Тестирование противо-ЭДС двигателя и анализ формы сигнала: Постоянное измерение, Гармоническое разложение, и оптимизация коммутации

Противо-ЭДС: Электрический отпечаток двигателя

Когда вал двигателя вращается, движущееся магнитное поле индуцирует напряжение в обмотках статора даже при отсутствии тока. Это обратная электродвижущая сила (противо-ЭДС), и это наиболее информативное единичное измерение, доступное для вращающейся электрической машины.. Амплитуда показывает потокосцепление на пару полюсов и, следовательно, способность двигателя создавать крутящий момент на ампер.. Форма сигнала определяет, какой тип тока лучше всего приводит в движение: синусоидальный или трапециевидный.. Содержание гармоник предсказывает пульсации крутящего момента., акустический шум, и ошибка коммутации. А любая асимметрия между фазами — отклонение амплитуды или фазового сдвига от идеального расстояния в 120° — указывает на производственные дефекты витков обмотки., размещение магнита, или качество намагничивания еще до ввода двигателя в эксплуатацию.

Таким образом, измерение противо-ЭДС выполняется в трех точках жизненного цикла двигателя.: во время первоначальной проверки проекта (охарактеризовать дизайн), во время предсерийных образцов (производство ворот), и на испытательном стенде конечной стадии производства (проверять каждую единицу). Каждый контекст имеет разную скорость измерения., точность, и требования к интерпретации.

Что показывает тестирование противо-ЭДС

Стенд для испытания противоЭДС приводит в действие испытуемый двигатель. (нет тока в его обмотках) на контролируемой скорости с использованием динамометра первичного двигателя, затем фиксирует все три напряжения между фазой и нейтралью одновременно с высокой частотой дискретизации. Из этого единственного захвата, можно извлечь несколько свойств:

• Постоянная противо-ЭДС (кЭ): Среднеквадратичное значение или пиковое напряжение, деленное на угловую скорость вала. (В/(рад/с) или В/об/мин). Прямо пропорционально постоянной крутящего момента kT = kE для единиц СИ.; отклонение от проектной цели указывает на неправильный класс магнита, ошибки в подсчете ходов, или неправильный воздушный зазор.
• Форма сигнала: Синусоидальный (СДСМ с распределенной обмоткой), трапециевидный (BLDC с сосредоточенной обмоткой), или промежуточный. Форма определяет оптимальный профиль тока привода.
• Суммарные гармонические искажения (КНИ): Доминируют 5-я и 7-я гармоники для СДСМ поверхностного монтажа.; 3третья гармоника для некоторых машин с дробными пазами и сосредоточенной обмоткой; 6гармоника (относится к фундаментальным) для станков со скошенными пазами.
• Фазовый баланс: Амплитудное соотношение и фазовый угол между UA, УБ, Калифорнийский университет; должно быть 1.0 и 120° для сбалансированной трехфазной машины..
• Положение перехода через нуль: Критично для времени коммутации BLDC.; пересечение фазовой противоЭДС через ноль происходит за 30° до момента коммутации в 6-ступенчатом трапециевидном приводе..

Основные тестовые задания

1. Постоянное измерение противо-ЭДС (кЭ)

Двигатель вращается с определенной испытательной скоростью. (обычно 1,000 или 3,000 об/мин) а среднеквадратичное или пиковое напряжение между фазой и нейтралью измеряется прецизионным анализатором мощности или осциллографом высокого разрешения. (12-немного или выше). kE рассчитывается как Urms / ой (где ω — электрическая угловая скорость, рад/с.). Несколько скоростей тестируются для проверки линейности. (kE должен быть постоянным в зависимости от скорости для линейной машины.; отклонение указывает на вихревые токи или эффекты насыщения на высокой скорости.). Результат сравнивается с проектной спецификацией и средним значением партии из предыдущих единиц..

Ключевые показатели: кЭ в пределах ±2% от норматива приемки производства; коэффициент вариации (с/м) < 0.5% в пределах производственной партии.

2. Гармоническое разложение и THD

Быстрое преобразование Фурье (БПФ) формы волны обратной ЭДС разлагает ее на основные гармоники и гармоники.. Для СДСМ, управляемого синусоидальным током, Амплитуда пульсаций крутящего момента примерно пропорциональна произведению порядка гармоники и амплитуды гармоники., так что 5-я гармоника в 3% фундаментального вклада примерно 15% пульсации крутящего момента на частоте, в 6 раз превышающей основную частоту (6гармоника крутящего момента). Испытательный стенд характеризует каждую гармонику как минимум до 20-го порядка и документирует, какие гармоники превышают порог приемлемости..

Ключевые показатели (типичный ПМСМ): 5гармоника < 3%; 7гармоника < 2%; КНИ < 5%.

