CN219266413U - 一种电机铁耗测量平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电机铁耗测量平台，包括定子组件、转子组件、测量设备和陪试电机，测量设备与定子组件或/和转子组件连接，陪试电机与所述转子组件连接，所述转子组件设置在所述定子组件内部，所述定子组件包括定子铁芯和电枢绕组，其特征在于：所述定子铁芯与被测电机的定子铁芯结构相同，定子铁芯内设有绕线槽，所述电枢绕组由利兹线或细导线制成，并位于定子铁芯的绕线槽内，电枢绕组在绕线槽内的槽满率小于被测电机中电枢绕组在被测电机定子铁芯绕线槽内的槽满率，永磁体的电导率低于被测电机中永磁体的电导率。和现有技术中直接拿被测电机进行铁耗测试相比，本实用新型测量平台可以有效抑制测量过程中产生的附加损耗，使测试更准确。

Description

一种电机铁耗测量平台

技术领域

本实用新型属于电机测量领域，尤其是涉及一种电机铁耗测量平台。

背景技术

铁耗，全称铁芯损耗，也称铁损，是电机损耗的一种，由主磁场在电动机铁芯中交变所引起的涡流损耗和磁滞损耗组成。铁芯损耗的大小取决于铁芯材料、频率及磁通密度。铁耗近似于与磁通密度的平方成正比，其中磁滞损耗近似于与频率成正比，涡流损耗近似于与频率的平方成正比。铁耗是电机损耗的一个重要组成部分，尤其是对于高速电机，其运行频率高，导致铁耗在高速电机的损耗中占比很大，使得铁耗对电机各部件的温升情况也会产生直接影响。

除频率和磁通密度之外，铁耗还和材料的损耗系数相关。由于损耗系数随磁场频率、磁场强度、温度等因素变化，难以通过理论直接推导，故通常采用拟合实测损耗曲线的方法得到。传统的铁耗测量方法是将铁芯材料制成圆环，圆环上绕设初级线圈和次级线圈。测量时，先检测初级线圈通入的电流和次级线圈感应出的电压波形，再通过运算得到圆环的铁芯损耗，对不同磁场频率和大小下的实测圆环铁芯损耗进行拟合，可得各类损耗系数，最后将损耗系数输入数值计算软件中，算出电机的铁耗。

然而，电机中的磁场远比圆环中的磁场复杂，电机铁芯和圆环所处的磁场完全不同，导致两者的损耗系数也有所不同，计算所得的电机铁耗与实际值存在差异。因此，需要精确测量电机的实际铁耗，以修正理论计算模型，这对后续的电机优化设计、温度场分析等工作具有重要意义。

在现有改进后的铁耗测量平台中，直接对被测电机进行损耗测量，以提高电机铁耗测量准确性。如公开号为CN105467223A的中国专利公开了一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统及方法，包括原动机、被测电机、空心长轴、电阻应变式转矩转速测试仪、温度传感器和电气测试装置，原动机和被测电机共用一根空心长轴实现转速同步并进行转矩传递；被测电机的定子可更换，被测电机的转子套在空心长轴上，转子内置有温度传感器，空心长轴上固定安装有电阻应变式转矩转速测试仪，空心长轴一端作为引出端并设有电刷滑环，温度传感器和电阻应变式转矩转速测试仪均通过空心长轴内部的连线连接到空心长轴引出端的电刷滑环，电刷滑环与测量电桥相连；原动机、被测电机、温度传感器和电阻应变式转矩转速测试仪均连接电气测试装置。

