Test motori EMF posteriori e analisi della forma d'onda: Misurazione costante, Decomposizione armonica, e ottimizzazione della commutazione

Back-EMF: L’impronta elettrica del motore

Quando l'albero motore ruota, il campo magnetico in movimento induce una tensione negli avvolgimenti dello statore anche in assenza di corrente. Questa è la forza retroelettromotrice (back-EMF), ed è la misurazione singola più densa di informazioni disponibile da una macchina elettrica rotante. L’ampiezza rivela il collegamento del flusso per coppia di poli e quindi la capacità del motore di produrre coppia per amp. La forma della forma d'onda determina se la macchina è meglio pilotata da correnti sinusoidali o trapezoidali. Il contenuto armonico prevede l'ondulazione della coppia, rumore acustico, ed errore di commutazione. Inoltre, qualsiasi asimmetria tra le fasi (una deviazione in ampiezza o uno sfasamento rispetto alla spaziatura ideale di 120°) segnala difetti di fabbricazione nelle spire di avvolgimento., posizionamento del magnete, o la qualità della magnetizzazione prima che il motore entri in servizio.

La misurazione della back-EMF viene quindi eseguita in tre punti del ciclo di vita di un motore: durante la convalida iniziale del progetto (caratterizzano il disegno), durante i campioni di pre-produzione (produzione di cancelli), e sul banco prova di fine linea di produzione (schermare ogni unità). Ogni contesto ha una velocità di misurazione diversa, precisione, ed esigenze interpretative.

Cosa rivela il test Back-EMF

Il banco di prova back-EMF aziona il motore in prova (nessuna corrente nei suoi avvolgimenti) a velocità controllata utilizzando un dinamometro a motore primo, quindi cattura simultaneamente tutte e tre le tensioni linea-neutro ad un'elevata frequenza di campionamento. Da questa singola cattura, si possono estrarre diverse proprietà:

• Costante del back-EMF (kE): RMS o tensione picco-neutro divisa per la velocità angolare dell'albero (V/(rad/s) o V/krpm). Direttamente proporzionale alla costante di coppia kT = kE per le unità SI; la deviazione dall'obiettivo di progettazione indica un grado del magnete errato, errori di conteggio dei turni, o traferro errato.
• Forma della forma d'onda: Sinusoidale (PMSM con avvolgimento distribuito), trapezoidale (BLDC con avvolgimento concentrato), o intermedio. La forma determina il profilo di corrente ottimale dell'azionamento.
• Distorsione armonica totale (THD): Dominato dalla 5a e 7a armonica per PMSM a montaggio superficiale; 3terza armonica per alcune macchine ad avvolgimento concentrato a cava frazionaria; 6th armonica (riferito al fondamentale) per macchine con fessure inclinate.
• Equilibrio di fase: Rapporto di ampiezza e angolo di fase tra UA, UB, UC; dovrebbe essere 1.0 e 120° per una macchina trifase equilibrata.
• Posizione di passaggio per lo zero: Fondamentale per i tempi di commutazione BLDC; il passaggio per lo zero della controfase EMF avviene 30° prima dell'istante di commutazione in un azionamento trapezoidale a 6 gradini.

Elementi fondamentali del test

1. Misurazione costante del back-EMF (kE)

Il motore viene fatto girare a una velocità di prova definita (tipicamente 1,000 O 3,000 giri/min) e il valore efficace o la tensione di picco da linea a neutro viene misurata con un analizzatore di potenza di precisione o un oscilloscopio ad alta risoluzione (12-bit o superiore). kE viene calcolato come Urms / OH (dove ω è la velocità angolare elettrica in rad/s). Vengono testate velocità multiple per verificare la linearità (kE dovrebbe essere costante con la velocità per una macchina lineare; la deviazione indica effetti di correnti parassite o di saturazione ad alta velocità). Il risultato viene confrontato con le specifiche di progetto e con la media dei lotti delle unità precedenti.

Metriche chiave: kE entro ±2% delle specifiche per l'accettazione della produzione; coefficiente di variazione (s/m) < 0.5% all'interno di un lotto di produzione.

2. Decomposizione armonica e THD

Una trasformata veloce di Fourier (FFT) della forma d'onda del back-EMF la decompone in fondamentale e armoniche. Per un PMSM pilotato da corrente sinusoidale, l'ampiezza dell'ondulazione della coppia è approssimativamente proporzionale al prodotto dell'ordine armonico e dell'ampiezza armonica, quindi una quinta armonica a 3% dei fondamentali contribuisce approssimativamente 15% ondulazione della coppia a 6× la frequenza fondamentale (6esima armonica della coppia). Il banco di prova caratterizza ciascuna armonica almeno fino al 20° ordine e documenta quali armoniche superano la soglia di accettazione.

Metriche chiave (tipico PMSM): 5th armonica < 3%; 7th armonica < 2%; THD < 5%.

