失力矩是軸速度的函數(shù)。根據(jù)6-3,可以實(shí)驗(yàn)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(gè)常數(shù),所以對(duì)電機(jī)準(zhǔn)確建模并不那么簡單,這條曲線在某一點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)就是粘滯摩擦系數(shù),你該怎么用它來建電機(jī)的模型呢?

7.測(cè)量電感

用方程6,又進(jìn)行電機(jī)堵轉(zhuǎn)測(cè)試, 因?yàn)镽a*i項(xiàng)值很小,La就近似等于,你不近似也可以,自己把Ra*i算進(jìn)去。

注意了,這個(gè)測(cè)試要求萬用表能捕捉電流的變化率,也就是說這是個(gè)暫態(tài)響應(yīng)的測(cè)試,要求萬用表有足夠的動(dòng)態(tài)性能。


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