上述测量平台在一定程度上改善了电机铁耗的测量精度，但被测电机除铁耗外，还存在其他损耗。首先，导线在交流磁场中存在趋肤效应和临近效应，引起交流铜耗，导致实际铜耗大于可直接测得的直流铜耗；其次，目前较为常见的高性能永磁体由烧结钕铁硼、烧结钐钴等材料制成，电导率较高，若转子采用永磁体励磁，则永磁体中会产生涡流损耗。另外，护套、转子轭和转轴也通常采用电导率较高的材料制成，会产生涡流损耗。上述各类附加损耗中，交流铜耗和永磁体涡流损耗占比很大。在铁耗测量过程中，这些附加损耗难以和铁耗分离，导致测得的损耗为铁耗与附加损耗的总和，无法得到实际铁耗的精确值。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种新的电机铁耗测量平台，可以较好地抑制铁耗测量过程中产生的交流铜耗和永磁体涡流损耗，从而提高电机铁耗的测量精度。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种电机铁耗测量平台，包括定子组件、转子组件、测量设备和陪试电机，测量设备与定子组件或/和转子组件连接，陪试电机与所述转子组件连接，所述转子组件设置在所述定子组件内部，所述定子组件包括定子铁芯和电枢绕组，其特征在于：所述定子铁芯与被测电机的定子铁芯结构相同，定子铁芯内设有绕线槽，所述电枢绕组由利兹线或细导线制成，并位于定子铁芯的绕线槽内，将电枢绕组在绕线槽内的槽满率设为α，将被测电机中电枢绕组在被测电机中定子铁芯的绕线槽内的槽满率设为β，所述定子组件满足：α小于β；所述转子组件包括永磁体、转子轭和转轴，所述永磁体的电导率设为σ1，将被测电机中永磁体电导率设为σ2，满足：σ1<σ2/10。

作为优选，所述定子铁芯内的绕线槽具有开口，所述电枢绕组的分布位置偏离或远离绕线槽的开口。

作为改进，所述永磁体由铁氧体、粘结钕铁硼或粘结钐钴制成，所述转子轭由陶瓷或塑料制成，永磁体尺寸大于被测电机的永磁体尺寸。永磁体采用铁氧体、粘结钕铁硼、粘结钐钴等材料制成，其电导率小于烧结永磁体的十分之一，因此可以降低永磁体的涡流损耗。转子轭采用陶瓷或塑料等低电导率的材料制成，以降低转子轭损耗。由于上述永磁体材料的磁性能弱于传统的烧结钕铁硼与烧结钐钴，且转子轭材料不导磁，所以当被测电机采用烧结钕铁硼或烧结钐钴时，本实用新型测量平台的永磁体尺寸可以大于被测电机的永磁体尺寸，使测量平台定子铁芯中的磁通密度和被测电机定子铁芯中的磁通密度相似。

再改进，所述永磁体采用Halbach充磁方式。以提高磁通密度。当转子轭采用不导磁材料时，永磁体采用Halbach充磁方式可以起到聚磁效果。

再改进，所述转子通过联轴器与陪试电机的输出轴相连。测试空载铁耗时，由陪试电机带动转子组件旋转。测试负载铁耗时，由陪试电机提供负载转矩。通过调整陪试电机的转速与转矩，可以实现不同工况下的铁耗测量。

再改进，所述转子组件的外侧设有护套，护套由碳纤维或玻璃纤维制成。护套可以保障转子在高速运行下的机械强度。同时，为了抑制护套产生的涡流损耗，减少护套涡流损耗对铁耗测量的影响，护套应由碳纤维制成。

再改进，所述电枢绕组采用多相交流电源供电，也可以采用与被测电机配套的变频器供电。当采用变频器供电时，测量平台的电流和被测电机实际运行时的电流更为接近，可以反映出实际电流的畸变情况，从而提高铁耗测量精度。

所述转子的转轴采用陶瓷制成，以抑制转轴中的涡流损耗，提高铁耗的测量精度。

所述测量设备为以下设备中的一种或多种：示波器、功率分析仪、转矩转速传感器、温度传感器，其中示波器用于分析电枢绕组的电压和电流波形，功率分析仪用于分析电枢绕组上的功率，转矩转速传感器用于分析转轴上的功率，温度传感器用于分析测量平台各部分的温度，以保障测量过程的安全。

所述定子组件、转子组件、测量设备和陪试电机整体位于真空罩内，这样整个测量平台位于真空环境内，可以消除转子转动时产生的风摩损耗，提高铁耗测量精度。同时，可以采用磁悬浮轴承实现转子的悬浮，以消除轴承机械摩擦带来的损耗，进一步提高铁耗测量精度。

