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永磁直流力矩電動機機械時間常數研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:2948

   在一般概念中永磁直流力矩電動機足一種以輸出大轉矩、低轉速的直流伺服電動機。由于轉速低、輸出轉矩大,所以機械時間常數可以忽略,因此國軍標GB一971A一99《永磁直流力矩電動機通用規范》中,無論A組榆驗還是C組檢驗,均未對機械時間常數做出考核要求。但筆者在研究中發現,永磁直流力矩電動機的機械時間常數仍不可忽略,即使峰值堵轉轉矩大到10 0000 N·m以上的大機座號永磁直流力矩電動機,其機械時間常數也有8 ms左右,一些小機座號永磁直流力矩電動機,其機械時間常數普遍大于l0 ms,個別高速永磁直流力矩電動機的機械時間常數甚至大到30 ms以上。本文則是筆者對此問題的有關研究情況。

1對機械時間常數公式的改寫

國標GB/T2900.26~94《電工術語·控制電機》中,給出了直流伺服電動機機械時問常數的計算公式為:

 (1)式中:J0為電樞轉動慣量;Ra為電樞電阻;Ke為反電勢系數;KT為轉矩常數;rm為機械時間常數。筆者認為,式(1)不夠簡潔:其一,反電勢系數Ke單位為V/(rad·s),化為常用單位V/(r·rmin);其二,轉矩常數KT應簡化,因KT=9 .55Ke,可避免計算中參數被重復使用。改寫后,式(1)可簡化成如下: (2)

式(2)的物理概念比式(1)更明白,并且可以看出,反電勢系數Ke是影響直流伺服電動機機械時間常數的主要因素。雖然電樞轉動慣量J0電樞電阻Ra也會影響rm但它們均為一次方關系,所以對rm.的影響并不比Ke大。Ke對直流

伺服電動機機械時間常數造成這樣大影響的原因如下:一是在同樣電樞電壓u0下Ke越大,直流電動機轉速越低,n0= 空載轉速n0又是和機械時間常數成正比的,但在U。一定的情況下,Ke與n。成反比.故這里確立了 Ke與fm的一次方反比關系。二是在同樣的堵轉電流IK下,因TK=9 55KeIK,Ke越大.直流電動機的堵轉轉矩TK也越大。而直流電動機的堵轉轉矩TK是和機械時間常數TK成反比關系,兩者綜合,故有Ke以二次方反比關系影響著直流伺服電動機的機械時間常數。式(2)簡單明了,給永磁直流力矩電動機的機械時間常數計算帶來方便。

2永磁直流力矩電動機機械時間常數與機座號的關系

下面選擇14種永磁直流力矩電動機進行機械時間常數計算,機座號由28#一850#;空載轉速n0由l0~7 500 r/mim,峰值堵轉轉矩TK由0.035~12 000 N·m。計算數據如表l所示。  

表1

   表中數據說明:(1)小于200#機座的電樞,其轉動慣量J。由雙線懸吊法測得:大于200#機座的電樞用重錘下落法測得。(2)反電勢系數 用電動機空載法測得,K(3)電樞電阻Ra由電樞一周多點測試取平均值。(4)為了能同時比較電氣時問常數r。與機座號之間的關系,表中同時到出了電樞電感L和電氣時間常數L值。

   從表1中數據可以看出:永磁直流力矩電動機的機械時間常數rm是隨機座號增大而減小的。小于250#機座的永磁直流力矩電動機,其rm普遍人于10 ms;而大于320#機座號的永磁直流力矩電動機,其rm普遍小于是10ms。永磁直流力矩電動機的rm有如此規律,這是它自身的特點決定的。例如我們要追求大轉矩,必然要低轉速才容易實現。而要低轉速大轉矩.電樞外徑必須大,即電機的機座號必須大。低轉速電機的反電勢系數K也必須大才可實現低轉速.而K與rm成反比,所以永磁直流力矩電動機的rm一般是隨機座號增大而減小的。反之亦然。另外,電樞電阻Ra與rm成正比關系。從電樞電阻看,小機座號電機一般Ra較小,所以 m小。只有轉動慣量JO一項相反,因J。和rm成正比關系,它會使大機座號電機的rm增大,使小機座號電機m減小,大機座號電機一般JO較大,小機座號電機一般JO較小。這里兩項主要因素使rm隨機座號增人m減?。挥许椧蛩仉S機座號增大而增大,所以永磁直流力矩電動機的rm一般情況下是隨機座號的增大而減小。當然也有一些特例,如表1中的序號2#電機、4#電機,它們的rm較相近機座號的rm大很多,而8#電機的rm,又較相近機座號的rm小很多,原因何在?我們下面作分析。表l中同時列出了各種電機的電氣時間常數rm值,那么,rO和機座號的關系又是怎樣呢?由表1看出,r0般是隨永磁直流力矩電動機的機座號增大而增大的。原因很簡單,因機座號越大的電機,線圈兒何尺寸越大,而電樞電感L和線圈幾何尺寸成正比,所以機座號越大的電機,電樞電感一般電越大。同時,機座號越大的電機,一般線圈線徑取得也較大,故電樞電阻Ra也越小,而電氣時間常數 ,機座號越大的電機,L和Ra兩項因素都使r0增大。所以永磁直流力矩電動機的tO一般足隨機座號增大而增大的,而機械時間常數rm則恰相反。當然也有一些特例,例如一種特殊設計的深槽永磁直流力矩電動機,它的電樞電感L和電氣時間常數rO就特大。