3. Bilanciamento di fase e rilevamento dell'asimmetria

Tre canali del sistema di acquisizione dati catturano simultaneamente UA, UB, UC a 1 MHz o superiore. Asimmetria di ampiezza (una fase più alta o più bassa delle altre due) le bandiere mancano i turni, giri in corto, o polarità errata del magnete. Asimmetria dell'angolo di fase (non esattamente 120° di distanza) indica problemi meccanici: eccentricità del rotore, allineamento errato del settore di magnetizzazione, o passo di avvolgimento errato. Il banco di prova riporta entrambi i rapporti di ampiezza (UA/UB, UB/UC, UC/UA: dovrebbero esserlo tutti 1.0 ± 1%) e deviazioni dell'angolo di fase (dovrebbe essere 120° ± 1°).

4. Linearità back-EMF dipendente dalla velocità

La panchina spazza velocità 10% A 100% della velocità nominale in passi e traccia kE rispetto alla velocità. Una macchina ideale ha kE piatto a tutta velocità; Le perdite per correnti parassite nel magnete o nel ferro del rotore fanno sì che kE sembri diminuire ad alta velocità (il flusso in modo efficace “perdite” nelle correnti parassite). Le macchine destinate al funzionamento di indebolimento del campo sono caratterizzate da velocità superiori alla velocità di base, dove la forza elettromotrice posteriore non deve superare il limite della tensione di alimentazione al quale l'inverter perde il controllo della corrente.

5. Ottimizzazione dei tempi di commutazione BLDC

Per motori BLDC trapezoidali, il passaggio per lo zero della controfase non energizzata è il segnale di riferimento per la commutazione. Il banco caratterizza la posizione di passaggio allo zero rispetto al carico e alla velocità per determinare l'angolo di avanzamento ottimale (tipicamente 0–30° elettrici). Un anticipo di commutazione troppo precoce fa sì che la fase entrante combatta contro il back-EMF; troppo tardi provoca cali di coppia e perdita di efficienza. Il banco fa funzionare il motore su più punti di carico, spazza l'angolo di avanzamento, e misura l'efficienza e l'ondulazione della coppia per trovare il valore ottimale.

Metriche chiave: miglioramento dell'efficienza grazie all'ottimizzazione dell'angolo di avanzamento: 2–8% a seconda della velocità; riduzione dell'ondulazione della coppia: 30–50% con avanzamento ottimizzato rispetto a. commutazione al passaggio per lo zero.

6. Coefficiente di temperatura di kE

Per macchine a magneti permanenti, kE diminuisce con l'aumentare della temperatura del magnete a causa del coefficiente di temperatura negativo di Br (tipicamente −0,11%/°C per NdFeB). Il banco misura kE a 20°C, 60° C., 80° C., 100° C., e 120°C (utilizzando una camera termica o una stima della temperatura basata sulla resistenza degli avvolgimenti). Il coefficiente misurato viene confrontato con la scheda tecnica del magnete; un coefficiente significativamente più negativo del previsto indica un magnete di qualità inferiore a quella specificata. Questo test viene utilizzato anche per calibrare i modelli termici utilizzati nel controller del motore per la precisione dell'osservatore del flusso.

Test Back-EMF di fine linea di produzione

Sulla linea di produzione, la misurazione del back-EMF deve essere completata sotto 5 secondi per unità. Il banco di fine linea fa girare il motore a una velocità di prova fissa (PER ESEMPIO., 1,000 giri/min) in 1–2 secondi, cattura una finestra di 50–200 ms di dati back-EMF, e calcola kE e bilanciamento di fase. Le unità al di fuori della fascia di tolleranza vengono contrassegnate per rilavorazione o scarto. L'incertezza di misura del banco di produzione (compresa l'incertezza sulla velocità, precisione della misurazione della tensione, e la latenza dell'elaborazione dei dati) deve essere piccolo rispetto alla tolleranza di accettazione, per una tolleranza di ±2% su kE, l'incertezza della misurazione al banco dovrebbe essere < 0.3%.

Cosa significa per la selezione del banco prova

Le apparecchiature per la misurazione dei campi elettromagnetici posteriori vanno da un semplice oscilloscopio e un dinamometro da tavolo per i primi R&D lavorare per un tester di fine linea completamente integrato con reporting automatico di superamento/non superamento e controllo statistico del processo (SPC) esportazione dei dati. Le specifiche critiche sono la larghezza di banda di misurazione (deve catturare le armoniche almeno fino al 20° ordine), acquisizione simultanea di tre canali (per calcolare accuratamente l'angolo di fase), precisione della misurazione della velocità (l'incertezza in ω si moltiplica direttamente nell'incertezza in kE), e, per quanto riguarda la produzione, il tempo di ciclo e la tracciabilità dei dati.

I nostri sistemi di test motorio includono la caratterizzazione back-EMF come elemento di test standard sia in R&D e configurazioni di produzione. Per progetti di motori in cui la qualità della back-EMF è un fattore di progettazione primario, possiamo configurare banchi di caratterizzazione dedicati con software di analisi su misura per la topologia del vostro motore. Per discutere le vostre esigenze, parla con il nostro team di ingegneri.