Tests de force contre-électromotrice du moteur et analyse de forme d'onde: Mesure constante, Décomposition Harmonique, et optimisation des déplacements

Retour-EMF: L’empreinte électrique du moteur

Quand un arbre moteur tourne, le champ magnétique en mouvement induit une tension dans les enroulements du stator même sans courant circulant. C'est la force rétro-électromotrice (contre-EMF), et il s'agit de la mesure unique la plus riche en informations disponible à partir d'une machine électrique tournante. L'amplitude révèle la liaison de flux par paire de pôles et donc la capacité du moteur à produire un couple par ampère.. La forme de l'onde détermine si la machine est mieux entraînée par des courants sinusoïdaux ou trapézoïdaux.. Le contenu harmonique prédit l'ondulation du couple, bruit acoustique, et erreur de commutation. Et toute asymétrie entre les phases (un écart d'amplitude ou un déphasage par rapport à l'espacement idéal de 120°) signale des défauts de fabrication dans les spires du bobinage., placement de l'aimant, ou la qualité de la magnétisation avant la mise en service du moteur.

La mesure de la force contre-électromotrice est donc effectuée à trois moments du cycle de vie d'un moteur.: lors de la validation initiale de la conception (caractériser la conception), pendant les échantillons de pré-production (fabrication de portails), et sur le banc de test de fin de ligne de production (contrôler chaque unité). Chaque contexte a une vitesse de mesure différente, précision, et les exigences en matière d'interprétation.

Ce que révèlent les tests Back-EMF

Le banc de test back-EMF pilote le moteur testé (pas de courant dans ses enroulements) à une vitesse contrôlée à l'aide d'un dynamomètre à moteur principal, capture ensuite simultanément les trois tensions ligne-neutre à une fréquence d'échantillonnage élevée. De cette seule capture, plusieurs propriétés peuvent être extraites:

• Constante de contre-EMF (kE): RMS ou tension crête à neutre divisée par la vitesse angulaire de l'arbre (V/(rad/s) ou V/krpm). Directement proportionnel à la constante de couple kT = kE pour les unités SI; un écart par rapport à l'objectif de conception indique une mauvaise qualité d'aimant, erreurs de comptage de tours, ou entrefer incorrect.
• Forme de la forme d'onde: Sinusoïdal (PMSM à enroulement distribué), trapézoïdal (BLDC à bobinage concentré), ou intermédiaire. La forme détermine le profil de courant de commande optimal.
• Distorsion harmonique totale (THD): Dominé par les 5ème et 7ème harmoniques pour les PMSM à montage en surface; 3ème harmonique pour certaines machines à enroulement concentré à fentes fractionnaires; 6ème harmonique (fait référence aux principes fondamentaux) pour machines avec fentes asymétriques.
• Equilibre des phases: Rapport d'amplitude et angle de phase entre UA, UB, CU; devrait être 1.0 et 120° pour une machine triphasée équilibrée.
• Position de passage à zéro: Critique pour le timing de commutation BLDC; le passage par zéro de la force contre-électromotrice de phase se produit 30° avant l'instant de commutation dans un entraînement trapézoïdal à 6 étapes.

Éléments de test de base

1. Mesure constante de contre-EMF (kE)

Le moteur tourne à une vitesse de test définie (typiquement 1,000 ou 3,000 RPM) et la tension efficace ou crête entre la ligne et le neutre est mesurée avec un analyseur de puissance de précision ou un oscilloscope haute résolution (12-peu ou plus). kE est calculé comme Urms / Oh (où ω est la vitesse angulaire électrique en rad/s). Plusieurs vitesses sont testées pour vérifier la linéarité (kE doit être constant avec la vitesse pour une machine linéaire; un écart indique des effets de courants de Foucault ou de saturation à grande vitesse). Le résultat est comparé aux spécifications de conception et à la moyenne du lot des unités précédentes.

Indicateurs clés: kE à ±2 % de la spécification pour l'acceptation de la production; coefficient de variation (s/m) < 0.5% au sein d'un lot de production.

2. Décomposition Harmonique et THD

Une transformée de Fourier rapide (FFT) de la forme d'onde back-EMF la décompose en fondamentale et harmoniques. Pour un PMSM piloté par un courant sinusoïdal, l'amplitude d'ondulation du couple est approximativement proportionnelle au produit de l'ordre harmonique et de l'amplitude harmonique, donc une 5ème harmonique à 3% des fondamentaux contribuent à peu près 15% ondulation de couple à 6 × la fréquence fondamentale (6ème harmonique du couple). Le banc de test caractérise chaque harmonique jusqu'au moins jusqu'au 20ème ordre et documente quelles harmoniques dépassent le seuil d'acceptation..

Indicateurs clés (PMSM typique): 5ème harmonique < 3%; 7ème harmonique < 2%; THD < 5%.