所述定子组件、转子组件、测量设备和陪试电机整体位于高低温试验箱内。由于被测电机在实际运行过程中会产生损耗，引起部件发热，导致被测电机的定子铁芯温度高于环境温度，而铁耗的大小和铁芯的温度密切相关。因此可以将本实用新型的测量平台放置于高低温试验箱内，以测量不同温度下的定子铁耗，提高铁耗测量精度。当测量过程耗时较长时，测量平台的各部件会因为损耗而引起升温。通过风冷或水冷等方式将测量平台各部件的温度控制在一定范围内，以保障测量过程的安全。

和现有技术中直接拿被测电机进行铁耗测试相比，本实用新型测量平台的定子槽满率较低，并且永磁体的电导率较低。将本实用新型测量平台的定子组件和转子组件用于铁耗测量，由于改进了设计和材料，所以能有效抑制铁耗测量过程中伴生的交流铜耗和永磁体损耗，从而有效提高电机铁耗的测量精度。

附图说明

图1为本实用新型实施例中电机铁耗测量平台的结构示意图。

图2为被测电机的截面图。

图3为本实用新型实施例中定子组件和转子组件的截面图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示的电机铁耗测量平台，包括定子组件1、转子组件2、陪试电机3、测量设备4和被测电机6。被测电机6不直接用于铁耗测量，而是用于确定定子组件1和转子组件2的尺寸和结构。转子组件2通过联轴器5与陪试电机3相连，通过调整陪试电机3的转速与转矩，可以实现不同工况下的铁耗测量，定子组件1设置在转子组件2的外部。测量平台位于真空罩7内，可以消除转子转动时产生的风摩损耗，提高铁耗测量精度。

如图2所示为一种采用常见结构的被测电机6，包括被测电机定子组件和被测电机转子组件。被测电机定子组件包括被测电机定子铁芯61和被测电机电枢绕组62。被测电机电枢绕组62布满被测电机定子铁芯61内的绕线槽，槽满率较高，可以降低电机实际运行中产生的直流铜耗。被测电机转子组件包括被测电机永磁体65、被测电机转子轭64、被测电机转轴63，被测电机转子组件外侧设有被测电机护套66。被测电机永磁体65一般采用烧结钕铁硼或烧结钐钴材料制成，可以在价格适中的前提下获得更强的磁性能。被测电机转子轭64则一般采用硅钢片、电工纯铁或导磁钢铁制成，用于提供磁场回路，降低磁路上的磁阻，增强电机性能。如果将该被测电机直接装入测量平台进行铁耗测量，则在测量过程中，由于被测电机电枢绕组62的导线截面积较大，且导线靠近绕线槽的开口，所以被测电机电枢绕组62会产生交流铜耗，而被测电机永磁体63和被测电机转子轭64中也会产生涡流损耗。最终导致测得的损耗大于实际定子铁耗，产生测量误差。

本实施例中的定子组件1和转子组件2结构，参见图3所示，定子1包括定子铁芯11和电枢绕组12，定子铁芯11和图2中被测电机定子铁芯61结构和尺寸相同。电枢绕组12的线圈匝数、接线方式均和图2中被测电机电枢绕组62相同，但是换用截面积更小的导线，因此，电枢绕组12在绕线槽内的槽满率低于图2中被测电机电枢绕组62在被测电机定子铁芯61中绕线槽内的槽满率，且导线远离定子铁芯11中绕线槽的开口，该设计方案可以有效抑制电枢绕组12的交流铜耗。值得注意的是，虽然该设计方案会增大测量平台电枢绕组12的直流铜耗，但是直流铜耗可以通过通电电流和未通电情况下的电阻计算得到，对铁耗测量的误差影响很小。

转子组件2包括永磁体23、转子轭22、转轴21，转子组件2外侧设有护套24。永磁体23采用铁氧体、粘结钕铁硼、粘结钐钴等低电导率的材料制成，所述永磁体23的电导率设为σ1，将被测电机永磁体65的电导率设为σ2，满足：σ1<σ2/10，转子轭22采用陶瓷、塑料等低电导率的材料制成，护套24采用碳纤维或玻璃纤维制成，由此抑制永磁体、转子轭和护套中的涡流损耗，提高铁耗测量精度，转轴21采用陶瓷制成。和图2中的被测电机相比，本实用新型测量平台的永磁体23性能较弱，且转子轭22不导磁，磁路上的磁阻较大。因此，为使本实用新型测量平台定子铁芯11中的磁场强度和图2中被测电机定子铁芯11中的磁场强度相似，本实用新型测量平台的永磁体23尺寸大于图2中被测电机的永磁体65尺寸。并且，本实用新型测量平台的永磁体23可以采用Halbach充磁方式，以改善聚磁能力，增大定子铁芯11中的磁通密度。

