电动汽车电机系统原理与测试技术08电机参数的测试方法

电动汽车 电机系统原理与测试技术,电机参数的测试方法,2019/4/10,目录,电机的转动惯量和时间常数 电机系统杂散损耗测试方法 直流电机参数的测试方法 异步电机参数的测试方法 永磁同步电机参数的测试方法,2019/4/10,一、电机转子转动惯量的测定 在分析电动机的起动、调速及制动等动态特性，实施自动控制，以及改变运行状态时，都需要知道转子转动惯量J。在几何尺寸和材料已知的情况下:,式中 R旋转体有效半径； m旋转体质量；,对于简单的组合结构，可利用叠加原理求得：,电机的转动惯量和时间常数,2019/4/10,获取电机转子转动惯量的方法有两类, 一类是计算法,另一类是测试法。由于电机转子由不同材质组成, 存在齿槽, 因此密度不均匀, 尺寸不易测量，难以用公式来描述其质量的分布状态，即使写出公式，也极其复杂，因而难以计算出其转动惯量。 在这种情况下，怎么办？,转动惯量测量,2019/4/10,工程上多用测试法，常用的实验测方法有： 悬挂转子摆动法 辅助摆锤法（钟摆法） 空载减速法 重物自由降落法,转动惯量测量,2019/4/10,1、单钢丝扭转摆动法:用密度均匀的金属材料制成简单圆柱体的假转子，其转动惯量为：,式中 D假转子圆柱体直径； m假转子的质量；,l,扭转转子30°，测取往返摆动次数N及其所需时间 ，计算其摆动周期平均值：,转动惯量测量-悬挂转子摆动法,2019/4/10,摆动周期T的二次方与物体的转动惯量成正比:,以被测电机的转子代替假转子，重复上述实验，测得被测试转子的摆动周期平均值,转动惯量测量-悬挂转子摆动法,则有：,2019/4/10,故被测电机转子的转动惯量为：,转动惯量测量-悬挂转子摆动法,2019/4/10,单钢丝扭转摆动法几点说明：,按被试转子的重量选择适当直径和一定长度的钢丝，此钢丝应能承受被测物之重量,能够被拉直而保持不变形。 必须保证钢丝轴线与标准转子轴线同心且垂直地面，悬挂长度通常可取0.5m及以上。 待标准转子静止后，再把标准转子绕心轴转一个适当角度（可用30°左右） 被试转子与标准转子悬挂长度应相同，应使用同一根吊线，同一套悬吊装置，同一只秒表。,具体参考GJB94967小型电机转子转动惯量的测定方法。,转动惯量测量-悬挂转子摆动法,2019/4/10,2、双钢丝扭转摆动法：扭转电机转子使其以轴线为中心摆动，扭转角不大于10°，测取若干次摆动时间，求其摆动周期的平均值T，转子转动惯量按下式计算,式中 T摆动周期的平均值（s）； S两根钢丝之间的距离； l钢丝的长度； m电机转子的质量。,转动惯量测量-悬挂转子摆动法,2019/4/10,如图所示，悬挂线长为L，转子扭转角度q , 悬挂线绕固定点转过角度b，悬挂线距转轴线距离为r，转子重量G。其转子受力如图所示。由于两根悬挂线完全对称，只画出了一根悬挂线分析情况。,转动惯量测量-悬挂转子摆动法,2019/4/10,转动惯量测量-悬挂转子摆动法,2019/4/10,式中, J电机转子转动惯量; G电机转子重量; r悬挂线距转轴线距离,2r=S; L悬挂线长度; f电机转子振荡频率,f=1/T。,转动惯量测量-悬挂转子摆动法,2019/4/10,用尽量小的杆将一质量已知的辅助摆锤固定于被试电机轴端面的中心上，杆与转轴轴线垂直。,对于具有换向器或集电环的电机，试验前须提起全部电刷。,r,转动惯量测量-辅助摆锤法（钟摆法）,2019/4/10,试验过程：使摆锤自其静止位置偏转一个不大于150°的角度，放手任其摆动，以摆锤经过原静止位置的瞬间作为测量的起始点，测2或3次摆次的周期总时间，再计算平均值。,被测试电机的转动惯量可按下式计算：,式中 m辅助摆锤的质量； T辅助摆锤摆动周期的平均值。 r辅助摆锤重心到电机转轴中心 线的距离；,转动惯量测量-辅助摆锤法（钟摆法）,2019/4/10,说明： 摆杆质量尽可能小； 测试前电刷抬起； 此法适用于测定具有滚动轴承的电机转动惯量； 为了提高测量的准确度，可选用质量不同的几个摆锤重复测量。