3. Détection d'équilibre de phase et d'asymétrie

Trois canaux du système d'acquisition de données capturent simultanément l'UA, UB, UC à 1 MHz ou plus. Asymétrie d'amplitude (une phase supérieure ou inférieure aux deux autres) drapeaux manquant des virages, virages raccourcis, ou mauvaise polarité de l'aimant. Asymétrie d'angle de phase (pas exactement 120° l'un de l'autre) indique des problèmes mécaniques : excentricité du rotor, alignement incorrect du secteur de magnétisation, ou mauvais pas d'enroulement. Le banc d'essai rapporte à la fois le rapport d'amplitude (UA/UB, UB/UC, UC/UA : tout devrait être 1.0 ± 1%) et écarts d'angle de phase (devrait être de 120° ± 1°).

4. Linéarité de la force contre-électromotrice en fonction de la vitesse

Le banc balaie la vitesse de 10% à 100% de la vitesse nominale en pas et en tracés kE en fonction de la vitesse. Une machine idéale a un kE plat sur toute la vitesse; Les pertes par courants de Foucault dans l'aimant ou le fer du rotor font que kE semble diminuer à grande vitesse (le flux efficacement “fuites” dans les courants de Foucault). Les machines destinées au fonctionnement en défluxage sont caractérisées à des vitesses supérieures à la vitesse de base, où la force contre-électromotrice ne doit pas dépasser la limite de tension d'alimentation à laquelle l'onduleur perd le contrôle du courant.

5. Optimisation du timing de commutation BLDC

Pour moteurs BLDC trapézoïdaux, le passage par zéro de la contre-EMF de phase hors tension est le signal de référence pour la commutation. Le banc caractérise la position de passage à zéro en fonction de la charge et de la vitesse pour déterminer l'angle d'avance optimal (généralement 0 à 30° électrique). Une avance de commutation trop précoce amène la phase entrante à lutter contre la force contre-électromotrice; trop tard provoque des baisses de couple et une perte d'efficacité. Le banc fait fonctionner le moteur à plusieurs points de charge, angle d'avance du balayage, et mesure l'efficacité et l'ondulation du couple pour trouver l'optimum.

Indicateurs clés: amélioration de l'efficacité grâce à l'optimisation de l'angle avancé: 2–8% selon la vitesse; réduction de l'ondulation du couple: 30–50% en avance optimisée vs. commutation aux passages à zéro.

6. Coefficient de température de kE

Pour machines à aimants permanents, kE diminue avec l'augmentation de la température de l'aimant en raison du coefficient de température négatif de Br (généralement −0,11 %/°C pour le NdFeB). Le banc mesure kE à 20°C, 60°C, 80°C, 100°C, et 120°C (en utilisant une chambre thermique ou une estimation de la température basée sur la résistance des enroulements). Le coefficient mesuré est comparé à la fiche technique de l'aimant; un coefficient nettement plus négatif que prévu indique un aimant de qualité inférieure à celle spécifiée. Ce test est également utilisé pour calibrer les modèles thermiques utilisés dans le contrôleur de moteur pour la précision de l'observateur de flux..

Tests de CEM de fin de production

Sur la chaîne de production, La mesure du back-EMF doit être terminée en moins de 5 secondes par unité. Le banc de fin de ligne fait tourner le moteur à une vitesse de test fixe (par ex., 1,000 RPM) en 1 à 2 secondes, capture une fenêtre de 50 à 200 ms de données back-EMF, et calcule kE et l'équilibre des phases. Les unités en dehors de la bande de tolérance sont marquées pour être retravaillées ou mises au rebut.. L’incertitude de mesure du banc de production (y compris l'incertitude de vitesse, précision de mesure de tension, et latence du traitement des données) doit être petit par rapport à la tolérance d'acceptation - pour une tolérance de ± 2 % sur kE, l'incertitude de mesure sur banc doit être < 0.3%.

Ce que cela signifie pour la sélection des bancs d'essai

L'équipement de mesure de la force électromagnétique va d'un simple oscilloscope à un dynamomètre de table pour les premiers R&D travailler sur un testeur de fin de ligne entièrement intégré avec des rapports de réussite/échec automatisés et un contrôle statistique du processus (CPS) exportation de données. Les spécifications critiques sont la bande passante de mesure (doit capturer les harmoniques jusqu'au moins le 20ème ordre), capture simultanée à trois canaux (pour calculer avec précision l'angle de phase), précision de la mesure de la vitesse (l'incertitude en ω se multiplie directement en incertitude en kE), et, pour la production, le temps de cycle et la traçabilité des données.

Nos systèmes de test de moteur incluent la caractérisation back-EMF comme élément de test standard dans les deux R&Configurations D et production. Pour les conceptions de moteurs où la qualité de la force contre-électromotrice est une priorité de conception, nous pouvons configurer des bancs de caractérisation dédiés avec des logiciels d'analyse adaptés à la topologie de votre moteur. Pour discuter de vos besoins, parlez à notre équipe d’ingénieurs.