3機械時間常數特例分析

   由以上分析可知,永磁直流力矩電動機的機械時間常數rm一般星隨電機的機座號增大而減小的。但是表l中的2#電機和4#電機的rm卻較一般值大很多,將4#電機同5#電機相比,同為80#機座,5#電機的rm為l19 ms,4#電機的rm卻大到35 ms,是5#電機的3倍多。其原因就是4#電機的反電勢系數K比5#電機小很多,5#電機的K。為0 066 V/(r·min),4#電機的Ke為0.011 38 V/(r·min),5#電機的Ke是4#電機Ke的5 8倍,故4#電機的rm理論上應較5#電機的rm增大近33.64倍(5.82),即11.9 ms×33.64=400 ms。因rm還要受JO和Ra影響:4#電機的Ra為3.75 n,5#電機的Ra為30.4Ω, =0.12,因Ra與rm成正比關系系,故400 ms不是4#電機真正的rm值,理論上還應減小400.12=48 ms。4#電機的JO為0.000 11kg·㎡,5#電機的JO為O.000 155 kg·m2 =0.71,因J。與m也成正比關系,故4#電機真正的rm值應為48×0.7134ms與式(2)計算的35 ms近似相等,由此說明反電勢系數Ke是影響永磁直流力矩電動機rm的主要因素。同理,2#電機的rm超常變大,也是由它的反電勢系數Ke太小引起。8#電機與9#電機為同一機座號電機,8#電機的rm卻超常變小,其原因主要還是受反電勢系數Ke影響,因8#電機K為0.58l 4 V/(r·min),9#電機的Ke為0.293 0 v/(r·min),8#電機的Ke值是9#電機K值的1.98倍,1.982=3.92,故8#電機的機械時間常數,理論上應為9#電機的機械時間常數值除以3.92,即; =3.75 ms,與8#電機的實際rm值4.l ms近似相等,也說明反電勢系數Ke是影響永磁直流力矩電動機rm的主要因素。也就足說,當

永磁直流力矩電動機的機械時間常數rm出現在同類機座號中特人或特小時,一定是該電機的Ke較同類電機的Ke特小或特大。雖然JO、Ra也影響rm,但一般不會造成這種特殊現象。

4機械時間常數的直接測試

   機械時間常數直接測試一般用對拖法進行。將兩臺同型號規格的直流伺服電動機對拖,一臺作被試電機,一臺作刪速發電機。從被試電機電樞加階躍拖動測速發電機發電,到測速機輸出穩定電壓63.2%的時間除以2,即為被試電機的機械時間常數??梢钥闯?,這種方法不適宜大機座號永磁直流力矩電動機rm的測試。一是大機座號電機rm并不大,反而rm較大,故測出的足兩者綜合值機電時間常數。二是大機座號電機起動電流大,起動瞬間對電源沖擊很大,測試既不準確也易損壞電源。而機座號小于100#的永磁直流力矩電動機的rm測試,則可用這種方法直接測試,因小機座號電機,一般rm較大,而rO較小,一般小于1 ms,故可忽略。但為了測試準確.測試技巧上應選擇降壓測試。降壓測試可使被試電機的起動電流大大減小,使電源更穩定,測試更準確,且不易損壞電源。降壓測試是否會影響電機rm的變化?回答是不會。由前面式(2)可知,rm只與Ke、JO、Ra有關,和電樞電壓U無關,而一臺電機造好后,Ke、JO、Ra是不變的,rm電是不變的,故降壓測試rm并不會影響rm的變化。筆者曾對一種36#機座直流伺服電動機作rm測試比較,全壓測試的rm值與 全壓測試的rm值完全一樣,說明該法合理適用。

5結語

   綜上所述,我們可得出如下結論:

   (1)永磁直流力矩電動機的機械時間常數一般是隨機座號增大而減小的,但仍有數值較大,不可忽略。

   (2)反電勢系數Ke是影響永磁直流力矩電動機機械時間常數的主要因素.它和r m是平方反比關系,r m值異常,一般是Ke異常引起的。

   (3)降壓法直接測機械時間常數準確可靠,不會引起rm值變化。

   (4)機械時間常數計算式(1)不簡潔,簡化成式(2)后物理概念更明確。

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