永磁同步伺服电机零速转矩测试方法研究

1 零速转矩试验

1.1 技术要求

各系列各规格电机的零速转矩T0应符合具体产品的设计规定[1]。

1.2 试验方法

如图1所示,将测试电机固定在左侧标准支架上,与伺服驱动单元组成伺服装置,用于控制测试电机;将对拖电机固定在右侧标准支架上,与驱动器、加载控制系统构成加载装置,用于提供转速和负载。为确保试验结果精准,试验环境应不受外界辐射和气流影响[1—2],电机的安装面应尽可能远离热传导表面、通风装置以及其他附加的降温装置[1]。启动伺服驱动单元以驱动测试电机,设置加载装置,使测试电机在零速状态下达到技术要求规定的零速转矩T0,记录测试电机连续堵转时的电压、电流、温度等数据,持续稳定运行至热稳定,即测试电机发热部件的温升在1 h内的变化不超过1 K[3—4]。此时根据电阻法[1,4]测定,其温升值应符合国家标准限值。

1.3 试验依据

电机热分级F级绝缘结构绕组的温升(电阻法测定)不允许超过105K(B级绝缘结构绕组不超过80K)[1,4]。

1.4 试验设备

1)微电阻测试仪,型号:TOS8010。

2)红外线测温枪,型号:FLUKE566。

3)数显温湿度计,型号:A210。

4)三相电参数测试仪,型号:WT330。

5)多路温度测试仪,型号:AT4204。

6)三相变频电源,型号:AFC—33300T。

7)HBM传感器,型号:T40B;量程:100 N.m。

8)PMX采集软件:PMX采集卡,扭矩采样19.2KHz,软件可以分辨和记录出0.25 ms内扭矩、转速的变化曲线和数据。

9)西 门子异步电机 (作为对拖电机),型号:1PH8107—1SM02—0LA1。

2零速转矩测试平台及测试方法

2.1 零速转矩测试平台

2.1.1零速转矩平台构建

零速转矩测试平台是一套具有多档加载功能的对拖测试平台[5],能够通过加载控制系统控制对拖电机,对测试电机施加速度和载荷,进行系统的数据采集、通信、图表、曲线自动分析处理。根据实际测试需要与场地布置,构建如图2所示零速转矩测试平台构架,选用高精度传感器、数据采集设备和对拖电机,选用西门子异步电机作为对拖电机,其具有高速性能好、堵转性能佳等特性,能够保证测试零速转矩的准确性。

在实际应用中搭建的零速转矩测试平台实物如图1所示。

2.1.2PMX数据采集系统

PMX数据采集分析系统既精密又有多通道数据采集功能,能通过工业以太网接口实现高效数据处理和传输,提供直观的web操作界面及TCP/IP诊断配置接口,具有精度高、稳定可靠、操作便捷的特点,特别适用于工业质量控制测试台、产线检测设备和工厂自动化检测,能够确保测量数据安全可追溯,以微秒级精度(0.25 ms以内)实时采集分析扭矩、转速等参数,支持动态曲线记录。

2.1.3加载控制系统

加载控制系统由控制面板、工业级交换机两部分组成,西门子驱动器的驱动程序集成于控制面板中,通过对控制面板的操作,赋予对拖电机转速、转矩,加载界面处设有三档微调加载:± 1、±0.1、±0.01 N.m,

通过微调使所加载荷精准达到目标载荷,并可避免手误操作导致负载过大,损坏测试电机,还可随时启动、停止加载,观察对拖电机温度、电流等参数。

2.2试验操作方法与注意事项

1)将对拖电机与测试电机分别安装在标准试验支架上,应避免通过轴伸及与其所连接物体进行热量传递,并且不受外界热辐射及气流的影响。测量测试电机冷态电阻,记录此时室温。

2)在零速转矩测试中,匹配伺服驱动单元控制测试电机开机赋予使能指令、转速0 r/min,对拖电机驱动器通过操作加载控制系统对对拖电机赋予使能指令、设置指令转速1 r/min、指令转矩为目标零速转矩(依次设置),采集软件启动采集,设置完毕后直接启动测试,测试电机瞬间堵死,满足零速状态。

3)启动测试中,注意观察测试电机电流是否在设计范围内,若最大一相电流大于2倍额定电流,则立即停止试验。测试电机发生堵转时,三相电压、三相电流均不能维持平衡,电机电流过大会导致电机烧坏,因此试验中尤其要注意电流。当在转子最大位置角度时为此零速转矩下最大堵转电流,此时对应的转矩应满足目标零速转矩。根据设计要求,多次测试电机零速转矩,得到三相电流关系为:其中一相最大,其余两相接近且相加约等于最大相[6]。

