| 永磁直流力矩電動機勵磁靜摩擦力矩研究
張文海，譚宏松
(成都精密電機廠，四川成都610500)
永磁直流力矩電動機因電樞齒槽磁阻不同而產(chǎn)生很大的磁阻力矩，這個磁阻力矩通常占電動機總靜摩擦力矩的95％以上，所以永磁直流力矩電動機的靜摩擦力矩又稱勵磁靜摩擦力矩。勵磁靜摩擦力矩對永磁直流力矩電動機的動態(tài)性能和靜態(tài)性能影響很大。本文則是對這一問題的實驗分析與研究。
1勵磁靜摩擦力矩與連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩之比同電動機機座號的關(guān)系
選擇21種永磁商流力矩電動機，機座號由45#～850#，勵磁靜摩擦力矩由5. 5mN·m～55．4N·m，連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩由49 mN·m～3555 N·m。各種電機實測勵磁靜摩擦力矩與連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩比同機座號的關(guān)系，如表1所示。
觀察表中數(shù)據(jù)可以看出，永磁直流力矩電動機勵磁靜摩擦力矩與連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩之比同機座號的關(guān)系是隨機座號的增大則減小。一般小于45#機座的電機，二者之比為10％左右；60#~90#機座電機，二者之比為百分之5.5；100#～160#電機，二者之比為百分之4．5左右；200#～320#電機，二者之比為3％左右；370#~600#機座電機，二者之比為百分之2左右；850#機座電機，二者之比為百分之1.3左右。
永磁直流力矩電動機為何有這種關(guān)系?這和大機座號電機常數(shù)大，小機座號電機常數(shù)小確關(guān)。大機座號電機常熟大，損耗則小，所以勵磁靜摩擦力矩與連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩之比減小；小機座號電機常數(shù)小，損耗則人，所以勵磁靜摩擦力矩與連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩之比增大。永磁直流力矩電動機這種勵磁靜摩擦力矩與連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩之比隨機座號增大而減小的規(guī)律，這為我們估算水磁直流力矩電動勸機的勵磁靜摩擦力矩提供了方便。實踐中， 一臺力矩電動機，只要我們知道它的設(shè)計參數(shù)如機座號、連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩值，便可由表l中的規(guī)律，確知它的勵磁靜摩擦力矩在連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩中所應(yīng)占的百分數(shù)，由此估算出它的勵磁靜摩擦力矩的近似值。
下面我們選擇一臺電機進行實際估算：永磁直流力矩電動機J170LYX03，電壓Dc27 v，實測Ra=1 34Ω，n0=214 r／min，I0=0 33A；起動電流I00=O .26A，Jk1=6 3A，Tk1=7. 5N·m。估算程序為：
(1)根據(jù)該電機機座號為170#，表1中i00#～160#二者之比為百分之4 .5，200#～300#二者之比為百分之3，由于170#介于二兩者之間，確定170#電機勵磁靜摩擦力矩，連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩之比為百分之4。
(2)該電機的連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩設(shè)計值為≥6 5N·m，實測值為7．5N·m，由設(shè)計值估算出它的勵磁靜摩擦力矩Me=6．5×0.04=O. 26N·m；由實測值估算出它的勵磁靜摩擦力矩為Me=7．5×O. 04-0.3N·m。估算是否正確?可用國家軍用標準G_lB971A一99《永磁直流力矩電動機通用規(guī)范》勵磁靜摩擦力矩測試方法求得，即勵磁靜摩擦力矩Me，等于起動電流I00。乘以電機轉(zhuǎn)矩靈敏度mj，Mj=Tk1/Ik1。
計算值與估算值近似相等，說明估算正確。當然，表1的規(guī)律是一種總體趨勢，對于具體電機還是有一定變化。例如序號11、12、20、21各為兩種同機座號電機，但它的各自的比值并不完全相等。不過差異一般不會很大。而序號12電機則出現(xiàn)反常，按規(guī)律它的比值應(yīng)為百分之3左右，實際卻為百分之4. 3，這應(yīng)是該電機設(shè)計小合理造成；當磁路設(shè)計太飽和或極數(shù)少端接太長時，端損耗增大，電機常數(shù)降低，所以勵磁靜摩擦力矩連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩比值增大反常。