,转动惯量测量-辅助摆锤法（钟摆法）,2019/4/10,此法适用于测定功率为100kW以上电机的转动惯量。,实验过程： 使被测电机转速提高并超过其同步转速（例如用变频电源调节被试电机转速，或采用机械驱动） 切断电源或脱开驱动机械，使电机在惯性下自然减速。,测定时电机转速一般在1.10.9倍同步转速范围内。由于机械损耗的空载阻转矩 ，使被测电机的转速逐步下降。,转动惯量测量-空载减速法,2019/4/10,由于,故可按下式计算转动惯量,转动惯量测量-空载减速法,2019/4/10,说明： 此法适用于额定功率为100kw以上容量较大的电机。 无论取n为被试电机的同步转速或空载转速，n、 、dn/dt三者的值都必须是相对应的。 该方法最简单，使用最多，但是其精度相对于其他几种方法也最低。,转动惯量测量-空载减速法,2019/4/10,实验过程： 在被测电机的轴端或在轴上的联轴器（带轮）上绕若干圈绳索，绳索一端固定在轴或轮上，另一端系重物m，绳索质量尽可能小。 放开重物使其自由下落，记录下落高度h及其相应时间t。,按右式计算转动惯量,式中 m重物质量 D轴或联轴器的外径 h重物下落的高度 t重物下落的时间,转动惯量测量-重物自由降落法,2019/4/10,几点说明： 测量时，应尽可能使下落高度h大一些。 此法只适用于中小型电机，试验时应尽可能减少转子的机械损耗，对于有电刷的电机，实验前应将电刷全部提起。,转动惯量测量-重物自由降落法,2019/4/10,二、电机时间常数的测量 电机时间常数（起动时间）是衡量电动机通电后能快速动作的重要技术指标之一。根据国家标准中对机电时间常数的定义，电机时间常数是电机在空载和额定励磁条件下，加以阶跃的额定电压，其转速从零升到空载转速的0.632倍所需的时间。,时间常数测量,2019/4/10,电机从一种稳定运行状态变化到另一种稳定运行状态的过程，实际上包含电磁和机械的两个动态过程。 电磁过渡过程：当加以额定电压后，电流到达稳定值所需要经历的一个过渡过程。（电气时间常数） 机械过渡过程：当电流、磁场和电磁转矩都建立后，电机转速由零上升到空载转速 的过程。（机械时间常数）,时间常数测量,一般情况下，电气时间常数小于机械时间常数。忽略不计电气时间常数，电机起动过程可视为一阶惯性系统。,2019/4/10,电机的二阶惯性系统常用传递函数表示为：,当 时，可以简化为一阶惯性环节，即：,时间常数测量,1.理论计算方法,2019/4/10,时间常数测量,2019/4/10,求时间常数的方法： 计算（影响值得因素较多，计算值误差较大） 试验测量： 电动机发电机对拖法,时间常数测量,2019/4/10,2.电动机发电机对拖法 测试方法： 两台同型号的被测电机，同轴连接。 一台作为电动机运行，另一台作为发电机运行。 接通电源后，转速由零上升到空载转速，在这个过程中，获得转速变化规律的曲线n= f(t) 。,时间常数测量-电动机发电机对拖法,2019/4/10,时间常数测量-电动机发电机对拖法,2019/4/10,两台电机的空载摩擦转矩为一台的2倍，机组的空载转速要比单台电机稍低。若精度要求较高，则需要修正：,根据时间常数的定义，对于单台电机有：,对于对拖的两台电机有,以上两式相除得,时间常数测量-电动机发电机对拖法,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,杂散损耗是电机总损耗中除掉定子铜耗、定子铁耗、转子铜耗、机械损耗以及电刷损耗之外的其他损耗的统称,又称为附加损耗。 杂散损耗可分为空载杂耗和负载杂耗。 电机的杂散损耗通常主要是指负载杂耗。 按照杂散损耗产生原因的不同，又可分为基频杂耗和高频杂耗。 对感应电机来说，高频杂耗是主要的，约占电机总杂耗的70%-90%。