3. Обнаружение фазового баланса и асимметрии

Три канала системы сбора данных одновременно фиксируют UA, УБ, UC в 1 МГц или выше. Амплитудная асимметрия (одна фаза выше или ниже двух других) флажки пропущенных поворотов, закороченные повороты, или неправильная полярность магнита. Асимметрия фазового угла (не ровно на 120° друг от друга) указывает на механические проблемы — эксцентриситет ротора., неправильное выравнивание сектора намагничивания, или неправильный шаг намотки. Испытательный стенд сообщает как соотношение амплитуд (UA/UB, УБ/УК, UC/UA — всё должно быть 1.0 ± 1%) и отклонения фазового угла (должен составлять 120° ± 1°).

4. Линейность противо-ЭДС в зависимости от скорости

Скамья набирает скорость от 10% к 100% номинальной скорости в шагах и графики зависимости kE от скорости. Идеальная машина имеет равномерный коэффициент kE на всех скоростях.; потери на вихревые токи в магните или железе ротора приводят к уменьшению kE на высокой скорости. (поток эффективно “утечки” в вихревые токи). Машины, предназначенные для работы в режиме ослабления поля, характеризуются скоростями выше базовой скорости., где обратная ЭДС не должна превышать предел напряжения питания, при котором инвертор теряет контроль тока.

5. Оптимизация времени коммутации BLDC

Для трапециевидных двигателей BLDC., пересечение нуля фазовой обратной ЭДС без напряжения является опорным сигналом для коммутации.. Стенд характеризует положение перехода через нуль в зависимости от нагрузки и скорости, чтобы определить оптимальный угол опережения. (обычно 0–30 ° электрический). Слишком раннее опережение коммутации приводит к тому, что входная фаза начинает бороться с противо-ЭДС.; слишком поздно приводит к падению крутящего момента и потере эффективности.. Стенд запускает двигатель в нескольких точках нагрузки., угол опережения стреловидности, и измеряет эффективность и пульсацию крутящего момента, чтобы найти оптимальный.

Ключевые показатели: повышение эффективности за счет оптимизации угла опережения: 2–8% в зависимости от скорости; уменьшение пульсаций крутящего момента: 30–50% при оптимизированном продвижении против. коммутация при пересечении нуля.

6. Температурный коэффициент kE

Для машин с постоянными магнитами, kE уменьшается с увеличением температуры магнита из-за отрицательного температурного коэффициента Br (обычно -0,11%/°C для NdFeB). Стенд измеряет kE при 20°C., 60°С, 80°С, 100°С, и 120°С (использование тепловой камеры или оценка температуры на основе сопротивления обмотки). Измеренный коэффициент сравнивается с паспортом магнита.; коэффициент, значительно более отрицательный, чем ожидалось, указывает на магнит более низкого качества, чем указано. Этот тест также используется для калибровки тепловых моделей, используемых в контроллере двигателя, на предмет точности измерения потока..

Испытание обратной ЭДС на конечном этапе производства

На производственной линии, Измерение противо-ЭДС должно быть завершено в течение 5 секунды на единицу. Стенд в конце линии раскручивает двигатель до фиксированной испытательной скорости. (НАПРИМЕР., 1,000 об/мин) через 1–2 секунды, захватывает окно данных обратной ЭДС длительностью 50–200 мс., и вычисляет kE и фазовый баланс. Единицы, выходящие за пределы поля допуска, помечаются как подлежащие доработке или списанию.. Неопределенность измерения производственного стенда (включая неопределенность скорости, точность измерения напряжения, и задержка обработки данных) должно быть небольшим относительно допуска — для допуска ±2% по kE., погрешность стендовых измерений должна быть < 0.3%.

Что это означает для выбора испытательного стенда

Оборудование для измерения обратной ЭДС варьируется от простого осциллографа до настольного динамометра.&D перейти к полностью интегрированному тестировщику конечной линии с автоматическим отчетом о пройденном/неудачном этапе и статистическим контролем процесса. (НПЦ) экспорт данных. Важнейшими характеристиками являются ширина полосы измерения. (должен улавливать гармоники как минимум до 20-го порядка), одновременный трехканальный захват (для точного расчета фазового угла), точность измерения скорости (неопределенность в ω напрямую умножается на неопределенность в kE), и — для производства — время цикла и отслеживаемость данных..

Наши системы тестирования двигателей включают определение противо-ЭДС в качестве стандартного объекта испытаний как в R, так и в R-режиме.&D и производственные конфигурации. Для конструкций двигателей, где качество обратной ЭДС является основным параметром проектирования., мы можем настроить специальные стенды для определения характеристик с помощью программного обеспечения для анализа, адаптированного к топологии вашего двигателя.. Чтобы обсудить ваши требования, поговорите с нашей командой инженеров.