2勵磁靜摩擦力矩是永磁直流力矩電機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩波動大小的觀察指標
前面談到，永磁直流力矩電機的勵磁靜摩擦力矩，實質(zhì)上是電機永磁體勵磁后，因電樞齒槽磁阻不同而產(chǎn)生的磁阻力矩。很顯然，直槽電樞齒槽磁阻差異很大，齒部磁拉力遠大于槽部磁拉力，由此產(chǎn)生很大的磁阻力矩，所以直槽電機勵磁靜摩擦力矩一般較大。然而同時，直槽電樞因齒槽磁阻變化很大，磁場波形畸變則會隨磁阻變大而增大，所以電機轉(zhuǎn)矩波動會變大。斜槽電樞因齒槽磁阻變化減小，電機的勵磁靜摩擦力矩則會減小。與此同時，電機的磁場波形的畸變很小，所以轉(zhuǎn)矩波動很小。永磁直流力矩電機這種勵磁靜摩力矩與轉(zhuǎn)矩波動同源關(guān)系，為我們觀察水磁直流力矩電機轉(zhuǎn)矩波動大小提供了方便。也就是說，因永磁直流力矩電機的勵磁靜摩擦力矩和轉(zhuǎn)矩波動同由齒槽磁阻變化引起，我們則可用勵磁靜摩擦力矩作為永磁直流力矩電機轉(zhuǎn)矩波動大小的觀察指標：即勵磁靜摩擦力矩大的電機，轉(zhuǎn)矩波動必大；反之，勵磁靜摩擦力矩小的電機，轉(zhuǎn)矩波動必小。這一結(jié)論是否正確?我們以實際電機作一比較。
下面是一種60#機座同規(guī)格電機的兩種設(shè)計：1#電機，電樞直槽，實測勵磁靜摩擦力矩為26／27mN·m，轉(zhuǎn)矩波動百分之14 .4；2#電機，電樞斜稽，實測測量勵磁靜摩擦力矩12．8／11 0 mN·m；轉(zhuǎn)矩波動百分之11。可以看出，上述結(jié)論是正確的。雖然如此，但不是說永磁直流力矩電機的轉(zhuǎn)矩波動大小是由勵磁靜摩擦力矩引起。而應(yīng)該說，齒槽磁阻變化，會影響永磁直流力矩電機勵磁靜摩擦力矩和轉(zhuǎn)矩波動兩項指標。而勵磁靜摩擦力矩大，只會使電機觸動電壓變大，電機靈敏度降低，這才是它的物理實質(zhì)。
3勵磁靜摩擦力矩的另一種測法
G_IR971A一99國家軍用標準《永磁直流力矩電動機通用規(guī)范》規(guī)定，永磁直流力矩電機的勵磁靜摩擦力矩為A組檢驗項目，測試方法為：電動機空載，然后在電樞兩端由零緩慢增加電壓，當轉(zhuǎn)軸剛開始連續(xù)轉(zhuǎn)動，記錄其始動電流(即起動電流I00)，這個電流乘以電機堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩靈敏度Mj，即為該電機的勵磁靜摩擦力矩，公式為：
Me =MjI00(1)
該方法準確合理，它避免了用力矩盤一砝碼法測靜摩擦力矩的繁瑣。但它仍有缺點，必須先用堵轉(zhuǎn)法測出電機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩靈敏度，才能因起動電流I00計算出它的勵磁靜摩擦力矩。為了克服這一缺點，可用直流電動機堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩公式計算勵磁靜摩擦力矩，更為簡單方便，而且準確，公式為：
Me=9.55KeI00(2)
式中：Me——勵磁靜摩擦力矩(N·m)；Ke——反電勢系數(shù)(v/r．min。)，I00——起動電流(A)。用式(1)計算勵磁靜摩擦力矩，不用再測試電機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，只須測出電機的一組空載數(shù)據(jù)U0、I0，電樞電阻Ra，便可算出電機的反電勢系數(shù)Ke，用式(2)計算勵磁靜摩力矩的理論根據(jù)是：當永磁直流力矩電機的起動轉(zhuǎn)矩剛能克服電機的勵磁靜摩擦力矩時，電機便開始緩慢轉(zhuǎn)動，所以這時的起動轉(zhuǎn)矩等于電機的勵磁靜摩擦力矩。事實上，式(1)與式(2)是完全相等的，因式(2)中的9．55Ke就等于轉(zhuǎn)矩靈敏度mj，其推理為：
不同的是，式(1)中的mj由實測堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)Tk和堵轉(zhuǎn)電流Ik算出，而式(2)中的mj由9．55Ke算出，故用式(2)計算出永磁直流力矩電機的勵磁靜摩擦力矩更簡單方便：表l中的me會用該法算出，它與式(1)的計算結(jié)果也完全相等。例如表1序號19#、600#機座電機，該電機的實測有關(guān)參數(shù)為：U0=120V，Pa=2 .6Ω，n0=36．5 r／min，I0=0 .48A，I00=0. 28A，Ik=12 .5A，Tk=385N·m。利用以上參數(shù)，用式(1)計算勵磁靜摩擦力矩為
用式(2)計算勵磁靜摩擦力矩為
兩式計算結(jié)果近似相等，說明式(2)準確，但式(2)更方便。
4結(jié)語
經(jīng)以上實驗研究，我們得出了永磁直流力矩電機勵磁靜摩擦力矩的估算方法，以及實測計算公式為永磁直流力矩電機的使用提供了方便。并指出齒槽磁阻力矩對電機轉(zhuǎn)矩波動和控制靈敏度的雙重影響，設(shè)計中更應(yīng)列齒槽效應(yīng)引起注意。 |