,工程上确定杂散损耗的方法主要有两种： 实测法，对于同步电机通常应采用实测法，对于直流电机和感应电机，如认为需要也可采用实测法。 按照电机额定输出(发电机)或额定输入(电动机)电功率的一定百分比来约定。,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,几点说明： 测功机法实际上是一种直接负载法。 这种方法对测功机和测试仪表的精度要求较高，否则可能引起较大的测量误差。,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,两台电机的负载杂耗之和可由下式计算： 确定被试电机在电机运行状态下的杂散损耗时，可将上式确定的总杂散损耗按两台电机转子铜耗大小进行分配，即,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,按照与上面相同的原理和步骤，可测得被试电机作发电机运行时的负载杂耗 则被试电机的负载杂耗 可由两次试验的平均值来确定，即,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,几点说明： 在记录试验数据前被试电机应调至额定负载，并达到热稳定状态。 试验中无论是作电动机运行还是作发电机运行，被试电机应始终保持额定电压。 试验后应绘制 曲线，所求负载的杂散损耗，应从曲线查取后，再按上式计算。,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,反转法测杂散损耗时，应注意以下几点： （1）采用直流机或测功机作为辅助电机时，辅助电机的容量应为被试电机容量的15左右，采用感应电机时，宜选用相同极数相同容量的感应电机。 （2）电机温度对测试结果有明显影响。若试验从冷态作起，被试电机需在反转状态下通电预热。预热时定子为额定电流，推荐预热时间为10min(小型电机)。若在温升试验后立即进行本试验，则可不再预热。,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,2019/4/10,电机系统杂散损耗测试方法,一、电刷中性线位置的测定 1. 正反转发电机法 2. 正反转电动机法 3. 感应法,2019/4/10,直流电机参数的测试方法,二、无火花换向区域的测定 1.换向电流馈电方式 换向电流的馈电方式有两种，一种是将换向绕组与电枢回路分开，引出后由单独的直流电源供电；另一种是在换向极的两端并接上一个附加直流电源。,2019/4/10,直流电机参数的测试方法,2. 试验步骤 （1）试验时，被试电机采用发电机状态运行。同时，要求被试电机电刷中心位置调整准确，电刷与换向器磨合较好，电机处于正常工作温度状态。 （2）使被试电机以发电状态运行，保持其转速和输出电压不变。每一测试点都应缓慢调整附加电流，直到在电刷边缘出现微小火花为止。然后将附加电流回零，改变其极性，再逐步增加反向附加电流使电刷边缘出现火花为止。记录两个方向出现火花时的电枢电流及附加电流值。一共测5-7个点。,2019/4/10,直流电机参数的测试方法,（3）试验结束后，应取在不同负载电流情况下的正负两个附加电流值，绘制出附加电流对电枢电流的关系曲线。两条曲线所包络的区域称无火花换向区，如图所示。,2019/4/10,直流电机参数的测试方法,三、整流电源供电时电机的电压、电流 纹波因数及电流波形因数的测定 （1）电压、电流纹波因数的计算 当电压、电流波形不间断时，其形如图所示,2019/4/10,直流电机参数的测试方法,纹波因数为:,2019/4/10,直流电机参数的测试方法,式中,电压纹波因数； 脉动电压最大值（V）； 脉动电压最小值（V）。,电流纹波因数； 脉动电流最大值（A）； 脉动电流的最小值（A）。,当电压、电流波形间断时，其波形如图所示,2019/4/10,直流电机参数的测试方法,纹波因数为:,2019/4