4)测试电机电流稳定时,观察整个对拖台(对拖电机与测试电机轴伸)是否相对静止且无相对位移,即传感器两侧电机轴伸无相对滑动,电机没有异响,处于零速堵转状态。也可根据HBM采集软件,采集数据波形图中转速是否持续处于0 r/min。

5)测试过程中,需时刻观察电流变化,若测试电机电流三相变化过大,则表明测试电机转角位置在变化,此时电机未完全堵住,应停止试验,可试着加大零速转矩再进行测试。电机分别在绕组U相、V相、w相和后轴承处安装热电偶传感器PT1000[4,7],通过多路温度测试仪监测电机绕组温度,应不超过120 ℃ 。在零速转矩测试过程中,测试电机从冷态运行直至热稳定,即电机表面温度及内部绕组温度连续1 h内温度变化不超过1 K,停机测试热态电阻,记录此时室温。

3测试结果与分析

本文以155SJTF—MZ280CH(A9Ⅱ)永磁同步伺服电机(本公司自主研发电机)作为测试电机,以验证其零速转矩是否满足技术要求。

该测试电机基本参数:额定电压为三相AC380 V,额定电流为13.5 A,额定转矩为22.0 N.m,零速转矩为28.0N.m,额定转速为2000r/min,最高转速为3000 r/min,极数为10极,额定功率为4.6 kw。

1)根据PMX数据采集分析系统采集测试电机在零速转矩(0 r/min、28.0 N.m)测试中自冷态至热稳定的数据如表1所示,采集电机持续堵转30 min波形图如图3所示。

2)利用功率分析仪、伺服驱动单元采集测试电机在零速转矩测试中持续堵转至热稳定时的电压、电流数据,如表2所示。

3)根据多路温度测试仪及测温枪测量,测试电机在零速转矩测试中持续堵转至热稳定时的温度数据如表3、图4所示。由表3可看出测试电机内部温度(即测试电机三相绕组、后轴承处安装热电偶传感器)、表面温度均在连续1 h内,温度变化不超过1 K,测试电机达到热稳定状态。

4)测试电机零速转矩温升应符合国家标准限值规定,即电机热分级F级绝缘结构绕组的温升(电阻法测定)不允许超过105 K(B级绝缘结构绕组不超过80 K),此处用电阻法测定温升值θ,按下式计算[1—2,4]:

式中:θ为电机的温升(K);R1为温度t1(冷态)时的绕组电阻(Ω);R2为温度t2时的绕组电阻(Ω);t1为测量绕组(冷态)初始电阻R1时的温度(℃);t2为温升试验结束时的温度(℃)。

注:对铜绕组,温度常数为235;对铝绕组,应由225替代。

电机停止运行后如不超过30 s,测得绕组电阻读数直接作为温升计算值的数据[1]。

在此次试验中,155SJTF—MZ280CH(A9Ⅱ)测试电机采用F级绝缘结构,零速转矩测试所得温升为60.07 K,如表4所示,低于国家标准限值105 K,符合产品专用技术要求。

4结束语

试验中采用对拖台、PMX数据采集系统、加载控制系统进行电机零速转矩测试,精准控制转速、转矩,实现测试电机在试验前后,长时间在堵转工况下从冷态直至热稳定,且电机测试过后能够正常运行,满足产品专用技术条件的规定。

[参考文献]

[1]工业机械 数 字 控 制系 统 用交流伺服电动机 :JB/T11991—2014[S].

[2] 永磁交流伺服电动机 通用技术条件:GB/T 30549—2014[S].

[3]旋转电机 定额和性能:GB/T 755—2019[S].

[4]才家刚.电机试验技术及设备手册[M].2版.北京:机械工业出版社,2011.

[5]赵波,邵国安,时晓霞,等.基于馈电技术具有多档加载功能的电机测试平台 [J]. 日用 电器,2017 (增刊1):215—220.

[6] 陈茜兵,徐禹翔,程仁恒,等.纯电动汽车用PMSM系统堵转设计与应用[J].电子产品世界,2022,29(11):59—64.

[7]王泉,刘毅,赵慧云,等.家电电机堵转智能化测试装置的设计开发[J].日用电器,2022(4):21—24.

《机电信息》2025年第18期第5篇