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直流無刷電機(jī)和無刷直流電機(jī)信息智能網(wǎng)

淺談直流電機(jī)參數(shù)的測試和估計(jì)
2022-06-20

直流電機(jī) 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，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，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。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，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)勢轉(zhuǎn)換為正、負(fù)電刷上引出的直流電動(dòng)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(jī)械強(qiáng)度和剛度，一般用圓鋼加工而成。 工作原理 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)子上的線圈與磁場平行時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?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， 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)勢的原理。 感應(yīng)電動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢的方向）。 導(dǎo)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(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)辯識的辦法識別出電機(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.測量轉(zhuǎn)子電阻 對于那些不是做設(shè)計(jì)的測量，那么拿個(gè)萬用表直接測量下也無防，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)勢也為零，因?yàn)椋? （2） 由此，電機(jī)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(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)的測量中，方程基本上是線性方程，被測量可以表達(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(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），測量繞組上的端電壓，由方程（2）計(jì)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(jī)供電空轉(zhuǎn)，根據(jù)端電壓、電流的測量值，可以計(jì)算出反電動(dòng)勢，同時(shí)測量電機(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(zhǔn)確點(diǎn)？ 測試方法一，間接測量反電動(dòng)勢，再計(jì)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(shí)驗(yàn)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(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取決與磁場強(qiáng)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(jì)配合普朗尼制動(dòng)裝置來測的，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，在測力計(jì)一測，繩子繞在一個(gè)環(huán)圈上，環(huán)圈鉤在測力計(jì)上，給電機(jī)供電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終電機(jī)堵轉(zhuǎn)，用測力計(jì)測出f1和f2，則T=（f1-f2）*r.另外用電流表測出電機(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.測量電感 用方程6，又進(jìn)行電機(jī)堵轉(zhuǎn)測試， 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)的測試，要求萬用表有足夠的動(dòng)態(tài)性能。

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