所述测量设备为以下设备中的一种或多种：示波器、功率分析仪、转矩转速传感器、温度传感器，其中示波器用于分析电枢绕组的电压和电流波形，功率分析仪用于分析电枢绕组上的功率，转矩转速传感器用于分析转轴上的功率，温度传感器用于分析测量平台各部分的温度，以保障测量过程的安全。

若将正常电机直接用于铁耗测量，则测得的损耗其实是铁耗、直流铜耗、交流铜耗、永磁体损耗、护套损耗、转子轭损耗和转轴损耗的总和，其中直流铜耗可以通过计算精确求出，但其余几类损耗无法和铁耗分离，导致真实的铁耗无法测得。将本实用新型测量平台的定子和转子用于铁耗测量，由于改进了设计和材料，所以铁耗测量过程中伴生的交流铜耗、永磁体损耗、护套损耗、转子轭损耗和转轴损耗都被有效抑制，将测得的损耗减去直流铜耗，即为真实的铁耗。

Claims (10)

1.一种电机铁耗测量平台，包括定子组件、转子组件、测量设备和陪试电机，测量设备与定子组件或/和转子组件连接，陪试电机与所述转子组件连接，所述转子组件设置在所述定子组件内部，所述定子组件包括定子铁芯和电枢绕组，其特征在于：所述定子铁芯与被测电机的定子铁芯结构相同，定子铁芯内设有绕线槽，所述电枢绕组由利兹线或细导线制成，并位于定子铁芯的绕线槽内，将电枢绕组在绕线槽内的槽满率设为α，将被测电机中电枢绕组在被测电机中定子铁芯的绕线槽内的槽满率设为β，所述定子组件满足：α小于β；所述转子组件包括永磁体、转子轭和转轴，所述永磁体的电导率设为σ1，将被测电机中永磁体电导率设为σ2，满足：σ1<σ2/10。

2.根据权利要求1所述的电机铁耗测量平台，其特征在于：所述定子铁芯内的绕线槽具有开口，所述电枢绕组的分布位置偏离或远离绕线槽的开口。

3.根据权利要求1所述的电机铁耗测量平台，其特征在于：所述永磁体由铁氧体、粘结钕铁硼或粘结钐钴制成，所述转子轭由陶瓷或塑料制成，永磁体尺寸大于被测电机的永磁体尺寸。

4.根据权利要求3所述的电机铁耗测量平台，其特征在于：所述永磁体采用Halbach充磁方式。

5.根据权利要求3所述的电机铁耗测量平台，其特征在于：所述转子通过联轴器与陪试电机的输出轴相连。

6.根据权利要求3所述的电机铁耗测量平台，其特征在于：所述转子组件的外侧设有护套，护套由碳纤维或玻璃纤维制成，所述转子的转轴采用陶瓷制成。

7.根据权利要求1所述的电机铁耗测量平台，其特征在于：所述电枢绕组采用多相交流电源供电或变频器供电。

8.根据权利要求1所述的电机铁耗测量平台，其特征在于：所述测量设备为以下设备中的一种或多种：示波器、功率分析仪、转矩转速传感器、温度传感器，其中示波器用于分析电枢绕组的电压和电流波形，功率分析仪用于分析电枢绕组上的功率，转矩转速传感器用于分析转轴上的功率，温度传感器用于分析测量平台各部分的温度，以保障测量过程的安全。

9.根据权利要求1所述的电机铁耗测量平台，其特征在于：所述定子组件、转子组件、测量设备和陪试电机整体位于真空罩内。

10.根据权利要求9所述的电机铁耗测量平台，其特征在于：所述定子组件、转子组件、测量设备和陪试电机整体位于高低温试验箱内。

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